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低功耗能量采集傳感器方案

發(fā)布時間:2015-02-27 責(zé)任編輯:susan

【導(dǎo)讀】本文提出了一些簡單的低功耗能量采集技術(shù),可用于實(shí)現(xiàn)免維護(hù)的無線傳感器。此外,本文還將展示如何在提供穩(wěn)固性能的同時保持較低的總成本,特別是在經(jīng)濟(jì)高效的無線網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域。

智能環(huán)境代表了家庭自動化和樓宇自動化的未來。各種傳感器、控制器和執(zhí)行器分布在整個環(huán)境中,并發(fā)揮多種作用。這種分布也帶來了一些技術(shù)挑戰(zhàn)。例如,每個傳感器都需要有自己的電源。監(jiān)視電池的低電量狀態(tài)是一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)操作。但是,更換電池需要人工輔助。本文提出了一種低功耗能量采集傳感器的實(shí)現(xiàn)方案。當(dāng)傳感器需要發(fā)送大量數(shù)據(jù)或執(zhí)行連續(xù)測量時,能量采集供電的無線傳感器更為適合。采用能量采集供電的傳感器可在數(shù)年內(nèi)完全免維護(hù),而電池供電的傳感器在幾個月內(nèi)就會耗盡電量。
 
如今的無線傳感器實(shí)現(xiàn)方案五花八門。但是,此類系統(tǒng)的總成本不僅僅取決于硬件。實(shí)施不同行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的成本也會增加總成本。這不僅包括附加的軟硬件要求,還包括不甚明顯的項(xiàng)目,如認(rèn)證(例如ZigBee和Bluetooth4.0),甚至可能涉及版稅。

能量采集原理
 
能量采集系統(tǒng)的基本原理是存儲能量(無論是使用鎳氫電池之類的可充電電池還是使用超級電容)供將來需要時使用。除此之外,能量采集無線傳感器基本上與電池供電的傳感器相同。主要的區(qū)別在于(非充電式)電池供電的無線傳感器設(shè)計(jì)為使用電池工作特定一段時間。能量采集傳感器節(jié)點(diǎn)的優(yōu)勢是,可以無限采集能量供將來使用。通常情況下,它能夠采集的能量非常有限(受價格和/或物理尺寸限制)。因此,必須對無線發(fā)送器和傳感器本身的能源使用加以平衡,以減少對采集能量的使用。
 
不同的能量采集設(shè)備
 
目前,市場上有多種不同的能量采集設(shè)備可選。最常用的設(shè)備為太陽能電池板。它有著不同的尺寸,從串聯(lián)和/或并聯(lián)多個太陽能電池的大型電池板,到用于手持式計(jì)算器或玩具的超小型電池。
 
另一種類型的設(shè)備是RF采集設(shè)備。此設(shè)備使用天線接收無線電波,然后將其轉(zhuǎn)換為電能。這是一種非常特別的能量采集設(shè)備,因?yàn)樗枰逺F能量。機(jī)電能量采集設(shè)備通常在電感線圈附近使用磁性運(yùn)動部件。熱電能量采集設(shè)備可通過溫度梯度產(chǎn)生少量電能。這類熱能設(shè)備依賴于塞貝克效應(yīng)。
 
是否實(shí)施無線標(biāo)準(zhǔn)
 
當(dāng)添加無線功能時,一些缺乏經(jīng)驗(yàn)的用戶往往只會想到實(shí)施RF行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),如ZigBee或Bluetooth。但是,根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用需求,實(shí)施特定標(biāo)準(zhǔn)可能是實(shí)際要求,也可能不是。一般來說,僅當(dāng)最終產(chǎn)品必須與市場上的現(xiàn)有產(chǎn)品兼容時,才需要實(shí)施特定標(biāo)準(zhǔn)。選擇使產(chǎn)品與其他產(chǎn)品(由其他公司銷售)兼容,實(shí)際上是一個更復(fù)雜的商業(yè)決策。需要權(quán)衡是否提供兼容性。此外,在一些情況下必須提供兼容性(如用于手機(jī)的無線耳機(jī)),而另外一些情況下無法添加兼容性或者添加成本過高(如簡單的IR遙控)。
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實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)的額外成本
 
很多時候,當(dāng)考慮實(shí)施特定RF標(biāo)準(zhǔn)時,設(shè)計(jì)人員僅看到總體硬件成本。這通常是考慮硬件解決方案時的主要出發(fā)點(diǎn)。任何RF發(fā)送器(正式名稱為“有意輻射體”)都需要認(rèn)證。非RF發(fā)送器仍需要FCC或CE認(rèn)證。但是,其認(rèn)證操作相對比較簡單且便宜。對于任何無線傳感器來說,F(xiàn)CC認(rèn)證都是不可避免的。因此,當(dāng)比較不同的解決方案時,將不考慮這部分成本。
 
根據(jù)實(shí)施的無線標(biāo)準(zhǔn),總實(shí)施成本可能遠(yuǎn)超最初預(yù)期的成本。實(shí)施特定標(biāo)準(zhǔn)的成本不僅僅是軟硬件成本。通常包括組成員資格(年費(fèi))、標(biāo)準(zhǔn)合規(guī)性測試、特定配置文件測試和特定硬件嗅探工具等項(xiàng)目。ZigBee認(rèn)證的成本約為3000美元,而這只是認(rèn)證本身的費(fèi)用。但實(shí)際上,在申請認(rèn)證之前,還需要執(zhí)行一些特定的預(yù)測試并評估設(shè)備是否能通過認(rèn)證。專用測試設(shè)備的租金為每月750美元。
 
初看之下,這些額外成本可能不是很高。但是,多次采用特定標(biāo)準(zhǔn)需要支付會員費(fèi)用。還可能需要支付版稅(每芯片)。RF標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證成本將始終轉(zhuǎn)換為額外的成本和延期,直到產(chǎn)品發(fā)布。
 
硬件本身的單位成本通常在1至1.5美元(1萬件)范圍內(nèi)。僅生產(chǎn)少量產(chǎn)品時,上述所有成本都將影響單位總成本。如果我們僅考慮10,000美元的FCC認(rèn)證成本,那么單位價格實(shí)際將翻一倍。RF標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證的成本(認(rèn)證成本本身、預(yù)測試和RF測試設(shè)備)可以很容易超過10,000美元。
 
最低硬件要求
 
特定的無線標(biāo)準(zhǔn)需要使用專用芯片(如IEEE 802.15.4)。但是,如果您只需要進(jìn)行單向通信,那么簡單的ISM頻段發(fā)送器就完美適合應(yīng)用。但是,能量采集無線傳感器節(jié)點(diǎn)還有一些最低要求。建議采用高數(shù)據(jù)速率。一般來說,數(shù)據(jù)速率越高,需要的功率就越多。但總數(shù)據(jù)包長度會小很多,因此能量消耗會降低??梢允褂肁SK(OOK)或FSK調(diào)制。ASK調(diào)制(和OOK)的能量消耗較低,因?yàn)樵诠ぷ鞯哪承r期RF功率較低(OOK甚至具有完全不消耗RF功率的時期)。ASK的總平均電流消耗會更低。不過,F(xiàn)SK仍為首選,因?yàn)樗梢赃_(dá)到更高的數(shù)據(jù)速率。例如,Microchip的具有集成發(fā)送器的PIC12LF1840T48A MCU在OOK模式下支持10 kbps,而在FSK模式下支持100 kbps。在這種情況下,使用FSK調(diào)制時,數(shù)據(jù)發(fā)送可以快10倍。此外,從RF接收器的角度看,接收器接收和解碼FSK信號的效果要比ASK調(diào)制的RF好得多,尤其是在較高數(shù)據(jù)速率的情況下。
 
優(yōu)化功耗
 
無線能量采集傳感器在工作時需要盡可能減少功耗。這可以通過仔細(xì)地對設(shè)備的工作周期與低功耗關(guān)斷模式進(jìn)行平衡來實(shí)現(xiàn)。根據(jù)應(yīng)用本身的響應(yīng)時間,傳感器需要頻繁或偶爾發(fā)送測量的傳感器信息。兩個工作周期之間的時間間隔越長,平均功耗越低,實(shí)際使用的能量就越少。
 
傳感器可能還需要在兩次無線電傳輸之間捕捉多個數(shù)據(jù)采樣。根據(jù)捕捉的實(shí)際物理信息,可消耗或多或少的電流。典型示例包括運(yùn)放和橋式稱重傳感器,它們在工作時需要相當(dāng)大的電流(相對于發(fā)送RF數(shù)據(jù)時的電流消耗)。
 
對于實(shí)際的無線RF發(fā)送配置,需要特別注意。幅值或頻率調(diào)制、信息的發(fā)送速率(比特率和/或頻率偏差)以及天線的RF輸出功率等參數(shù)都對總功耗有很大影響。工作時間越短,平均功耗越低——這一經(jīng)驗(yàn)法則在這里同樣適用。系統(tǒng)需要經(jīng)過精心設(shè)計(jì),以消除所有不必要的功耗,例如避免LED始終點(diǎn)亮。處理器必須盡可能長地處于低功耗狀態(tài)。板上的所有其他器件在未使用時都必須處于低功耗待機(jī)模式。
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建議的示例

PIC12LF1840T48A器件上的RF發(fā)送器提供了最高為200 kHz的頻率偏差。這可實(shí)現(xiàn)最大為100 Kbps的比特率。如果我們使用由一個16位前導(dǎo)碼、一個16位同步模式和一個32位有效負(fù)載組成的小數(shù)據(jù)包,只需要640 μs即可發(fā)送一個完整的數(shù)據(jù)包。已知能量的度量單位稱為焦耳(J),并且:

  1J = 1W * 1s = 1V * 1A * 1s

我們可以使用以下公式輕松計(jì)算發(fā)送一個數(shù)據(jù)包所消耗的能量:

  E = 10.5 mA * 640 μs à 10.5 mA * 3.0v * 640 μs = 31.5 mW * 640 μs = 20.16 μJ

對于我們的PIC12LF1840T48A設(shè)計(jì)示例,我們知道晶振起振時間典型值為650 μs,并且晶振起振時消耗的電流約為5 mA。因此起振功耗為:

  E1 = 5 mA * 3.0v * 650 μs = 9.75 μJ

我們的示例中使用的實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸包含16位前導(dǎo)符(101010....)、16位同步模式和32位數(shù)據(jù)。如果選擇100 Kbps的比特率,則傳輸周期為640 μs。對于868 MHz FSK調(diào)制下的+0 dB RF傳輸,消耗的電流為12 mA。

  E2 = 12 mA * 3v * 640 μs = 23.04 μJ

如果我們使用簡單的10 Kbps傳輸,那么所用能量為:

  E2 = 7.5 mA * 3v * 6.40 ms = 144 μJ

這種對比只是為了說明使用高數(shù)據(jù)速率的重要性。

發(fā)送最后一個數(shù)據(jù)位后,PIC12F1840T48A發(fā)送器將自動超時并恢復(fù)至低功耗關(guān)斷狀態(tài)。此超時周期的最小值為2 ms。增加的能耗為:

  E3 = 12 mA * 3v * 2 ms = 72 μJ

因此,發(fā)送一個數(shù)據(jù)包的總能耗為:

  E = E1 + E2 + E3 = 9.75 μJ + 23.04 μJ + 72 μJ =104.79 μJ

不過,電流輸出為4.5 μA/3V的微型太陽能電池需要工作多少秒才能獲得僅夠一次數(shù)據(jù)發(fā)送的能量。例如,使用可產(chǎn)生3V/6 mA(最佳情況為3V/40 μA)的低成本太陽能電池,產(chǎn)生的功率僅為:

  3v * 40 μA = 140 μW

現(xiàn)在我們可以計(jì)算出采集到足夠進(jìn)行一次數(shù)據(jù)發(fā)送的能量所需的時間:

  T = 104.79 μJ/ 140 μW = 0.74s

這意味著,傳感器單元在連續(xù)的兩次數(shù)據(jù)發(fā)送之間必須等待不到一秒的時間。此外,還必須注意,上述計(jì)算公式適用于太陽能電池?zé)o限擁有持續(xù)光源的情況。當(dāng)然,這在大多數(shù)情況下是不可能實(shí)現(xiàn)的,因?yàn)橹饕芰縼碓词前滋觳庞械淖匀还?。在這種情況下,必須對計(jì)算進(jìn)行擴(kuò)展,以考慮到能量采集系統(tǒng)需要在白天存儲能量供沒有自然光的夜晚使用。此外,本示例中未計(jì)算實(shí)際傳感器測量所需的能量。
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可能的實(shí)現(xiàn)選項(xiàng)

根據(jù)實(shí)際的系統(tǒng)要求,實(shí)現(xiàn)能量采集功能時有多種能量存儲方案可選。其中包括:

  - 將能量采集到超級電容中。

  - 可充電電池。鎳氫可充電電池可直接通過太陽能電池進(jìn)行涓流充電。無需任何充電穩(wěn)壓器。另外,鎳氫可充電電池的成本非常低。

  - 直接由能量采集器供電。在主要的能量來源(如光或熱)連續(xù)可用并且生成的能量足以為無線傳感器電路供電的情況下,無需將能量存儲到單獨(dú)的設(shè)備中。當(dāng)然,此選項(xiàng)的適用性非常有限。

為什么使用能量采集

當(dāng)開發(fā)低功耗無線傳感器節(jié)點(diǎn)時,使用能量采集解決方案的主要好處不是節(jié)省無線解決方案的單位成本,而是節(jié)省無線傳感器系統(tǒng)的部署和維護(hù)成本。您曾經(jīng)有多少次需要在凌晨1點(diǎn)爬梯子更換煙霧探測器的電池?監(jiān)視和更換無線傳感器網(wǎng)絡(luò)電池的維護(hù)成本大大高于設(shè)備本身的成本,尤其是無線傳感器系統(tǒng)安裝在遠(yuǎn)端或難以觸及的區(qū)域時。當(dāng)需要定期維護(hù)服務(wù)時,無線系統(tǒng)的規(guī)模(傳感器數(shù))也會成為一個較大因素。借助能量采集技術(shù),我們可以采集“免費(fèi)的”能量并存儲該能量以供確實(shí)需要時使用,而無需對無線系統(tǒng)的功耗施加明顯的限制即可確保5年以上的電池壽命,這樣客戶便不再需要更換電池。

結(jié)論

現(xiàn)在能夠以更具競爭力的價格點(diǎn)設(shè)計(jì)能量采集無線傳感器節(jié)點(diǎn),尤其是業(yè)務(wù)上不需要支持某些更復(fù)雜的無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)(例如ZigBee或Wi-Fi?)時。大多數(shù)新無線傳感器設(shè)計(jì)甚至不需要電池,而是可以從不同的主要能量來源(如光、無線電波、機(jī)械能和熱能)采集能量。更多類型的能量采集源每天都在開發(fā)中(例如基于血糖的采集源)。

在正常情況下,低功耗能量采集無線傳感器幾乎可無限期工作,并且從不需要任何人工干預(yù)。這會是一個巨大的優(yōu)勢,并且可以節(jié)省大量維護(hù)成本,尤其是傳感器位于難以或者無法觸及的位置時。通過更加細(xì)心地選擇通信協(xié)議和數(shù)據(jù)傳輸速率,并更好地利用新型RF器件(如新的PIC12F1840T48A)上的功耗管理功能,我們可以顯著降低總功率需求,從而減少無線傳感器解決方案的成本。

 

 
 
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