能量采集原理
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，因為主要能量來源是白天才有的自然光。在這種情況下，必須對計算進(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
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。
