如何開(kāi)發(fā)微型太陽(yáng)能供電的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)

無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)有望通過(guò)減小傳感器尺寸、簡(jiǎn)化維護(hù)問(wèn)題和最大限度地延長(zhǎng)電池壽命來(lái)降低實(shí)施成本。然而，通過(guò)強(qiáng)調(diào)無(wú)電池實(shí)施，將有可能實(shí)現(xiàn)更大的增長(zhǎng)。

設(shè)計(jì)無(wú)電池設(shè)備的最佳實(shí)踐是降低無(wú)線傳感器系統(tǒng)的平均功耗。這可以通過(guò)藍(lán)牙低功耗（BLE）等技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，用于通信和能量收集。

圖1顯示了微型無(wú)線傳感器的架構(gòu)。該傳感器圍繞集成了BLE無(wú)線電的微控制器（MCU）構(gòu)建，該微控制器可以完全使用能量收集電源管理集成電路（IC）的電源運(yùn)行。

［圖1|微型無(wú)線傳感器圍繞MCU構(gòu)建，集成了BLE無(wú)線電，經(jīng)過(guò)優(yōu)化，僅使用來(lái)自能量收集電源管理IC的電源即可工作。這里顯示的是CYALKIT-E02太陽(yáng)能供電的BLE傳感器信標(biāo)RDK，它顯示了一個(gè)完整的無(wú)線傳感器。

優(yōu)化低功耗藍(lán)牙

為了能夠僅使用能量收集的功率進(jìn)行操作，傳感器必須優(yōu)化其BLE實(shí)現(xiàn)，以最大限度地降低功耗。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，設(shè)計(jì)人員必須首先了解BLE子系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。接下來(lái)，需要編寫(xiě)固件以匹配每種工作/電源模式的要求。然后，設(shè)計(jì)人員必須分析實(shí)際功耗以確認(rèn)假設(shè)并進(jìn)一步提高系統(tǒng)的電源效率。

這些降低功耗的技術(shù)將使用賽普拉斯的 CYALKIT-E02 太陽(yáng)能供電 BLE 傳感器信標(biāo)參考設(shè)計(jì)套件 （RDK） 進(jìn)行說(shuō)明。該 RDK 包括賽普拉斯 PSoC 4 BLE 和 S6AE10xA 能量收集電源管理集成電路 （PMIC）。

首先，讓我們考慮一個(gè)沒(méi)有功耗優(yōu)化的簡(jiǎn)單BLE設(shè)計(jì)。BLE 無(wú)線電配置為不可連接廣告模式下的信標(biāo)。BLE信標(biāo)是一種單向通信方法，以固定的時(shí)間間隔進(jìn)行廣播。它由作為通告數(shù)據(jù)包的一部分發(fā)送的小數(shù)據(jù)包（30 字節(jié)）組成。想要被發(fā)現(xiàn)的信標(biāo)可用于各種智能手機(jī)或計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序，以觸發(fā)推送消息、應(yīng)用程序操作和提示等操作。

圖2顯示了用于廣告信道的低功耗藍(lán)牙鏈路層格式的分組格式。低功耗藍(lán)牙的鏈路層具有“前導(dǎo)碼”、“訪問(wèn)地址”、“協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU）”和“循環(huán)冗余碼（CRC）”。請(qǐng)注意，以下信息適用于廣告通道數(shù)據(jù)包格式，不包括“數(shù)據(jù)通道數(shù)據(jù)包”。

“序言”必須設(shè)置“10101010b”

“訪問(wèn)地址”必須設(shè)置為“10001110100010011111011011010101010b（0x8E89BED6）”

“PDU”具有“標(biāo)頭”和“有效負(fù)載”

BLE信標(biāo)的數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)屬于“有效載荷”中的“廣告數(shù)據(jù)”。

［圖2 |用于廣告通道數(shù)據(jù)包格式的BLE鏈路層格式。

［圖3|BLE 信標(biāo)數(shù)據(jù)包格式］

表 1 顯示了設(shè)置值。

為了確定BLE設(shè)計(jì)的效率，我們可以使用電壓和電流波形計(jì)算平均消耗電流。圖4顯示了非功率優(yōu)化設(shè)計(jì)的能量結(jié)果。

［圖4|BLE設(shè)計(jì)的電流消耗，無(wú)需功率優(yōu)化］

平均電流約為5 mA，啟動(dòng)到等待的總消耗能量為34.76 mJ。要使用環(huán)境能源進(jìn)行操作，我們需要降低消耗電流。

針對(duì)低功耗優(yōu)化固件

我們可以通過(guò)優(yōu)化以下四個(gè)功能來(lái)降低BLE設(shè)計(jì)的平均電流消耗：

低功耗啟動(dòng)

深度睡眠

國(guó)際海事組織時(shí)鐘設(shè)置

調(diào)試選擇

為此，我們需要利用看門(mén)狗計(jì)時(shí)器 （WDT） 在系統(tǒng)處于低功耗模式時(shí)喚醒系統(tǒng)。

低功耗啟動(dòng)

上電復(fù)位 （POR） 后，BLE 系統(tǒng)通過(guò)調(diào)用各個(gè)組件各自的啟動(dòng)函數(shù)來(lái)初始化它們。在初始化低功耗操作時(shí)執(zhí)行以下步驟：

在 32.768 kHz 手表晶體振蕩器 （WCO） 啟動(dòng)時(shí)關(guān)閉 24MHz 外部晶體振蕩器 （ECO） 以降低功耗。

使 WDT 能夠在 500 毫秒（WCO 啟動(dòng)時(shí)間）后喚醒系統(tǒng)。

將 MCU 配置為深度睡眠模式，以獲得 500 ms 的 WCO 啟動(dòng)時(shí)間。

啟用 WCO 后，重新啟動(dòng) ECO 以啟用 BLE 子系統(tǒng) （BLESS） 接口。

將 WCO 設(shè)置為低功耗模式，并將低頻時(shí)鐘 （LFCLK） 源從 32-kHz 內(nèi)部低速振蕩器 （ILO） 更改為 WCO。

啟用 WDT 以喚醒系統(tǒng)。

將 MCU 配置為深度睡眠模式。

［圖5|低功耗啟動(dòng)波形］

深度睡眠

用戶設(shè)計(jì)應(yīng)管理系統(tǒng)時(shí)鐘、系統(tǒng)電源模式和 BLESS 電源模式，以便在支持 BLE 的 MCU 中實(shí)現(xiàn)低功耗操作。

建議執(zhí)行以下步驟在 BLE 間隔之間實(shí)現(xiàn)深度睡眠：

關(guān)閉 ECO 以降低功耗。

使 WDT 在 1.5 秒（BLE 事件間隔）后喚醒系統(tǒng)。

將 MCU 配置為深度睡眠模式。

1.5 秒后，重新啟動(dòng) ECO 以啟用 BLESS 接口。

傳輸 BLE 廣告數(shù)據(jù)。

從步驟 1 開(kāi)始重復(fù)。

［圖6|深度睡眠波形］

國(guó)際海事組織時(shí)鐘設(shè)置

3MHz 至 48MHz 內(nèi)部主振蕩器 （IMO） 是內(nèi)部時(shí)鐘的主要來(lái)源。IMO 默認(rèn)頻率為 48 MHz，可在 3 MHz 至 48 MHz 之間以 1 MHz 的步長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)整。在此示例中，使用默認(rèn)校準(zhǔn)設(shè)置的 RDK 的 IMO 容差為 ±2%。圖7顯示了通過(guò)改變IMO頻率來(lái)表示總能量的示例。

［圖7|國(guó)際海事組織直流電規(guī)格和示例總能量］

調(diào)試選擇

串行線調(diào)試 （SWD） 引腳用于開(kāi)發(fā)階段的運(yùn)行時(shí)固件調(diào)試。配置 SWD 引腳以進(jìn)行調(diào)試會(huì)增加電流消耗。因此，在生產(chǎn)版本中，它們應(yīng)切換到通用輸入/輸出 （GPIO） 模式。這使得它們?nèi)钥捎糜谄蠌?fù)位器件編程。

為了確認(rèn)我們對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行了多少優(yōu)化，請(qǐng)使用電壓和電流波形計(jì)算優(yōu)化的BLE設(shè)計(jì)的平均消耗電流。圖8顯示了功率優(yōu)化設(shè)計(jì)的能量結(jié)果。

［圖8|具有功率優(yōu)化功能的BLE設(shè)計(jì)的電流消耗］

平均電流約為1.5 μA，啟動(dòng)到等待的總消耗能量為0.106 mJ。

使用能量收集進(jìn)行操作

現(xiàn)在我們需要確認(rèn)該系統(tǒng)可以在平均電流和總能耗水平下使用能量收集技術(shù)運(yùn)行。圖9顯示了能量收集系統(tǒng)的框圖。該系統(tǒng)采用 S6AE10xA 能量收集 （EH） PMIC 系列，可使用尚爾基特-E04 S6AE102A 和 S6AE103A EVK 與 CY8CKIT-042-BLE 先鋒套件配合使用，運(yùn)行一整天。

［圖9|能量收集系統(tǒng)框圖］

圖10中的框圖顯示了采用PSoC 4 BLE的簡(jiǎn)單能量收集操作，S6AE102A和S6AE103A板支持該操作。

Wave1 突出顯示了使用太陽(yáng)能的 BLE 操作，而 Wave2 顯示了傳輸時(shí)的 BLE 電流消耗。PMIC首先將太陽(yáng)能存儲(chǔ)在VSTORE1（VST1）上的存儲(chǔ)設(shè)備中，VSTORE1是一個(gè)300μF的陶瓷電容器。當(dāng) VST1 達(dá)到 V 時(shí)斷續(xù)器，能量被發(fā)送到 MCU 進(jìn)行 BLE 操作。

［圖10 |簡(jiǎn)單的能量收集］

然而，這種簡(jiǎn)單的能量收集在沒(méi)有備用電容器的情況下不能運(yùn)行一整天（即，在沒(méi)有光的時(shí)期）。

圖 11 中的框圖和波形說(shuō)明了混合存儲(chǔ)-控制功能。操作系統(tǒng)所需的能量存儲(chǔ)在 VST1 中，剩余能量用于為 VSTORE2 （VST2） 充電。VST2 中的能量即使在沒(méi)有環(huán)境光的情況下也能持續(xù)供應(yīng)給系統(tǒng)。

［圖11|混合存儲(chǔ)控制功能］

圖12顯示了詳細(xì)說(shuō)明將能量存儲(chǔ)到VSTORE2中的電荷曲線的波形。S6AE10xA 將能量存儲(chǔ)到虛擬商店1（小型電容器）和虛擬商店 2（大型電容器）。能量存儲(chǔ)在 VSTORE1 中以操作系統(tǒng)，任何剩余能量都用于為 VSTORE2 （VST2） 上的子存儲(chǔ)設(shè)備充電。VSTORE2中的能量持續(xù)供應(yīng)給系統(tǒng)，因此即使沒(méi)有環(huán)境光，系統(tǒng)也可以繼續(xù)運(yùn)行一段時(shí)間。

［圖12 |說(shuō)明剩余能量存儲(chǔ)的波形］

圖13中的框圖顯示了混合電源輸入控制。Wave1 顯示了 PMIC 如何控制兩個(gè)電源（太陽(yáng)能和電池）。PMIC將兩個(gè)電源轉(zhuǎn)換為在各種條件下運(yùn)行系統(tǒng)。環(huán)境光源通常是恒定的，但某些位置不會(huì)有恒定的光線。PMIC可以自動(dòng)轉(zhuǎn)換兩個(gè)電源，并在沒(méi)有環(huán)境光的情況下繼續(xù)提供能量。

［圖13|混合動(dòng)力輸入控制］

S6AE10xA根據(jù)VSTORE1的電壓等級(jí)自動(dòng)更換電源。如果 VSOTRE1 電壓達(dá)到 VVOUTL，則從 VBAT 電源提供能量，以便在沒(méi)有環(huán)境光的情況下提供能量。

以下是有關(guān)如何解決不同操作配置文件的示例。

［圖14|需要運(yùn)行一整天的微型太陽(yáng)能無(wú)線傳感器］

［圖15 |具有突然/頻繁操作的太陽(yáng)能門(mén)傳感器］

［圖16 |太陽(yáng)能無(wú)源紅外傳感器］

審核編輯：郭婷