應(yīng)用于無線模塊的能量收集子系統(tǒng)設(shè)計

使用無線模塊開辟了為物聯(lián)網(wǎng)（IoT）等應(yīng)用實施經(jīng)濟高效的傳感器節(jié)點的新方法。模塊的簡單性和低功耗無線協(xié)議的使用使得能量收集子系統(tǒng)能夠從環(huán)境中捕獲能量以在本地存儲，如圖1所示。這可以減少甚至消除更換電池的需要并允許開發(fā)人員在更多難以接近的地方實施傳感器。

圖1：無線模塊可以通過環(huán)境的能量供電，以減少更換的需要傳感器網(wǎng)絡(luò)中的可充電電池。 （來源：Spansion）

圖2顯示了不同的無線技術(shù)及其作為電源使用能量收集的適用性。 EnOcean等協(xié)議專門針對能量收集應(yīng)用而開發(fā)，具有簡單的低功耗技術(shù)和結(jié)構(gòu)，如電報，而其他協(xié)議，如Z-Wave，ZigBee和無線HART，是現(xiàn)有無線或工業(yè)協(xié)議的低功耗擴展，也可以使用。

EnOcean Z-Wave ZigBee無線Hart藍牙LE藍牙Wi-Fi行業(yè)組織EnOcean聯(lián)盟Z-Wave聯(lián)盟ZigBee聯(lián)盟HART藍牙SIG藍牙SIG Wi-Fi聯(lián)盟頻段315 MHz，868 MHz，900 MHz，920 MHz 900 MHz 868 MHz，915 MHz，2.4 GHz 2.4 GHz 2.4 GHz 2.4 GHz 2.4 GHz，5.8 GHz數(shù)據(jù)速率低低低低中高非常高范圍（取決于射頻功率）~50 m，~300 m~30 m~100 m ~250 m~50 m~100 m~100 m功耗極低中低極低極低極低應(yīng)用HEMS，BEMS傳感器NW，HEMS傳感器NW，HEMS，BEMS，工廠自動化工廠自動化NotePC，智能手機，可穿戴，醫(yī)療，傳感器NW，HEMS，BEMS NotePC，智能手機，PC外圍PC，智能手機，數(shù)字AV，室內(nèi)/室外NW適合能量收集？非常好非常好非常好非常好不壞壞HEMS：家庭能源管理系統(tǒng)BEMS建筑能源管理系統(tǒng)

圖2：不同的無線協(xié)議具有一系列功率要求，使得一些更適合能量收集源。 （來源：Spansion）

賽普拉斯半導(dǎo)體公司的MB39C811是一款高效降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器，采用全波橋式整流器和比較器。這支持從高輸出阻抗的能量源（如壓電傳感器）收集能量。

可以從八個預(yù)設(shè)輸出電壓中進行選擇，并提供高達100 mA的輸出電流和靜態(tài)電流（無負載，穩(wěn)壓輸出）僅為1.5μA，輸入電壓范圍為2.6 V至23 V.預(yù)設(shè)輸出電壓范圍為1.5 V至1.8 V，2.5 V至3.3 V和3.6 V，適用于低功耗無線模塊。 4.1 V，4.5 V和5.0 V的輸出不太可能用于此類模塊。

該器件還具有保護功能，例如當(dāng)Vin超過21 V時用于輸入保護的分流器，以及過流限制和I/O電源良好檢測信號輸出。

圖3顯示了電源管理器件的結(jié)構(gòu)，它將捕獲的電流傳遞給能量存儲設(shè)備，如電容器或可充電電池，然后用于為無線模塊供電。

圖3：賽普拉斯半導(dǎo)體的MB39C811處理來自能量收集源的電能，以存儲在無線模塊的可充電電池中。

將設(shè)備連接到無線模塊需要考慮許多不同的因素。收獲過程提供的能量對于無線傳輸?shù)某跏紗与A段來說是不夠的，因此確保來自存儲設(shè)備的漏極不會過多是很重要的。這可以通過密切關(guān)注模塊的處理要求來實現(xiàn)。例如，在無線模塊中的時鐘速度為12 MHz時，例程需要1.1 ms才能完成，但僅消耗4 mA峰值電流。這遠低于48 MHz的工作頻率;雖然它使用更多電流，但峰值電流更低，更適合能量收集架構(gòu)。

無線模塊的啟動是能量收集源的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。這包括初始化存儲器，設(shè)置中斷向量，配置外設(shè)和公共寄存器以及初始化任何外部時鐘。這些步驟中的每一步都需要CPU處理時間來完成，這反過來又消耗能量。

通過僅初始化將要使用的內(nèi)存和寄存器部分，并將其他部分保留為默認設(shè)置，可以最大限度地減少每個階段所需的電量。

初始化時鐘振蕩器也會占用大量功率。而不是在活動模式下等待時鐘穩(wěn)定，使系統(tǒng)保持睡眠或深度睡眠模式允許模塊穩(wěn)定下來?？梢允褂脙?nèi)部計時器喚醒模塊以供使用。這避免了對能量收集功率管理器施加更大壓力。

使用無線模塊通常不需要單獨的微控制器或存儲器，從而使無線傳感器節(jié)點的開發(fā)更加簡單。但是，模塊的能量預(yù)算需要考慮如何使用模塊上的外設(shè)。這些外圍設(shè)備可以在設(shè)備內(nèi)部，例如連接到傳感器的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，或直接連接到外部傳感器。雖然外圍設(shè)備的啟動時間可能不會很大，但總體設(shè)置時間的組合可能需要足夠的處理時間來耗盡存儲的能量。

這需要為給定的CPU頻率確定各個外設(shè)的啟動時間。不同的外圍設(shè)備也需要來自中央處理器的時間，并且必須考慮其耗電量以確保所汲取的總電流不超過能量存儲器中可用的電流。

這可以通過使用模塊或芯片制造商經(jīng)常提供的軟件工具來分析代碼來實現(xiàn)。

如果當(dāng)前消耗確實超過了能量存儲的容量，則可以將例程分解為更小的子例程以進行分階段管理。這樣可以將存儲元件上的負載降低到能夠通過能量收集源更容易再充電的較小電流脈沖。

建議在每個階段之間將系統(tǒng)置于低功耗模式，使用看門狗或定時器作為中斷。該模塊在大多數(shù)情況下將處于低功耗模式，這將使電流要求盡可能低，從而使存儲元件更容易充電。

圖4顯示了使用太陽能電池作為輸入的設(shè)備的引腳排列。這可以連接到一個模塊，例如Digi的可編程版本的XBee和使用ZigBee協(xié)議的XBee-PRO。直接在模塊上編程消除了對單獨處理器的需求，并且由于無線軟件是隔離的，因此可以開發(fā)應(yīng)用程序而不會對RF性能或安全性造成風(fēng)險。

圖4：使用帶有太陽能電池輸入的MB39C811，使用ZigBee等協(xié)議為無線模塊供電。

模塊基于Ember EM35x（EM357和EM3587）系統(tǒng)開啟Silicon Labs的芯片（SoC）無線電使用32位ARM Cortex-M3處理器。對于可能希望升級到基于IPv6的網(wǎng)絡(luò)堆棧Thread的開發(fā)人員而言，S2D EM3587版本具有更大的內(nèi)存占用，但這會增加功耗。

模塊通過VCC連接， GND，Dout和Din引腳，盡管數(shù)字通用I/O引腳可用于連接外部傳感器。為了支持串行固件更新，還連接了RTS和DTR引腳。

圖5顯示了使用MB39C811和振蕩能源（如壓電晶體）的引出線。在這種情況下，設(shè)備的振動會導(dǎo)致晶體受壓，對晶格產(chǎn)生應(yīng)力并產(chǎn)生電流。然后可以通過PMIC設(shè)備捕獲它。

圖5：使用帶壓電源的MB39C811為藍牙無線模塊供電。

與賽普拉斯半導(dǎo)體的CYBLE-022001-00等藍牙低功耗模塊接口可實現(xiàn)低功耗-power無線節(jié)點即將實施。該模塊通過其可編程架構(gòu)支持許多外設(shè)功能，如ADC，定時器，計數(shù)器和PWM，以及串行通信協(xié)議（I 2 C，UART，SPI）。 CYBLE-022001-00包括一個與藍牙4.1兼容的免版稅BLE堆棧，可在10×10×1.80 mm的小型封裝中提供多達16個GPIO。

CYBLE-022001-00包含兩個電源連接，VDD和VDDR。 VDD連接為數(shù)字和模擬操作提供1.71 V至5.5 V的電源，而VDDR連接為設(shè)備無線電提供1.9 V至5.5 V的電源。模塊上兩個電源連接的最大電源紋波是100 mV，可由MB39C8111和存儲元件處理。

結(jié)論

使用帶有能量收集子系統(tǒng)的無線模塊為無線開辟了許多新的可能性傳感器網(wǎng)絡(luò)，但需要注意整體功率預(yù)算。能量收集產(chǎn)生的較低電流，無論是太陽能電池還是壓電源，都意味著必須仔細考慮啟動順序和傳感器管理軟件。通過仔細安排這些，并在必要時將例程分解為更小的單元，開發(fā)人員可以確保峰值電流要求不超過電池容量和能量收集源的充電容量。所有這些都可以通過專門針對此類電源子系統(tǒng)進行優(yōu)化的最新電源管理設(shè)備進行管理。