Silicon Labs的能量收集參考設(shè)計(jì)的應(yīng)用與演示介紹

低功率無線傳感器在工業(yè)和醫(yī)療應(yīng)用中變得越來越普遍，遠(yuǎn)程測(cè)量橋梁和建筑物的壓力，甚至人類的心臟壓力。傳感器節(jié)點(diǎn)需要是超低功率，因?yàn)楦鼡Q電池可能是昂貴的，不切實(shí)際的，甚至是不可能的。在這些應(yīng)用中，環(huán)境能源的采集成為高優(yōu)先級(jí)，甚至是必需的。如果您正在考慮這樣的設(shè)計(jì)，Silicon Labs制造了一種廉價(jià)的能量收集板，既可以作為概念驗(yàn)證，也可以作為設(shè)計(jì)自己應(yīng)用的跳板。

Silicon Labs的能量收集參考設(shè)計(jì)（見圖1）由無線傳感器節(jié)點(diǎn)和USB無線適配器組成。無線傳感器節(jié)點(diǎn)由太陽能電池供電，但有一個(gè)輔助輸入，允許從其他能量收集替代品（如熱，壓電或RF）獲取電力。傳感器節(jié)點(diǎn)使用Silicon Labs Si1012A無線MCU測(cè)量溫度，光照水平和電荷水平，將這些數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)紼ZRadioPro?USB加密狗，后者又使用單獨(dú)的Silicon Labs C8051F342 MCU和Si4431無線電。這次審查將使董事會(huì)步調(diào)一致，推薦無線傳感器節(jié)點(diǎn)中能量收集源的意義。

圖1：Silicon Labs的能量收集參考設(shè)計(jì)。

傳感器節(jié)點(diǎn)完全由太陽能電池供電，能量存儲(chǔ)在Infinite Power Solutions的THINERGY?薄膜電池中，電源管理由凌力爾特公司的LTC4071穩(wěn)壓器芯片處理（見圖2）。該系統(tǒng)專為超低功耗操作而設(shè)計(jì)，Si1012在不傳輸數(shù)據(jù)時(shí)僅消耗50 nA電流。能量收集電源的漏電流約為3μA，可以通過照射太陽能電池的50勒克斯來克服。當(dāng)電池充滿電時(shí)，系統(tǒng)可以在完全黑暗中運(yùn)行大約七天，或者在暴露在光線下時(shí)無限期運(yùn)行。該系統(tǒng)可以使用室內(nèi)照明（200勒克斯）或陽光（10，000勒克斯）進(jìn)行操作。 Silicon Labs將傳感器板的預(yù)期壽命延長(zhǎng)至15年，在此期間它可以提供7000 mA-H。

圖2：Si1012傳感器節(jié)點(diǎn)（由Silicon Labs提供）。

有趣的是，傳感器節(jié)點(diǎn)的工作頻率為919.84 MHz，而不是通常的2.4 GHz ISM頻段。 sub-GHz頻段的選擇和相當(dāng)大的PCB天線的存在將表明，雖然Silicon Labs已明確設(shè)計(jì)該板為超低功率，但它也試圖最大化工作范圍。

入門

此套件入門非常簡(jiǎn)單 - 它包含能量收集板，USB加密狗，ToolStick基座適配器，3英尺USB延長(zhǎng)線和一頁(yè)快速入門指南。您首先必須通過太陽能電池板為薄膜電池充滿電，方法是將電路板置于陽光直射下一小時(shí)或在光線充足的房間中放置一天。由于缺乏對(duì)這兩者的耐心，我將工具棒底座連接到能量收集板，并使用USB延長(zhǎng)線將整個(gè)事件連接到我的PC?？偝潆姇r(shí)間為30分鐘。

接下來，我從電腦上拔下電路板和工具棒并插入EZRadioPro USB加密狗。 Windows?很快將其注冊(cè)為HID設(shè)備，沒有任何投訴，這是一個(gè)受歡迎的緩解。然后我被指示從Silicon Labs的網(wǎng)站下載無線開發(fā)套件（WDS），解壓縮文件，并安裝程序 - 再次沒有發(fā)生任何事故。我還必須下載他們的應(yīng)用筆記AN588，它基本上是這個(gè)應(yīng)用程序的用戶手冊(cè)。

AN588指示我推出無線開發(fā)套件并選擇能量收集演示。有四個(gè)演示程序 - 安全，能量收集，RF到USB網(wǎng)絡(luò)和EZMac網(wǎng)絡(luò) - 所有這些都表明他們需要固件升級(jí)才能運(yùn)行它們。我運(yùn)行了能量收集固件更新并保存了其他更新。

重啟WDS程序，我選擇了能量收集演示。轉(zhuǎn)到電路板，我將電源選擇按鈕（S2）置于太陽能位置，等待30秒，100μF電容充電。按下電路板上的按鈕導(dǎo)致加密狗識(shí)別節(jié)點(diǎn)。 PC上的程序顯示，接收770勒克斯的電路板在22.30C運(yùn)行，電池充電100％（見圖3）。由于Silicon Labs表示只需要50勒克斯來維持電池充電，并且由于測(cè)量時(shí)電路板位于低功率，窄譜臺(tái)燈下方18英寸處，因此似乎有足夠的空間備用于低功耗應(yīng)用程序運(yùn)行。移動(dòng)電路板會(huì)立即反映光線的變化并通過噴霧凍結(jié)撞擊電路板，確認(rèn)溫度傳感器確實(shí)正常工作（一旦按下電路板上的按鈕即可更新數(shù)據(jù)）。

圖3：無線開發(fā)套件上運(yùn)行的能量收集演示。

通過此演示，按下傳感器節(jié)點(diǎn)上的按鈕可將MCU從睡眠模式喚醒。第一個(gè)按鈕按下它與加密狗配對(duì)，隨后的按下使其更新電池電量和溫度，之后電路板回到超低功耗睡眠模式，直到下一個(gè)按鈕按下。當(dāng)它處于活動(dòng)狀態(tài)時(shí)，節(jié)點(diǎn)每秒傳輸一次亮度。

當(dāng)電池充滿電時(shí)，Silicon Labs聲稱其電量范圍約為100至300英尺。如果電池電量低于75％，則降低發(fā)射功率以保留剩余電量。

他們是如何做到的？

Silicon Labs的能量收集參考設(shè)計(jì)包括用于收集能量的太陽能電池，用于存儲(chǔ)能量的薄膜電池以及用于處理流入和流出電池的電流的能量管理電路。

能源管理由凌力爾特公司的LTC4071電池充電器系統(tǒng)（見圖4）提供，該系統(tǒng)專為能量收集應(yīng)用而設(shè)計(jì)。 LTC4071從太陽能電池或其他能量收集源獲取能量，并根據(jù)薄膜電池的要求將其轉(zhuǎn)換為恒定的4.1伏特。 LTC4071可以保護(hù)電池免受過充電和過放電以及來自負(fù)載的任何可能損壞電池的突然脈沖。該器件本身在工作時(shí)僅消耗550 nA，在保護(hù)電池免于過放電時(shí)僅小于0.1 nA。

圖4：LTC4071電池充電器系統(tǒng)（由Linear Technology提供）。

LTC4071將4.1伏電壓從電池轉(zhuǎn)換為2.7伏的穩(wěn)壓電壓，供Si1012無線MCU使用。它在ADI公司的ADP162超低功耗LDO，安森美半導(dǎo)體的NCP302電壓檢測(cè)器和100μF鉭電容的幫助下實(shí)現(xiàn)，可在發(fā)送期間提供峰值電流。凌力爾特公司在Digi-Key網(wǎng)站上提供了一個(gè)LTC4071產(chǎn)品培訓(xùn)模塊，用于解釋電池充電系統(tǒng)的工作原理。

儲(chǔ)能由無限電力解決方案（IPS）THINERGY MEC201-7S固態(tài)電池提供，額定電壓為每0.7 mAh 4.1伏。出于多種原因，薄膜電池非常適合能量收集應(yīng)用。 IPS薄膜電池的額定循環(huán)壽命為100，000次充放電循環(huán)，放電深度為10％，典型應(yīng)用負(fù)載，可在15至20分鐘內(nèi)充電至90％充電狀態(tài)。它們可以接受低至1μA的充電電流（在最小的微電源范圍內(nèi)），并且可以提供高達(dá)7 mA的放電速率。最后，它們?cè)?5°C時(shí)具有每年1％的超低自放電率，使得在該領(lǐng)域中持續(xù)10至15年的應(yīng)用完全可行。

在無線方面，Silicon Labs Si1012是一款單芯片解決方案，它將25 MHz 8051 MCU與16 kB閃存，12位ADC和EZRadioPro RF收發(fā)器相結(jié)合（參見圖5）。收發(fā)器部分的頻率范圍為240至960 MHz，靈敏度為-121 dBm，最大功率輸出為+13 dBm。有效時(shí)，接收器吸收18.5 mA電流，發(fā)射器電流為+ 13 dBm輸出30 mA，降至+ 1 dBm時(shí)為18 mA。

傳輸時(shí)，Si1012吸收的電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過薄膜電池可承受的7 mA最大放電速率。差異主要由100μF電容器處理，盡管真正的技巧是盡可能縮短發(fā)送脈沖串。為此，EZRadioPro收發(fā)器使用基于EZMAC PRO軟件庫(kù)的GFSK調(diào)制（EZRadioPRO通道19）以128 kbps進(jìn)行傳輸。輸出功率為+13 DBM，但當(dāng)電池電量降至75％以下時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)將降低輸出功率。

圖5：Silicon Labs的Si1012收發(fā)器（由Silicon Labs提供）。

收發(fā)器從睡眠模式喚醒的時(shí)間盡可能短 - 在本應(yīng)用中，發(fā)送器和接收器每秒只有1 ms處于活動(dòng)模式（見圖6），發(fā)送和接收每次只分別有一個(gè)數(shù)據(jù)包。盡管發(fā)射器在工作模式下吸收29 mA電流，接收器電流為19 mA，但此應(yīng)用的平均電流消耗僅為51μA - 這是我的臺(tái)燈和太陽能電池板可輕松匹配的水平。/p》

圖6：運(yùn)行能量收集演示程序的Si1012活動(dòng)概況（由Silicon Labs提供）。