采用片上系統解決方案設計下一代低功耗自動(dòng)傳感器節點(diǎn)

　　傳感器

　　傳感器是最先接觸到物理環(huán)境的部件。MEMS 技術(shù)不僅可以縮小傳感器尺寸而且還能提高感應數值的精確度?；?MEMS 的傳感器能監控溫度、電壓、濕度、光、振動(dòng)、氣體等，是無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)板上傳感器的組成部分。這些傳感器能產(chǎn)生模擬信號。然后，需要將產(chǎn)生的模擬信號進(jìn)行放大，以便對其進(jìn)行處理和去噪聲?？赏ㄟ^(guò) SPI、I2C 等串行接口對外部傳感器進(jìn)行配置或控制。

　　能源要求和來(lái)源

　　模擬傳感器通常是能耗大戶(hù)。舉例來(lái)說(shuō)，基于金屬氧化物的氣體傳感器等有源傳感器在工作時(shí)需要進(jìn)行加熱，這會(huì )消耗大量能量。接下來(lái)是通信鏈路，需要定期突發(fā)大量數據包，也會(huì )消耗能量。最后是數字處理器，它需要在數據傳輸之前完成信號的感應或轉換以及低級處理任務(wù)。

　　典型的節點(diǎn)包括用于捕捉外部現象的傳感器、帶信號處理電路的 ADC(將傳感器信息轉換為可靠的數字形式)以及用于數據通信的無(wú)線(xiàn)電。通常而言，能耗大小取決于無(wú)線(xiàn)電。但是根據感應活動(dòng)占空比的不同，有時(shí)傳感器也會(huì )成為最大的耗能部件。研究發(fā)現，一個(gè)節點(diǎn)工作時(shí)所需的電能通常介于 1uW 到 20uW 之間。需要通過(guò)一系列節點(diǎn)進(jìn)行數據協(xié)作處理，這樣才能完成計算密集型任務(wù)。

　　環(huán)境能源的收集

　　環(huán)境中的許多能源都可作為無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)整個(gè)使用周期內工作所需的電力來(lái)源。我們將重點(diǎn)介紹 RF 能源、機械能以及太陽(yáng)能收集。有關(guān)文獻資料已經(jīng)充分證明，這些都是無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)的可行能源。

　　RF 能源是指公共電信系統產(chǎn)生的能量。距離基站 30 到 100 米，GSM 提供的 RF 能量大小約為 0.1 到 1mW/m2。這不足以支持任何可行的能量收集機制。另一方面，WLAN 提供的 RF 能源比 GSM 還要小很多。收集 GSM 能量一種可能的辦法就是采用大面積天線(xiàn)，或者采用一個(gè)專(zhuān)用的 RF 能量源。不過(guò)需要指出的是，信號發(fā)射水平不得超出所允許的最大值。

　　如果要收集機械運動(dòng)或振動(dòng)產(chǎn)生的能量，我們可以采用靜電、壓電和電磁傳導技術(shù)。對于靜電換能器而言，極化電容器兩個(gè)電極之間的距離變化會(huì )產(chǎn)生電壓變化。對于壓電換能器而言，材料形狀的變化會(huì )產(chǎn)生電壓變化。而電磁換能法的原理則是通過(guò)磁性物質(zhì)的運動(dòng)促使線(xiàn)圈磁鏈發(fā)生變化。

　　熱發(fā)生器基于塞貝克效應(Seebeck Effect)，即不同材料的兩個(gè)接點(diǎn)會(huì )保持不同溫度。這就會(huì )在接點(diǎn)開(kāi)放端生成電壓。光伏能是另一個(gè)重要的能量來(lái)源，其效率為 5% 到 30%，這要取決于采用什么樣的材料。

　　我們從表 1 可以看出，這里給出的都是單位面積功率，因為器件厚度相對于面積而言并不起主要作用。不同能量源所產(chǎn)生能量的多少很大程度上取決于節點(diǎn)的環(huán)境。我們假定平均能收集數十微瓦的能量，也就是說(shuō)微型傳感器節點(diǎn)功耗為 10 到 40uW 就能實(shí)現能量收集了。因此，將能量收集與某種形式的能量?jì)Υ嫦嘟Y合，理論上就能無(wú)限延長(cháng)系統工作壽命?！　?/p>

       
             表 1：環(huán)境能量與收集能量的分析