能量收集型傳感器節點(diǎn)實(shí)現方案

雖然能量收集并不是一個(gè)全新概念，但是RF和微控制器(MCU)器件在性能與能耗方面取得的最新進(jìn)展，意味著(zhù)構建一個(gè)采用能量收集型應用，例如傳感器節點(diǎn)，現在變得更加容易。此外，對于同樣的能量收集而言，新構建的應用能夠比之前應用提供更強的能力。因此，在越來(lái)越多的應用中，能量收集為傳感器節點(diǎn)供電正在成為切實(shí)可行的解決方案，本地化處理采集的數據，然后回傳到一個(gè)集中器。

能量收集型系統構成

我們來(lái)考慮一個(gè)嵌入式能量收集型系統，如圖1所示。其中某些組成部分，例如能量收集器，在任何能量收集型設計中都是必要的。

圖1：能量收集型傳感器節點(diǎn)。

從哪里可以獲取傳感器供電所需能量呢?從光、熱、振動(dòng)還是RF?表1中匯總了可收集潛在能量的常見(jiàn)能量來(lái)源。本例中，假設我們正在使用太陽(yáng)能收集器。除了能量收集源之外，應用中也需要某種形式的能量存儲設備，最常見(jiàn)是電容組，或者小型可充電電池。(儲能設備是必須的，因為收集器要持續連續不斷的收集能量，而應用本身可能僅會(huì )在極短的時(shí)間內處于活動(dòng)模式，而在大部分時(shí)間中處于休眠模式。)

表1：能量收集源。

除了這些應用組成部分之外，開(kāi)發(fā)人員還要選擇元器件進(jìn)行相關(guān)設計，能利用這些收集到的能源并達成預期結果。這里有一些關(guān)鍵因素要考慮。所選擇的元器件必須待機電流極低;在工作模式時(shí)功耗極低;且能夠在活動(dòng)模式和待機模式之間快速切換(因為器件從待機模式轉換到工作模式所需的時(shí)間越長(cháng)，浪費的能量越多)。

添加RF連接

RF元器件選型時(shí)，關(guān)鍵因素是要選擇一個(gè)合適的通信協(xié)議，協(xié)議要能夠提供足夠帶寬以傳輸所需數據，同時(shí)能耗要盡可能低。ZigBee和藍牙都是低能耗和電池供電型應用的良好選擇，但是更輕量級的無(wú)線(xiàn)連接技術(shù)或許才是能量收集的最佳選擇。

簡(jiǎn)單、專(zhuān)用的sub-GHz解決方案非常適合能量收集型應用的需求。我們假設該設計中由于進(jìn)行了本地信號處理，而僅僅需要進(jìn)行少量數據傳輸(在后面的例子中我們將會(huì )討論大量數據傳輸時(shí)的情況)，那么RF元器件在大部分時(shí)間里將處于待機模式，僅在需要傳輸少量預處理數據時(shí)才被喚醒。因此，要考慮的兩個(gè)重要參數是待機模式能耗和傳輸模式能耗。

基于以上這些原因，高能效的sub-GHz收發(fā)器，例如Silicon Labs 公司的Si4464，會(huì )是更好的選擇。Si4464的待機模式電流僅50nA，在非收發(fā)模式下能夠最大限度的減少能量消耗，而且從待機模式切換到運行模式時(shí)，喚醒時(shí)間僅需要450?s。這種等級的無(wú)線(xiàn)能效使得開(kāi)發(fā)人員能夠在獲取和管理數據的應用中，實(shí)現 RF元器件的能耗最小化。

選擇合適的MCU

接下來(lái)討論MCU，傳感器節點(diǎn)將提供本地化數據處理，降低整體RF網(wǎng)絡(luò )的數據傳輸流量。對于這種實(shí)現的一個(gè)理想候選者是內建ARM Cortex-M4內核的MCU，它擁有大量專(zhuān)用的DSP功能，與沒(méi)有DSP能力的MCU相比，能夠在更少的時(shí)鐘周期內完成信號處理。圖2顯示了基于Cortex-M3內核的MCU和基于Cortex-M4內核的MCU在執行相同例程實(shí)現512點(diǎn)快速傅里葉變換(FFT)時(shí)所消耗的時(shí)間(在兩種情況下，CPU時(shí)鐘速率是相同的)。如圖所示，Cortex-M4內核的處理時(shí)間遠低于Cortex-M3內核的處理時(shí)間。因此，當使用基于DSP的Cortex-M4內核時(shí)，能效更高。

圖2：在Cortex-M3內核和Cortex-M4內核上實(shí)現512點(diǎn)FFT。

為了體驗帶有DSP功能的內核所提供的益處，可以考慮在能量收集型應用中使用Silicon Labs公司的EFM32 Wonder Gecko MCU。然而，內核并不是獲取最佳能效的唯一因素。還需要考慮其他方面，例如信號采集所需的能耗(以及所使用的技術(shù))、MCU外設之間的交互，使得MCU能夠在更長(cháng)的時(shí)間內保持在低能耗模式。

高能效的信號采集

考慮到信號采集任務(wù)，最佳化能效可以通過(guò)多種方式實(shí)現。假設要獲取的是模擬信號，就可以采用模數轉換器(ADC)或者專(zhuān)用接口實(shí)現信號采集。

我們先從ADC開(kāi)始，有幾種方法可用于數據采集。圖3中圖形化顯示了這些過(guò)程。首先最常用的做法是，利用計時(shí)器觸發(fā)ADC采樣，并將所獲取的采樣數據傳輸到DMA，在1Ksps采樣速率下，能耗為165?A。盡管這很好地利用了外設的互動(dòng)性，但沒(méi)有使用MCU的任何特殊功能。

圖3：EFM32 MCU上的低功耗ADC工作原理。

第二種方法在同樣采樣速率下改善了能耗。其方法是在待機狀態(tài)時(shí)讓MCU進(jìn)入能耗模式2(EM2)，一直到被中斷喚醒為止(中斷可來(lái)自多種觸發(fā)源，包括EM2下的可用定時(shí)器)。EM2的待機能耗為900nA，但是MCU只需要2?s就能恢復全速運行狀態(tài)。因此，超低能耗模式帶來(lái)的時(shí)間成本，EM2切換回全速運行狀態(tài)所帶來(lái)的能耗，兩者間達到了很好的平衡。這種情況下，同樣實(shí)現1Ksps采樣速率時(shí)，能耗降低到60?A，與第一種方法相比能耗有了顯著(zhù)下降。此方法可能是最合適的方法，因為許多嵌入式應用都是靠中斷驅動(dòng)的。然而，根據應用對特殊情況的要求，還可以利用其他方法進(jìn)一步降低能耗。

第三種方法(可視此方法為一個(gè)“優(yōu)化循環(huán)”方案)仍然采用EM2，但本次并非等待中斷，而是使用等待事件(Wait for Event ，WFE)指令，該指令是Cortex-M指令集的一部分。WFE指令使MCU能夠對外部或者內部事件進(jìn)行響應，類(lèi)似于中斷觸發(fā)。然而，在這種情景下，不再是從主循環(huán)中進(jìn)入中斷，而是MCU直接從EM2中喚醒并開(kāi)始執行下一條指令，消除了中斷延遲時(shí)間。雖然這種方法并不適合所有應用，但采用此方法可以降低能耗，同樣1Ksps采樣速率時(shí)，能耗不到20?A。

為了判斷采用哪種方法更適合你的應用，做一個(gè)詳細的分析是非常必要的。為了達到所需的最小能耗，你需要評估采樣率的大小，以及MCU在各種模式下的能耗。

圖4對比了分別采用上述三種方法時(shí)能耗和采樣率的對比情況。圖中的交叉點(diǎn)表明，為了實(shí)現最佳功效，可以從一種方法轉向另一種方法。

圖4：能耗與采樣率對比圖。

除了利用ADC進(jìn)行信號采集之外，特別選擇的MCU還可以使用額外的專(zhuān)用外設。以EFM32 Wonder Gecko MCU為例，可以選擇使用低能耗傳感器接口(LESENSE)采集信號，并且僅在需要MCU進(jìn)行處理時(shí)才喚醒MCU。圖5說(shuō)明了LESENSE的工作原理，此例中以模擬信號輸入為例。

圖5：LESENSE的運行原理。

處理這種信號的一個(gè)標準方法是輪詢(xún)輸入，并且不斷的檢查是否通過(guò)了預設的門(mén)限值。但是，這種方法效率極低。采用類(lèi)似LESENSE的自治傳感器接口，MCU能夠保持在低能耗模式(例如ADC技術(shù)示例中用到的EM2)，僅僅當跨越門(mén)限值時(shí)才喚醒MCU?；蛘?，更有用的是能夠記錄跨越門(mén)限值的次數，例如5次之后才喚醒MCU。這種方法是一種更加節能的解決方案。例如，MCU被LESENSE外設喚醒時(shí)，它能知道下一步具體要做什么，可以直接管理應用的對應部分。圖6顯示了如何使用諸如LESENSE這樣的 MCU外設為能量收集型應用帶來(lái)顯著(zhù)差異。

圖6顯示了一個(gè)采用能量存儲器為MCU提供電源時(shí)的電量測量情況。在兩種應用示例中，都是以5Hz的頻率通過(guò)LESENSE外設采集信號。在第一個(gè)例子中，每次信號采集后都會(huì )喚醒MCU，可以看出，能量存儲器的能量在很短暫的時(shí)間內就被耗盡了，然后MCU進(jìn)入到復位狀態(tài)。在第二個(gè)例子中，LESENSE外設配置成為每五次信號采集后才喚醒MCU。在這兩個(gè)示例中，采集和傳輸到MCU的數據量都是相同的，但第二個(gè)例子中的MCU并沒(méi)有進(jìn)入復位狀態(tài)，應用依舊維持正常運行狀態(tài)。因此，通過(guò)智能的使用MCU資源，可以獲得更加節能的解決方案。

圖6：使用LESENSE實(shí)現節能。

雖然我們從現有的能量源中為嵌入式應用收集到的能量沒(méi)有顯著(zhù)的增加，但近些年來(lái)，關(guān)鍵系統元器件(例如MCU和RF IC)對能量的需求已經(jīng)顯著(zhù)下降。IC元器件正在向著(zhù)更加節能的方向發(fā)展，這使得可以在更多的智能和實(shí)用嵌入式系統中采用能量收集供電。隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)的快速成長(cháng)，設計出能夠自我維持運行的傳感器節點(diǎn)已成為必然。雖然當今市場(chǎng)上的RF和MCU解決方案有無(wú)限選擇，但是在由能量收集供電的嵌入式設計中極度需求MCU和RF器件、而時(shí)間又是個(gè)很重要因素時(shí)，很明顯沒(méi)有哪一種元器件能夠滿(mǎn)足所有需求。然而，在建立節能型系統方面，某些元器件的確比其他元器件更具有顯著(zhù)優(yōu)勢。