如何開(kāi)發(fā)微型太陽(yáng)能無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)

　　無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)可通過(guò)縮減傳感器尺寸、簡(jiǎn)化維護問(wèn)題和延長(cháng)電池續航時(shí)間而降低實(shí)施成本。事實(shí)上，如果把重點(diǎn)集中在無(wú)電池的設計上，將能實(shí)現更大的成本效益。

　　設計無(wú)電池設備的最好方法是通過(guò)用于通信和能量采集的低功耗藍牙(BLE)等技術(shù)來(lái)降低無(wú)線(xiàn)傳感器系統的平均功耗。

　　圖1為微型無(wú)線(xiàn)傳感器的架構圖。該傳感器使用具有集成BLE射頻的微控制器(MCU)而創(chuàng )建，可以完全使用能量采集電源管理集成電路(IC)所提供的電源運行。

　　[圖1 | 微型無(wú)線(xiàn)傳感器使用具有集成BLE射頻的微控制器(MCU)而創(chuàng )建，經(jīng)優(yōu)化后僅用能量采集電源管理IC所提供的電源運行。圖中為完整的無(wú)線(xiàn)傳感器 -- CYALKIT-E02太陽(yáng)能供電BLE傳感器參考設計套件(RDK)。]

　　BLE的優(yōu)化

　　為了做到只用能量采集IC所提供的電源運行，傳感器必須優(yōu)化其BLE系統以降低功耗。首先，設計人員必須了解BLE子系統的詳情。接下來(lái)，需要編寫(xiě)固件代碼以滿(mǎn)足每種運行/功率模式的要求。然后，設計人員必須分析實(shí)際功耗以確認各種假設來(lái)進(jìn)一步提升系統的能效。

　　降低功耗技術(shù)的說(shuō)明可參考賽普拉斯(Cypress) CYALKIT-E02太陽(yáng)能供電BLE傳感器參考設計套件(RDK)。該RDK包含一個(gè)Cypress PSoC 4 BLE與S6AE10xA能量采集電源管理IC(PMIC)。

　　簡(jiǎn)單、無(wú)功率優(yōu)化的BLE設計要首先把BLE射頻配置為處于不可連接廣播模式的信標。BLE信標是每隔一定時(shí)間向外進(jìn)行廣播的單向通信方法。它包含一些較小的數據包(30字節)，而這些數據包構成一個(gè)廣播數據包發(fā)送出去。想信標被發(fā)現可在各類(lèi)智能手機或計算機應用中推送消息、app操作及提示。

　　圖2顯示了廣播通道數據包格式的BLE鏈路層格式。BLE鏈路層擁有“Preamble”(前導碼)、“Access Address”(接入地址)、“Protocol Data Unit(PDU)”(協(xié)議數據單元)和“Cyclic Redundancy Code(CRC)”(循環(huán)冗余碼)。請注意，以下信息僅適用于廣播通道數據包格式，不含“數據通道數據包”。

　　Preamble”必須設置為“10101010b”

　　Access Address”必須設置為“10001110100010011011111011010110b(0x8E89BED6)”

　　PDU”包含“報頭”和“凈載荷”

　　BLE信標的數據包結構屬于“凈載荷”中的“廣播數據”。

　　[圖2 | 廣播通道數據包格式的BLE鏈路層格式]

　　[圖3 | BLE信標數據包格式]

　　表1列出了設置值。

　　表1：

　　? Length1 0x02

　　? AD type1 0x01

　　? AD data 0x04

　　? Length2 0x1A

　　? AD type2 0xFF

　　? Company ID 0x0131 [Cypress Semiconductor Corporation]

　　? Device type 0x02

　　? Length3 0x15

　　? UUID1 00050001-0000-1000-8000-00805F9B0131 [hex]

　　? Major2 Your own ID

　　? Minor3 0x0001

　　? RSSI4 0xC3 [-61dBm]

　　? Transmitter power 0 dBm

　　? Advertise interval 1500 ms

　　1這是一個(gè)16字節字符串，用于區分一大組相關(guān)信標。

　　2這是一個(gè)2字節字符串，用于區分較大分組中的小組信標。

　　3這是一個(gè)2字節字符串，用于標識各個(gè)信標。

　　4接收信號強度指示。用于確定信標的遠近。

　　可以使用電壓和電流波形計算平均消耗電流以確定BLE設計的高效。圖4顯示了無(wú)功率優(yōu)化設計的功耗結果。

　　[圖4 | 無(wú)功率優(yōu)化的BLE設計的電流消耗]

　　平均電流約為5 mA，從啟動(dòng)到待機的總功耗為34.76 mJ。為了做到使用環(huán)境能量運行，我們需要降低消耗電流。

　　通過(guò)優(yōu)化固件實(shí)現低功耗

　　通過(guò)優(yōu)化以下4個(gè)功能以降低BLE設計的平均電流消耗：

　　1.低功率啟動(dòng)

　　2.深度睡眠

　　3.IMO時(shí)鐘設置

　　4.調試選擇

　　當系統處于低功耗模式時(shí)，則需要利用看門(mén)狗定時(shí)器(WDT)來(lái)喚醒系統。

　　低功率啟動(dòng)

　　通電復位(POR)后，BLE系統通過(guò)調用不同組件的啟動(dòng)功能對這些組件進(jìn)行初始化。初始化時(shí)通過(guò)執行以下步驟實(shí)現低功耗運行：

　　1.在32.768-kHz watch晶體振蕩器(WCO)啟動(dòng)時(shí)，關(guān)閉24-MHz外部晶體振蕩器(ECO)以降低功耗。

　　2.500 ms后(WCO啟動(dòng)時(shí)間)，啟用WDT以喚醒系統。

　　3.將MCU配置成在500 ms WCO啟動(dòng)時(shí)間內處于深度睡眠模式。

　　4.WCO啟用后，重啟ECO以啟用BLE子系統(BLESS)接口。

　　5.把WCO置于低功耗模式，并將低頻時(shí)鐘(LFCLK)源從32‐kHz內部低速振蕩器(ILO)改為WCO。

　　6.啟用WDT以喚醒系統。

　　7.將MCU置于深度睡眠模式。

　　[圖5 | 低功耗啟動(dòng)波形]

　　深度睡眠

　　用戶(hù)設計應管理系統時(shí)鐘、系統功率模式和BLESS功率模式，以實(shí)現BLE MCU的低功耗運行。

　　在BLE事件間隔期間，建議通過(guò)執行以下步驟實(shí)現深度睡眠：

　　1.關(guān)閉ECO以降低功耗。

　　2.1.5s后(BLE事件間隔)，啟用WDT以喚醒系統。

　　3.將MCU置于深度睡眠模式。

　　4.1.5s后，重啟ECO以啟用BLE子系統(BLESS)接口。

　　5.發(fā)送BLE廣播數據。

　　6.從步驟1開(kāi)始重復。

　　[圖6 | 深度睡眠波形]

　　IMO時(shí)鐘設置

　　3-MHz到48-MHz內部主振蕩器(IMO)是主要的內部時(shí)鐘源。IMO的默認頻率是48 MHz，可在3 MHz到48 MHz范圍內以1 MHz的步長(cháng)調節。在默認的校準設置下，IMO與本例中RDK的公差為±2%。圖7顯示了改變IMO頻率后的總功耗示例。

　　[圖7 | IMO DC規格和示例總功耗]

　　調試選擇

　　串行線(xiàn)調試(SWD)引腳用于開(kāi)發(fā)階段的運行時(shí)固件調試。將SWD引腳配置為調試模式會(huì )增加電流消耗。因此，這些引腳應在最終版本時(shí)切換到通用輸入輸出(GPIO)模式，讓它們在芯片復位時(shí)仍可用于設備編程。

　　我們可以使用電壓和電流波形計算BLE設計的平均消耗電流，以確認設計上的優(yōu)化程度。圖8顯示了功率優(yōu)化設計的功耗結果。

　　[圖8 | 功率優(yōu)化的BLE設計的電流消耗]

　　平均電流約為1.5 μA，從啟動(dòng)到待機的總功耗為0.106 mJ。

　　采用能量采集技術(shù)運行

　　在這平均電流和總功耗水平上，需要確認系統能夠采用能量采集技術(shù)運行。圖9顯示了能量采集系統的框圖。該系統采用了S6AE10xA Energy Harvesting(EH)PMIC系列，可使用CYALKIT-E04 S6AE102A和S6AE103A EVK 以及CY8CKIT-042-BLE BLE Pioneer Kit運行一整天。

　　[圖9 | 能量采集系統框圖]

　　圖10中的框圖顯示了基于S6AE102A和S6AE103APSoC電路板的PSoC 4 BLE的能量采集過(guò)程。

　　Wave1顯示了基于太陽(yáng)能的BLE運行，Wave2顯示了發(fā)送時(shí)的BLE電流消耗。PMIC首先將太陽(yáng)能存儲到VSTORE1(VST1)上的一個(gè)300-μF陶瓷電容器上， 。當VST1達到VVOUTH時(shí)，能量被發(fā)送到MCU用于BLE運行。

　　[圖10 | 簡(jiǎn)單的能量采集]

　　但是，這種簡(jiǎn)單的能量采集過(guò)程，在沒(méi)有備用電容器的情況下(例如，沒(méi)有光線(xiàn)的期間)不能持續運行一整天。

　　圖11中的框圖和波形顯示了混合儲能控制功能。用于運行系統的能量存儲在VST1中，其余能量用于對VSTORE2(VST2)進(jìn)行充電。當沒(méi)有環(huán)境光線(xiàn)時(shí)，VST2中能持續為系統提供能量。

　　[圖11 | 混合儲能控制功能]

　　圖12中的波形顯示將能量存儲到VSTORE2時(shí)的充電曲線(xiàn)。S6AE10xA將能量存儲到VSTORE1(小電容器)和VSTORE2(大電容器)中。存儲在VSTORE1中的能量用于系統運行，其余能量用于VSTORE2(VST2)的子儲能器件充電。VSTORE2中持續為系統提供能量，因此，即使在沒(méi)有環(huán)境光線(xiàn)的情況下，系統也能繼續運行一段時(shí)間。

　　[圖12 | 存儲多余能量的波形]

　　圖13中的框圖顯示了混合電源輸入控制模式。Wave1顯示的是PMIC如何控制兩個(gè)電源(太陽(yáng)能和電池)。PMIC通過(guò)轉換這兩個(gè)電源在不同場(chǎng)景下驅動(dòng)系統。環(huán)境光線(xiàn)通常是持續的，但某些地方可能沒(méi)有持續的光線(xiàn)。PMIC能夠自動(dòng)轉換這兩個(gè)電源，在沒(méi)有光線(xiàn)的情況下繼續供電。

　　[圖13 | 混合電源輸入控制]

　　S6AE10xA根據VSTORE1的電壓自動(dòng)更換電源。如果VSOTRE1的電壓達到VVOUTL，將從VBAT電源供電，以便在無(wú)環(huán)境光線(xiàn)的情況繼續供電。

　　以下是是如何實(shí)現不同應用的例子。

　　[圖14 | 需要運行一整天的小巧的太陽(yáng)能無(wú)線(xiàn)傳感器]

　　[圖15 | 需要短時(shí)/頻繁操作的小巧的太陽(yáng)能門(mén)傳感器]

　　[圖16 | 太陽(yáng)能無(wú)源紅外傳感器]