物聯(lián)網(wǎng)傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的低功耗解決方案

據(jù)估計，物聯(lián)網(wǎng)每年會產(chǎn)生100多個zettabytes(萬億千兆字節(jié))的數(shù)據(jù)，而這個數(shù)字只會增加。到2020年，平均家庭對這一數(shù)字的貢獻(xiàn)數(shù)據(jù)預(yù)計將增加五倍。創(chuàng)建數(shù)據(jù)不需要太多的計算能力，因為可以使用最簡單的傳感器集線器捕獲，數(shù)字化和存儲數(shù)據(jù)。能夠檢測九軸運(yùn)動的MEMS傳感器采用封裝，每側(cè)僅測量1或2毫米。這些微型設(shè)備和越來越多的傳感器構(gòu)成了當(dāng)今物聯(lián)網(wǎng)的核心，使端點(diǎn)能夠?qū)崟r在線捕獲，處理和共享數(shù)據(jù)。

由于預(yù)計更多端點(diǎn)可以在有限的電源下運(yùn)行，從他們的環(huán)境中收獲的能量，對超低功率運(yùn)行的需求正在增加。端點(diǎn)可以是更大傳感器網(wǎng)絡(luò)的一部分，但也可能是遠(yuǎn)程和隔離的。一旦投入使用，它們可能會運(yùn)行多年而無需維護(hù)，包括更換電池。

制造商正忙于開發(fā)新的解決方案來應(yīng)對這一設(shè)計挑戰(zhàn)，使我們能夠設(shè)想可以收集和傳輸信息的設(shè)備需要任何外部電源。在可穿戴設(shè)備的情況下，這可能很快就會包括僅由佩戴者的身體或其活動提供動力的設(shè)備。

Energize!

為了說明如何實現(xiàn)這一點(diǎn)，請考慮塊如圖1所示。在大多數(shù)應(yīng)用中，功率部分可以是各種電源管理器件中的任何一種，但對于超低功耗應(yīng)用，選擇僅限于專門開發(fā)的解決方案，以最大限度地提高有限的可用功率，如收獲能源。

圖1：越來越多的集成解決方案現(xiàn)在主要針對主要來自收獲能源的應(yīng)用。

圖2中的框圖顯示了使用ADI公司ADP5090電源管理單元的典型能量收集示例。

圖2：框圖基于ADI公司的ADP5090的能量收集應(yīng)用。

這是一款集超大功率的超低功耗升壓穩(wěn)壓器點(diǎn)跟蹤(MPPT)和費(fèi)用管理功能。 MPPT可配置為光電和熱電能源，工作范圍為16 W至200 mW。該器件可以從低至380 mV的電源電壓開始，僅從80 mV開始工作。它還支持使用可選的原電池，可以自動切換和切換。這款16引腳器件尺寸僅為3 mm×3 mm，體積小巧，功能強(qiáng)大，是許多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的理想選擇。該器件由評估和演示套件ADP5090-2-EVALZ(圖3)提供支持，為開發(fā)能量收集應(yīng)用提供了完美的平臺。

圖3：ADP5090-2-EVALZ為評估ADP5090超低功耗升壓穩(wěn)壓器提供了完美的平臺，該穩(wěn)壓器具有MPPT和ADI公司的充電管理功能。

表格中提供了另一種解決方案凌力爾特公司的LTC3588-1。與其他針對能量收集的PMIC一樣，它具有超低靜態(tài)電流。由于LTC3588設(shè)計用于帶有交流電的能源，如壓電發(fā)電機(jī)，因此LTC3588集成了低損耗全波橋式整流器和降壓穩(wěn)壓器(見圖4)。

圖4：凌力爾特公司的LTC3588-1納米級能量收集電源的框圖。

連接到Vin引腳的外部電容作為儲能器，輸出電容器構(gòu)成調(diào)節(jié)輸出的一部分。該器件為降壓轉(zhuǎn)換器生成內(nèi)部驅(qū)動軌，從而使輸入電容中的電荷能夠傳輸?shù)捷敵鲭娙?。該器件通過開啟和關(guān)閉降壓轉(zhuǎn)換器來工作。當(dāng)輸入電壓足夠高時，降壓轉(zhuǎn)換器啟動。當(dāng)它低于壓差電壓時，降壓轉(zhuǎn)換器被禁用，輸出由輸出電容保持。該滯后循環(huán)在正常操作期間重復(fù)，由外部電感器限定。可以使用D0和D1輸入設(shè)置輸出電壓至1.8 V，2.5 V，3.3 V或3.6 V.可以使用演示電路DC1459B-A-ND評估LTC3588-1的所有功能。

如果應(yīng)用是從太陽能電池運(yùn)行的無線傳感器，那么賽普拉斯半導(dǎo)體的S6AE101A可能是完美的解決方案。這種能量收集PMIC可與線性光源(如太陽能電池)配合使用，并且由于其低啟動功率僅需1.2μW，因此能夠在低至100 lux的光照條件下工作。還可以包括可選的主電池，以確保在無光條件下操作。圖5顯示了S6AE101A的框圖，顯示了主要特性，包括功率門控。

圖5：S6AE101A能量收集PMIC的框圖用于無線傳感器節(jié)點(diǎn)，來自賽普拉斯半導(dǎo)體公司。

該器件通過將存儲的電壓與閾值進(jìn)行比較來運(yùn)行。只要存儲的電壓超過閾值，輸出電壓就會自動啟用。一旦存儲的電壓降至閾值以下，就禁用輸出電壓。有效時間由總系統(tǒng)功耗決定，因此根據(jù)應(yīng)用，電壓源和儲能電容器的大小而變化。還必須權(quán)衡發(fā)電機(jī)輸送能量的能力，以及充電存儲電容所需的時間?？梢允褂瞄_發(fā)套件S6SAE101A00SA1002評估S6AE101A的所有功能。

連接

在我們的示例應(yīng)用中，主要功能元件之一是RF收發(fā)器。由于對超低功耗無線網(wǎng)絡(luò)的需求增加，針對該應(yīng)用領(lǐng)域的高度集成解決方案的數(shù)量不斷增加。最新增加的是Maxim Integrated的MAX7037，它是一款4頻段sub-GHz RF收發(fā)器，集成了8051微控制器和混合信號傳感器接口(圖6)。

圖6：Maxim Integrated的MAX7037是一款超低功耗四通道多通道收發(fā)器，適用于超低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

在一個控制下作為主處理器，MAX7037在發(fā)送模式下功耗僅為16 mA，在接收時功耗僅為22 mA，在深度睡眠模式下僅降至100 nA。設(shè)計用于全球ISM sub-GHz頻段，可配置為使用FFSK，F(xiàn)MSK或ASM調(diào)制在315,433,868或915-930 MHz下工作。

混合信號傳感器接口通過集成的9位sigma delta ADC支持模擬傳感器。主機(jī)CPU通過UART控制MAX7037，但默認(rèn)情況下它作為SPI從機(jī)運(yùn)行。在此模式下，其64 KB的片上閃存可以保存主機(jī)CPU編程的固件。 TEST0引腳控制器件是在編程模式還是運(yùn)行模式下啟動。要評估MAX7030的功能，請查看MAX7037EVKIT。

另一種不需要主機(jī)CPU的替代且稍微集成的解決方案可能是德州儀器的CC1310，是SimpleLink的一部分家庭。如圖7所示，這款超低功耗sub-GHz無線MCU集成了ARM®Cortex®-M3內(nèi)核和超低功耗傳感器控制器，可自主運(yùn)行以節(jié)省系統(tǒng)功耗，以及完全集成的RF收發(fā)器能夠在315,433,470,500,779,868和915 - 920 MHz下工作。

圖7：德州儀器的CC1310是SimpleLink系列高度集成的無線MCU

添加傳感器

這種物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的核心是用于捕獲數(shù)據(jù)的傳感器。雖然存在多種形式的傳感器，但MEMS技術(shù)已經(jīng)徹底改變了傳感器領(lǐng)域。

用于運(yùn)動或醫(yī)療目的的可穿戴技術(shù)中的常見用例包括心率監(jiān)測和脈搏血氧測定。這些功能通常使用LED和光電二極管來實現(xiàn)。歐司朗光電半導(dǎo)體的SFH7050 BioMon傳感器就是一個很好的例子。它集成了三個發(fā)射器(綠色，紅色和紅外)和一個探測器，單個封裝尺寸僅為4.7 mm×2.5 mm×0.9 mm。

可穿戴設(shè)備中常用的其他形式的感應(yīng)包括運(yùn)動感應(yīng)，以及在這里，MEMS傳感器在功能，尺寸和功率方面表現(xiàn)出色。許多制造商現(xiàn)在將幾種類型的傳感器集成到一個設(shè)備中，這使得更容易將功能添加到可以不顯眼地佩戴或攜帶的小型產(chǎn)品中。

例如，TDK InvenSense的ICM-20789是帶有集成壓力傳感器的6軸MEMS運(yùn)動傳感器。它具有3軸陀螺儀和3軸加速度計，并輔以壓力傳感器，可用于跟蹤高度變化。運(yùn)動和壓力傳感器由其自身的溫度傳感器支持，以進(jìn)行校準(zhǔn)。然而，溫度測量也可以由主機(jī)應(yīng)用程序使用。

MEMS傳感器由數(shù)字運(yùn)動處理器(DMP)連接，采用CMOS實現(xiàn)，晶圓級封裝測量傳感器僅4毫米×4毫米×1.365毫米。雖然主機(jī)系統(tǒng)的主要接口是I 2 C，但是使用API在DMP上運(yùn)行的驅(qū)動程序訪問和控制設(shè)備的功能。這樣可以配置傳感器參數(shù)和輸出數(shù)據(jù)速率，以及模式(低功耗或低噪聲)和I 2 C/SPI接口。

所有可以使用DK-20789 SmartMotion平臺評估這些功能，該平臺提供基于GUI的開發(fā)環(huán)境來控制和配置設(shè)備，以及捕獲和可視化它產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。

全部使用

上述組件的組合可用于我們的假設(shè)應(yīng)用程序。表1顯示了每個器件的相關(guān)電氣特性。

應(yīng)該注意的是，本文中介紹的每個器件的功率要求在運(yùn)行期間會有很大差異，具體取決于模式，啟動時的浪涌 - 向上和環(huán)境條件。表1中提供的數(shù)字僅供參考，并不是確定的。

V(見注1)I(見注1)能量(見注2)ADP5090 3 V 100 mA 30mJ LTC3588-1 3.3 V 950 nA 31.35μJS6AEAE101A3.3 V 250nA8.25μJMAX70373.3 V 26mA858μJCC13103.6 V 30 mA 1.08mJ SFH7050 1.8 V 125 mA 2.25mJ ICM-20789 1.8 V 3mA54μJ

注：

根據(jù)制造商的數(shù)據(jù)表數(shù)據(jù)估算 - 這些數(shù)字與負(fù)載有關(guān)，僅供參考。

使用公式1計算，基于10 ms的周期性接通時間

等式1：

公式2：

表1：本文所述設(shè)備的能源需求說明。

表1中所示的能量數(shù)據(jù)是使用應(yīng)用說明AN210772：“用S6AE101A，S6AE102A和S6AE103A進(jìn)行能量收集的能量計算”中詳述的等式計算的。它由賽普拉斯半導(dǎo)體公司生產(chǎn)，用于支持其S6AE101A/2A/3A系列能量收集PMIC，以更好地估算給定應(yīng)用的能量需求。

雖然它們是非常粗略的估計，但通過使用這些數(shù)字作為起點(diǎn)我們可以開始為我們的應(yīng)用建立能源預(yù)算。通過假設(shè)10 ms的周期性接通時間，選擇表1中突出顯示的組件表明我們假設(shè)的IoT設(shè)備將消耗大約3.4 mJ。如果我們將這個數(shù)字放入公式2，我們可以估計我們的應(yīng)用需要一個至少1000μF的充電電容。

當(dāng)然，這可以根據(jù)應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化，但它可以在至少表明，使用目前可用的解決方案，理論上可以開發(fā)出一種由收集能量驅(qū)動的高功能可穿戴設(shè)備。

結(jié)論

粗略研究可用于開發(fā)超低功耗的解決方案從收獲的能量運(yùn)行的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)表明開發(fā)這些應(yīng)用是完全可行的。隨著物聯(lián)網(wǎng)的不斷擴(kuò)展，半導(dǎo)體制造商將抓住機(jī)會滿足對功耗更低的設(shè)備的需求，這是可靠的。

使用當(dāng)今的技術(shù)，可以創(chuàng)造一個功能強(qiáng)大的自我 - 使用遠(yuǎn)程，低功率無線連接的有限能量預(yù)算的有源物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，前提是它只需要不經(jīng)常傳輸數(shù)據(jù)并且可以獲得足夠的“自由”能量。