通過(guò)能量采集技術(shù)使電子設(shè)備與物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行連接

能源就在身邊，但是將傳感器和執(zhí)行器連接在一起的能力是一個(gè)相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。由于越來(lái)越需要將這些設(shè)備連接到物聯(lián)網(wǎng)(IoT)以允許從智能手機(jī)進(jìn)行控制以及分析云中的數(shù)據(jù)，因此這一挑戰(zhàn)更大。

有許多不同的連接方式這些設(shè)備都會(huì)對(duì)電力預(yù)算和能源收獲方式產(chǎn)生影響。不同的源可以是光，振動(dòng)能，來(lái)自溫差的熱能或甚至來(lái)自傳輸?shù)臒o(wú)線電能。這些都具有不同的功率產(chǎn)生方式的特征，并且這些必須由功率管理子系統(tǒng)考慮。這對(duì)于需要高峰值電流的無(wú)線鏈路尤為重要。這些高電流脈沖對(duì)電池提出了巨大的要求，如果對(duì)無(wú)線廣播反復(fù)進(jìn)行，電池可能會(huì)損壞。在發(fā)射和接收模式期間，無(wú)線傳感器系統(tǒng)中幾十毫安的脈沖是常見(jiàn)的，并且電池單元的內(nèi)部阻抗經(jīng)常導(dǎo)致內(nèi)部電壓降，從而阻止電池以正確的電壓傳遞脈沖電流。

阻止這種情況的一種方法是在電池兩端使用低等效串聯(lián)電阻(ESR)電容，以便電池在放電脈沖之間為電容充電，并且電容器將脈沖電流提供給電容器。加載。這也可以應(yīng)用于能量采集源為電容器充電。

圖1：德州儀器(TI)的eZ430-RF2500-SEH評(píng)估套件將太陽(yáng)能電池板連接到低功率微控制器和2.4 GHz無(wú)線收發(fā)器，將傳感器節(jié)點(diǎn)連接到物聯(lián)網(wǎng)。

太陽(yáng)能可能是來(lái)自環(huán)境的主要電力。太陽(yáng)能電池可以提供高達(dá)3 V的電壓和電流傳感器和無(wú)線鏈路。然而，從細(xì)胞遞送的功率在白天可以顯著變化，并且在夜間也使用人造光。最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)算法可以跟蹤來(lái)自單元的功率轉(zhuǎn)換，以確保該過(guò)程始終處于最有效的狀態(tài)。

圖1中德州儀器的eZ430-RF2500-SEH太陽(yáng)能評(píng)估套件使用2.25英寸x 2.25英寸太陽(yáng)能電池陣列為MSP430微控制器和CC2500 2.4 GHz無(wú)線收發(fā)器供電，以連接傳感器物聯(lián)網(wǎng)。高效太陽(yáng)能電池陣列經(jīng)過(guò)優(yōu)化，可在低強(qiáng)度熒光燈下在室內(nèi)工作，并且無(wú)需額外電池即可提供足夠的電力來(lái)運(yùn)行無(wú)線傳感器應(yīng)用。該系統(tǒng)在一對(duì)容量為100μA的薄膜電池和1000μF電容器中存儲(chǔ)額外的能量，用于無(wú)線傳輸期間的高電流脈沖。它們?yōu)?00多次傳輸提供足夠的功率，并充當(dāng)能量緩沖器，在應(yīng)用程序處于休眠狀態(tài)時(shí)存儲(chǔ)能量，并且可以收獲光。來(lái)自電路板的電源管理狀態(tài)和控制信號(hào)(圖2)被送入MSP430控制器，其中已寫(xiě)入固件，以最大限度地延長(zhǎng)系統(tǒng)的整體壽命。

通過(guò)能量采集技術(shù)使電子設(shè)備與物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行連接圖2：來(lái)自eZ430-RF2500-SEH板的控制和電源管理信號(hào)由MSP430微控制器處理。

CC2500收發(fā)器是將能量收集節(jié)點(diǎn)連接到網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵。這具有-104 dBm的高靈敏度，接收模式下的低電流消耗為13.3 mA，數(shù)據(jù)速率為2400 bit/s。這意味著從節(jié)點(diǎn)到網(wǎng)關(guān)的距離可以通過(guò)降低靈敏度與太陽(yáng)能電池可用的功率進(jìn)行平衡，這將降低電流需求，使其與能量收集源匹配。 eZ430套件允許開(kāi)發(fā)人員測(cè)試不同的調(diào)制方案，如OOK，2-FSK，GFSK和MSK，以獲得最低功耗的最佳連接。

另一種方法是使用最新版本的Bluetooth Smart(版本4.0和4.1)，這增加了低功耗操作，現(xiàn)在允許該技術(shù)與能量收集源一起使用以將節(jié)點(diǎn)連接到物聯(lián)網(wǎng)。新方法的關(guān)鍵要素是快速建立和拆除鏈路，盡可能快速有效地發(fā)送數(shù)據(jù)，以最大限度地減少使用的能源。

Silicon Labs的藍(lán)牙智能開(kāi)發(fā)套件目前使用的BLE112藍(lán)牙模塊基于與太陽(yáng)能收集板相同的CC2500設(shè)備，但藍(lán)牙智能堆棧，腳本和應(yīng)用程序編程接口運(yùn)行內(nèi)部8051微控制器。這為開(kāi)發(fā)人員提供了一種簡(jiǎn)單的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙功能，以連接到附近的智能手機(jī)或其他支持藍(lán)牙的終端。與上面的示例一樣，這也需要一個(gè)緩沖和控制的電源管理子系統(tǒng)，以便在設(shè)置藍(lán)牙鏈路時(shí)提供高峰值電流。

通過(guò)能量采集技術(shù)使電子設(shè)備與物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行連接圖3：藍(lán)牙智能開(kāi)發(fā)板上的接口允許能量收集源和管理器為智能手機(jī)的無(wú)線鏈路供電，作為物聯(lián)網(wǎng)的一部分。

這可以提供高達(dá)1 Mbit/s的數(shù)據(jù)速率，并使用最新的IPv6協(xié)議，以便數(shù)據(jù)包可以輕松轉(zhuǎn)發(fā)到Internet進(jìn)行進(jìn)一步分析。

BLE112智能模塊還可以承載最終用戶(hù)應(yīng)用程序，這意味著無(wú)需外部微控制器來(lái)運(yùn)行傳感器節(jié)點(diǎn)，保持?jǐn)嚯姴⒃试S其通過(guò)小型能量收集源供電可充電電池。在最低功耗睡眠模式下，它僅使用500 nA，并將在幾百微秒內(nèi)喚醒以發(fā)送數(shù)據(jù)。

其他開(kāi)發(fā)人員采取了不同的方法來(lái)降低功耗：產(chǎn)生自己的低功耗使用能量收集連接設(shè)備的協(xié)議。 EnOcean的低功耗技術(shù)基于需要僅100納安或更低的待機(jī)電流的電報(bào)，在其他無(wú)線方法上的改進(jìn)超過(guò)10,000倍。

這是因?yàn)檎J(rèn)識(shí)到很難使用IPv6作為通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)非常低的功率，因?yàn)樗趫?bào)頭中引起40字節(jié)協(xié)議數(shù)據(jù)的顯著開(kāi)銷(xiāo)。此外，在IPv6上運(yùn)行的最簡(jiǎn)單的協(xié)議UDP(用戶(hù)數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議)需要額外的8個(gè)字節(jié)，因此只傳輸一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)需要48個(gè)字節(jié)的頭信息。

相反，EnOcean的協(xié)議基于ISO/IEC 14543-3-1X規(guī)范和IEEE 802.15.4的超低功耗規(guī)范，僅使用7字節(jié)的報(bào)頭信息，大大減少了數(shù)據(jù)量發(fā)送，將鏈路的能效提高到50μW，并開(kāi)放使用各種能量收集技術(shù)。這甚至可以包括燈開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的動(dòng)能，它為無(wú)線鏈路供電以發(fā)送一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。

與節(jié)點(diǎn)的連接只是物聯(lián)網(wǎng)的一部分。為了連接到Internet，EnOcean系統(tǒng)使用專(zhuān)用IP網(wǎng)關(guān)在節(jié)能傳感器協(xié)議和IPv6之間進(jìn)行智能數(shù)據(jù)處理之間的轉(zhuǎn)換(圖4)。網(wǎng)關(guān)監(jiān)視每個(gè)連接的傳感器節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)，并充當(dāng)其在IPv6網(wǎng)絡(luò)中的代表，將每個(gè)物理設(shè)備再現(xiàn)為虛擬設(shè)備。網(wǎng)關(guān)還存儲(chǔ)可以發(fā)送到設(shè)備的所有信息和命令，通常根本不需要聯(lián)系節(jié)點(diǎn)。

通過(guò)能量采集技術(shù)使電子設(shè)備與物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行連接圖4 ：EnOcean的超低功耗協(xié)議依賴(lài)于網(wǎng)關(guān)將無(wú)線傳感器連接到物聯(lián)網(wǎng)。

每當(dāng)溫度傳感器或交換機(jī)等節(jié)點(diǎn)發(fā)送新信息時(shí)，都會(huì)將其存儲(chǔ)在網(wǎng)關(guān)中，以便于檢索而無(wú)需查詢(xún)節(jié)點(diǎn)。發(fā)送到節(jié)點(diǎn)的任何命令，例如更改通信信道，都被收集在一起并一次性發(fā)送，再次最大限度地減少功耗。

結(jié)論

使用無(wú)線連接到傳感器物聯(lián)網(wǎng)為使用能量收集源消除在設(shè)計(jì)中更換電池的需要帶來(lái)了重大挑戰(zhàn)。從開(kāi)關(guān)的動(dòng)能到太陽(yáng)能電池陣列，高峰值電流與各種不同能源相結(jié)合，呈現(xiàn)出巨大的設(shè)計(jì)空間。諸如eZ430 SEH等開(kāi)發(fā)套件可以幫助設(shè)計(jì)人員利用各種協(xié)議和電源管理算法探索太陽(yáng)能發(fā)電空間，而藍(lán)牙套件可以探索與智能手機(jī)的連接以提供數(shù)據(jù)。為了支持更廣泛的能源選擇，EnOcean協(xié)議和基于網(wǎng)關(guān)的架構(gòu)可以幫助設(shè)計(jì)人員將更多的無(wú)線節(jié)點(diǎn)連接到物聯(lián)網(wǎng)。