【導讀】在越來越多的應用中,能量收集為傳感器節(jié)點供電正在成為切實可行的解決方案,本地化處理采集的數(shù)據(jù),然后回傳到一個集中器。那么這個能量收集型傳感器節(jié)點實現(xiàn)方案具體是怎樣的?請看下文。
雖然能量收集并不是一個全新概念,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展,意味著構建一個采用能量收集型應用,例如傳感器節(jié)點,現(xiàn)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,在越來越多的應用中,能量收集為傳感器節(jié)點供電正在成為切實可行的解決方案,本地化處理采集的數(shù)據(jù),然后回傳到一個集中器。
能量收集型系統(tǒng)構成
我們來考慮一個嵌入式能量收集型系統(tǒng),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(jié)點。
從哪里可以獲取傳感器供電所需能量呢?從光、熱、振動還是RF?表1中匯總了可收集潛在能量的常見能量來源。本例中,假設我們正在使用太陽能收集器。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(xù)連續(xù)不斷的收集能量,而應用本身可能僅會在極短的時間內處于活動模式,而在大部分時間中處于休眠模式。)
表1:能量收集源。
除了這些應用組成部分之外,開發(fā)人員還要選擇元器件進行相關設計,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;在工作模式時功耗極低;且能夠在活動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間越長,浪費的能量越多)。
添加RF連接
RF元器件選型時,關鍵因素是要選擇一個合適的通信協(xié)議,協(xié)議要能夠提供足夠帶寬以傳輸所需數(shù)據(jù),同時能耗要盡可能低。ZigBee和藍牙都是低能耗和電池供電型應用的良好選擇,但是更輕量級的無線連接技術或許才是能量收集的最佳選擇。
簡單、專用的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行了本地信號處理,而僅僅需要進行少量數(shù)據(jù)傳輸(在后面的例子中我們將會討論大量數(shù)據(jù)傳輸時的情況),那么RF元器件在大部分時間里將處于待機模式,僅在需要傳輸少量預處理數(shù)據(jù)時才被喚醒。因此,要考慮的兩個重要參數(shù)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,喚醒時間僅需要450?s。這種等級的無線能效使得開發(fā)人員能夠在獲取和管理數(shù)據(jù)的應用中,實現(xiàn) RF元器件的能耗最小化。
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選擇合適的MCU
接下來討論MCU,傳感器節(jié)點將提供本地化數(shù)據(jù)處理,降低整體RF網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸流量。對于這種實現(xiàn)的一個理想候選者是內建ARM Cortex-M4內核的MCU,它擁有大量專用的DSP功能,與沒有DSP能力的MCU相比,能夠在更少的時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(zhí)行相同例程實現(xiàn)512點快速傅里葉變換(FFT)時所消耗的時間(在兩種情況下,CPU時鐘速率是相同的)。如圖所示,Cortex-M4內核的處理時間遠低于Cortex-M3內核的處理時間。因此,當使用基于DSP的Cortex-M4內核時,能效更高。
圖2:在Cortex-M3內核和Cortex-M4內核上實現(xiàn)512點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)、MCU外設之間的交互,使得MCU能夠在更長的時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,最佳化能效可以通過多種方式實現(xiàn)。假設要獲取的是模擬信號,就可以采用模數(shù)轉換器(ADC)或者專用接口實現(xiàn)信號采集。
我們先從ADC開始,有幾種方法可用于數(shù)據(jù)采集。圖3中圖形化顯示了這些過程。首先最常用的做法是,利用計時器觸發(fā)ADC采樣,并將所獲取的采樣數(shù)據(jù)傳輸?shù)紻MA,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性,但沒有使用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)時讓MCU進入能耗模式2(EM2),一直到被中斷喚醒為止(中斷可來自多種觸發(fā)源,包括EM2下的可用定時器)。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,超低能耗模式帶來的時間成本,EM2切換回全速運行狀態(tài)所帶來的能耗,兩者間達到了很好的平衡。這種情況下,同樣實現(xiàn)1Ksps采樣速率時,能耗降低到60?A,與第一種方法相比能耗有了顯著下降。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的。然而,根據(jù)應用對特殊情況的要求,還可以利用其他方法進一步降低能耗。
第三種方法(可視此方法為一個“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行響應,類似于中斷觸發(fā)。然而,在這種情景下,不再是從主循環(huán)中進入中斷,而是MCU直接從EM2中喚醒并開始執(zhí)行下一條指令,消除了中斷延遲時間。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,能耗不到20?A。
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為了判斷采用哪種方法更適合你的應用,做一個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能耗和采樣率的對比情況。圖中的交叉點表明,為了實現(xiàn)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進行信號采集之外,特別選擇的MCU還可以使用額外的專用外設。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進行處理時才喚醒MCU。圖5說明了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標準方法是輪詢輸入,并且不斷的檢查是否通過了預設的門限值。但是,這種方法效率極低。采用類似LESENSE的自治傳感器接口,MCU能夠保持在低能耗模式(例如ADC技術示例中用到的EM2),僅僅當跨越門限值時才喚醒MCU。或者,更有用的是能夠記錄跨越門限值的次數(shù),例如5次之后才喚醒MCU。這種方法是一種更加節(jié)能的解決方案。例如,MCU被LESENSE外設喚醒時,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顯著差異。
圖6顯示了一個采用能量存儲器為MCU提供電源時的電量測量情況。在兩種應用示例中,都是以5Hz的頻率通過LESENSE外設采集信號。在第一個例子中,每次信號采集后都會喚醒MCU,可以看出,能量存儲器的能量在很短暫的時間內就被耗盡了,然后MCU進入到復位狀態(tài)。在第二個例子中,LESENSE外設配置成為每五次信號采集后才喚醒MCU。在這兩個示例中,采集和傳輸?shù)組CU的數(shù)據(jù)量都是相同的,但第二個例子中的MCU并沒有進入復位狀態(tài),應用依舊維持正常運行狀態(tài)。因此,通過智能的使用MCU資源,可以獲得更加節(jié)能的解決方案。
圖6:使用LESENSE實現(xiàn)節(jié)能。
雖然我們從現(xiàn)有的能量源中為嵌入式應用收集到的能量沒有顯著的增加,但近些年來,關鍵系統(tǒng)元器件(例如MCU和RF IC)對能量的需求已經(jīng)顯著下降。IC元器件正在向著更加節(jié)能的方向發(fā)展,這使得可以在更多的智能和實用嵌入式系統(tǒng)中采用能量收集供電。隨著物聯(lián)網(wǎng)市場的快速成長,設計出能夠自我維持運行的傳感器節(jié)點已成為必然。雖然當今市場上的RF和MCU解決方案有無限選擇,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、而時間又是個很重要因素時,很明顯沒有哪一種元器件能夠滿足所有需求。然而,在建立節(jié)能型系統(tǒng)方面,某些元器件的確比其他元器件更具有顯著優(yōu)勢。