如何開(kāi)發(fā)微型太陽(yáng)能無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)

文/EIJI FUKAWA，賽普拉斯半導(dǎo)體

無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)可通過(guò)縮減傳感器尺寸、簡(jiǎn)化維護(hù)問(wèn)題和延長(zhǎng)電池續(xù)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(shè)計(jì)上，將能實(shí)現(xiàn)更大的成本效益。

設(shè)計(jì)無(wú)電池設(shè)備的最好方法是通過(guò)用于通信和能量采集的低功耗藍(lán)牙（BLE）等技術(shù)來(lái)降低無(wú)線傳感器系統(tǒng)的平均功耗。

圖1為微型無(wú)線傳感器的架構(gòu)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(yùn)行。

［圖1 | 微型無(wú)線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(yùn)行。圖中為完整的無(wú)線傳感器 -- CYALKIT-E02太陽(yáng)能供電BLE傳感器參考設(shè)計(jì)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(yùn)行，傳感器必須優(yōu)化其BLE系統(tǒng)以降低功耗。首先，設(shè)計(jì)人員必須了解BLE子系統(tǒng)的詳情。接下來(lái)，需要編寫(xiě)固件代碼以滿(mǎn)足每種運(yùn)行/功率模式的要求。然后，設(shè)計(jì)人員必須分析實(shí)際功耗以確認(rèn)各種假設(shè)來(lái)進(jìn)一步提升系統(tǒng)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)要首先把BLE射頻配置為處于不可連接廣播模式的信標(biāo)。BLE信標(biāo)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(shù)據(jù)包（30字節(jié)），而這些數(shù)據(jù)包構(gòu)成一個(gè)廣播數(shù)據(jù)包發(fā)送出去。想信標(biāo)被發(fā)現(xiàn)可在各類(lèi)智能手機(jī)或計(jì)算機(jī)應(yīng)用中推送消息、app操作及提示。

圖2顯示了廣播通道數(shù)據(jù)包格式的BLE鏈路層格式。BLE鏈路層擁有“Preamble”（前導(dǎo)碼）、“Access Address”（接入地址）、“Protocol Data Unit（PDU）”（協(xié)議數(shù)據(jù)單元）和“Cyclic Redundancy Code（CRC）”（循環(huán)冗余碼）。請(qǐng)注意，以下信息僅適用于廣播通道數(shù)據(jù)包格式，不含“數(shù)據(jù)通道數(shù)據(jù)包”。

“Preamble”必須設(shè)置為“10101010b”

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

“PDU”包含“報(bào)頭”和“凈載荷”

BLE信標(biāo)的數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)屬于“凈載荷”中的“廣播數(shù)據(jù)”。

［圖2 | 廣播通道數(shù)據(jù)包格式的BLE鏈路層格式］

［圖3 | BLE信標(biāo)數(shù)據(jù)包格式］

表1列出了設(shè)置值。

可以使用電壓和電流波形計(jì)算平均消耗電流以確定BLE設(shè)計(jì)的高效。圖4顯示了無(wú)功率優(yōu)化設(shè)計(jì)的功耗結(jié)果。

［圖4 | 無(wú)功率優(yōu)化的BLE設(shè)計(jì)的電流消耗］

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

通過(guò)優(yōu)化固件實(shí)現(xiàn)低功耗

通過(guò)優(yōu)化以下4個(gè)功能以降低BLE設(shè)計(jì)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(shè)置

4. 調(diào)試選擇

當(dāng)系統(tǒng)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(tǒng)。

低功率啟動(dòng)

通電復(fù)位（POR）后，BLE系統(tǒng)通過(guò)調(diào)用不同組件的啟動(dòng)功能對(duì)這些組件進(jìn)行初始化。初始化時(shí)通過(guò)執(zhí)行以下步驟實(shí)現(xiàn)低功耗運(yùn)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(tǒng)。

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

4. WCO啟用后，重啟ECO以啟用BLE子系統(tǒng)（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(nèi)部低速振蕩器（ILO）改為WCO。

6. 啟用WDT以喚醒系統(tǒng)。

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(shè)計(jì)應(yīng)管理系統(tǒng)時(shí)鐘、系統(tǒng)功率模式和BLESS功率模式，以實(shí)現(xiàn)BLE MCU的低功耗運(yùn)行。

在BLE事件間隔期間，建議通過(guò)執(zhí)行以下步驟實(shí)現(xiàn)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(tǒng)。

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(tǒng)（BLESS）接口。

5. 發(fā)送BLE廣播數(shù)據(jù)。

6. 從步驟1開(kāi)始重復(fù)。

［圖6 | 深度睡眠波形］

IMO時(shí)鐘設(shè)置

3-MHz到48-MHz內(nèi)部主振蕩器（IMO）是主要的內(nèi)部時(shí)鐘源。IMO的默認(rèn)頻率是48 MHz，可在3 MHz到48 MHz范圍內(nèi)以1 MHz的步長(zhǎng)調(diào)節(jié)。在默認(rèn)的校準(zhǔn)設(shè)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(guī)格和示例總功耗］

調(diào)試選擇

串行線調(diào)試（SWD）引腳用于開(kāi)發(fā)階段的運(yùn)行時(shí)固件調(diào)試。將SWD引腳配置為調(diào)試模式會(huì)增加電流消耗。因此，這些引腳應(yīng)在最終版本時(shí)切換到通用輸入輸出（GPIO）模式，讓它們?cè)?a href="http://srfitnesspt.com/v/tag/137/" target="_blank">芯片復(fù)位時(shí)仍可用于設(shè)備編程。

我們可以使用電壓和電流波形計(jì)算BLE設(shè)計(jì)的平均消耗電流，以確認(rèn)設(shè)計(jì)上的優(yōu)化程度。圖8顯示了功率優(yōu)化設(shè)計(jì)的功耗結(jié)果。

［圖8 | 功率優(yōu)化的BLE設(shè)計(jì)的電流消耗］

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

采用能量采集技術(shù)運(yùn)行

在這平均電流和總功耗水平上，需要確認(rèn)系統(tǒng)能夠采用能量采集技術(shù)運(yùn)行。圖9顯示了能量采集系統(tǒng)的框圖。該系統(tǒng)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(yùn)行一整天。

［圖9 | 能量采集系統(tǒng)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(yùn)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(chǔ)到VSTORE1（VST1）上的一個(gè)300-μF陶瓷電容器上， 。當(dāng)VST1達(dá)到VVOUTH時(shí)，能量被發(fā)送到MCU用于BLE運(yùn)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)有光線的期間）不能持續(xù)運(yùn)行一整天。

圖11中的框圖和波形顯示了混合儲(chǔ)能控制功能。用于運(yùn)行系統(tǒng)的能量存儲(chǔ)在VST1中，其余能量用于對(duì)VSTORE2（VST2）進(jìn)行充電。當(dāng)沒(méi)有環(huán)境光線時(shí)，VST2中能持續(xù)為系統(tǒng)提供能量。

［圖11 | 混合儲(chǔ)能控制功能］

圖12中的波形顯示將能量存儲(chǔ)到VSTORE2時(shí)的充電曲線。S6AE10xA將能量存儲(chǔ)到VSTORE1（小電容器）和VSTORE2（大電容器）中。存儲(chǔ)在VSTORE1中的能量用于系統(tǒng)運(yùn)行，其余能量用于VSTORE2（VST2）的子儲(chǔ)能器件充電。VSTORE2中持續(xù)為系統(tǒng)提供能量，因此，即使在沒(méi)有環(huán)境光線的情況下，系統(tǒng)也能繼續(xù)運(yùn)行一段時(shí)間。

［圖12 | 存儲(chǔ)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(zhuǎn)換這兩個(gè)電源在不同場(chǎng)景下驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。環(huán)境光線通常是持續(xù)的，但某些地方可能沒(méi)有持續(xù)的光線。PMIC能夠自動(dòng)轉(zhuǎn)換這兩個(gè)電源，在沒(méi)有光線的情況下繼續(xù)供電。

［圖13 | 混合電源輸入控制］

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

以下是是如何實(shí)現(xiàn)不同應(yīng)用的例子。

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

［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］