無(wú)電池式低功耗藍(lán)牙Beacon：采用能量采集技術(shù)的BLE

低功耗藍(lán)牙(BLE)被廣泛運(yùn)用于那些需要采集數(shù)據(jù)并將它們傳送至指定目的地的低功耗無(wú)線通信應(yīng)用。在這些應(yīng)用中，各類(lèi)傳感器需要由某種形式的能源供電，以采集數(shù)據(jù)，并通過(guò)BLE發(fā)送。使用有線電源為這些傳感器供電一般不具可行性，例如有時(shí)候有些傳感器是位于人體上的。電池供電型傳感器受電池壽命的限制，需要頻繁充電。如果某位工程師真正需要設(shè)計(jì)一款安裝后就無(wú)需打理的BLE傳感器應(yīng)用，該系統(tǒng)就需要利用光、運(yùn)動(dòng)、壓力或熱量等周?chē)h(huán)境中未被利用的能量。

這就是能量采集技術(shù)的用武之地。能量采集是一種從外部能源采集能量并用它為嵌入式設(shè)備供電的新方法。但是，在能夠可靠地運(yùn)用基于能量采集技術(shù)的BLE傳感器節(jié)點(diǎn)之前，我們需要克服一些挑戰(zhàn)，尤其是在低功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)中。本文將闡述其中的某些挑戰(zhàn)以及應(yīng)對(duì)方法。

正文:

智能手機(jī)等設(shè)備給我們的日常生活帶來(lái)了許多重要改變。我們通過(guò)手機(jī)來(lái)獲取能夠直接實(shí)時(shí)地影響我們的生活、與我們的健康、環(huán)境甚至購(gòu)物方式相關(guān)的信息。然而，大多數(shù)信息必需被“拉”出來(lái)，即通過(guò)一條與另一個(gè)設(shè)備的連接獲取它們，或者通過(guò)搜索網(wǎng)絡(luò)獲取它們。這些方法要求用戶(hù)在需要數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)起一個(gè)操作。但是用戶(hù)有時(shí)甚至不知道要找什么或到何處去找，比如說(shuō)當(dāng)他們尋找店內(nèi)某款產(chǎn)品的售價(jià)時(shí)。

解決辦法就是擁有一個(gè)能夠向用戶(hù)實(shí)時(shí)“推送”消息的系統(tǒng)。由于智能手機(jī)是向用戶(hù)推送信息的最佳途徑，該系統(tǒng)應(yīng)能便捷有效地向其發(fā)送信息。這就是Beacon的用武之地。

在無(wú)線技術(shù)中， Beacon是一個(gè)廣播消息的系統(tǒng)，目的是讓附近的設(shè)備接收到這些消息。Beacon能夠輕而易舉地向用戶(hù)設(shè)備傳送數(shù)據(jù)，而且無(wú)需用戶(hù)操作。智能手機(jī)等現(xiàn)有設(shè)備支持可用于實(shí)現(xiàn)Beacon功能的各種方法。為了確保Beacon得到廣泛運(yùn)用，其中包括得到主流設(shè)備的支持、互操作性、較低的安裝成本和低功耗運(yùn)行，BLE 將成為Beacon通信的不二選擇。

低功耗藍(lán)牙(BLE)被廣泛運(yùn)用于那些需要在較小范圍傳送數(shù)據(jù)的低功耗無(wú)線通信應(yīng)用。無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)(WSN)就是一個(gè)例子。數(shù)據(jù)被從傳感器讀出，通常被發(fā)送到一部智能手機(jī)。這些傳感器節(jié)點(diǎn)中的典型應(yīng)用流程如下圖所示：

這些Beacon/傳感器需要由某種能源供電，以保證能夠連續(xù)運(yùn)行和維持整體設(shè)備的尺寸。使用無(wú)線電源為這些傳感器供電一般不具可行性，因?yàn)檫@些傳感器要么是位于人體上，要么位于遠(yuǎn)端，因此使用線纜供電的設(shè)計(jì)行不通。電池供電型傳感器存在電池壽命有限、需要頻繁充電、處理時(shí)破壞環(huán)境等問(wèn)題。

如果我們真的想要無(wú)需任何維護(hù)的Beacon，我們就需要利用光、運(yùn)動(dòng)、壓力或熱量等周?chē)h(huán)境中未被利用的能量。這能夠?qū)崿F(xiàn)“安裝后即無(wú)需打理”，使Beacon在其整個(gè)生命周期內(nèi)都能得到供電。

這就是能量采集技術(shù)的用武之地。能量采集是指從周?chē)h(huán)境采集未被利用的能量并進(jìn)行存儲(chǔ)。所存儲(chǔ)的能量用于為WSN設(shè)備供電，采集傳感器數(shù)據(jù)，并通過(guò)BLE傳輸數(shù)據(jù)。

能量采集系統(tǒng)(EHS)是一個(gè)電路，其中包括一個(gè)能量采集器件(EHD)，一個(gè)能量采集PMIC和一個(gè)儲(chǔ)能器件。 EH PMIC使用EHD(如太陽(yáng)能電池、振動(dòng)傳感器和壓電器件)提供的能量對(duì)儲(chǔ)能器件(通常是一個(gè)電容器)進(jìn)行“涓流”充電。EHS然后使用所存儲(chǔ)的電荷向另一個(gè)嵌入式設(shè)備提供能量。EHS的輸出功率隨WSN的狀態(tài)變化而改變。當(dāng)WSN處于活動(dòng)狀態(tài)時(shí)，能量被消耗，EHS的輸出電壓開(kāi)始下降。當(dāng)其處于低功耗狀態(tài)時(shí)，由于儲(chǔ)能器件得到充電，EHS的輸出電壓開(kāi)始升高。下圖顯示了EHS的輸出電壓隨嵌入式設(shè)備的狀態(tài)變化而改變的過(guò)程。

對(duì)于EHS供電型設(shè)備，活動(dòng)狀態(tài)下所消耗的能量不應(yīng)超過(guò)EHS中的可用能量。圖4顯示了一個(gè)EHS供電型系統(tǒng)，其活動(dòng)狀態(tài)下的能耗超過(guò)了EHS所能提供的能量。EHS的輸出電壓逐漸下降，直到完全停止輸出。

這意味著嵌入式系統(tǒng)的方方面面都應(yīng)得到能量?jī)?yōu)化，這樣它才能在EHS的供電下無(wú)縫運(yùn)行。此類(lèi)系統(tǒng)中有很多子系統(tǒng)，而它們可能非常耗電，需要得到優(yōu)化才能確保它們不會(huì)拉低EH的輸出電壓。功耗優(yōu)化的關(guān)鍵領(lǐng)域包括：

1) CPU的時(shí)鐘頻率：

系統(tǒng)時(shí)鐘頻率決定了例行程序的處理速度以及期間所消耗的能量。時(shí)鐘越快意味著處理速度越快，但電流消耗也越高。此外，每個(gè)設(shè)備都有最低和最高時(shí)鐘頻率要求，不能超出該要求。

對(duì)于基于EHS的設(shè)計(jì)，可以根據(jù)以下兩個(gè)因素選擇一個(gè)優(yōu)化型時(shí)鐘頻率：

a) 平均電流消耗

b) 峰值電流消耗

EHS的容量必需兼顧這兩個(gè)因素。平均電流是活動(dòng)狀態(tài)下所需的時(shí)間平均電流，而峰值電流是活動(dòng)狀態(tài)下的瞬時(shí)最大電流要求，通常高于平均電流。有可能發(fā)生以下情況：所需的平均電流在EHS的容量之內(nèi)，但峰值電流將導(dǎo)致EHS突然耗盡能量，從而導(dǎo)致電壓降至截止電壓以下。請(qǐng)注意，處理時(shí)間是平均電流消耗計(jì)算的一部分。

下圖顯示了某個(gè)例行程序在兩個(gè)不同頻率下(第一個(gè)是48 MHz，第二個(gè)是12 MH)的功耗-時(shí)間圖。

在本例中，48 MHz頻率下處理的例行程序使用了約300μs的時(shí)間完成，并在此期間消耗了約10 mA的電流。12 MHz頻率下處理的例行程序使用了1.1 ms的時(shí)間完成，并在此期間僅消耗了4mA的電流。此過(guò)程在12 MHz下的平均電流消耗更高，但峰值電流要求卻更低。取決于EHS的容量，我們可以采用一個(gè)較短的48 MHz時(shí)鐘設(shè)置，或一個(gè)較長(zhǎng)的12 MHz時(shí)鐘設(shè)置，或結(jié)合采用兩者，讓時(shí)鐘頻率在不同的過(guò)程之間來(lái)回切換。在選擇優(yōu)化型系統(tǒng)頻率時(shí)，我們應(yīng)該考慮這種電流分配。

2) 低功耗設(shè)備啟動(dòng)

嵌入式設(shè)備獲得供電后，它將完成一個(gè)啟動(dòng)程序，然后才能執(zhí)行應(yīng)用代碼。一個(gè)典型的啟動(dòng)程序包括：

a) 初始化內(nèi)存

b) 設(shè)置中斷向量

c) 配置外設(shè)和通用寄存器

d) 初始化外部時(shí)鐘(如果有的話(huà))。

這四個(gè)步驟的每一步都需占用CPU處理時(shí)間才能完成，因此也要消耗能量。所消耗的能量取決于所使用的設(shè)備、系統(tǒng)時(shí)鐘頻率、所初始化的內(nèi)存/寄存器的容量以及設(shè)置外部時(shí)鐘所需的時(shí)間。因此，啟動(dòng)過(guò)程將消耗大量電能，必需得到優(yōu)化才能確保不消耗過(guò)多的EH輸出。編寫(xiě)啟動(dòng)代碼時(shí)應(yīng)考慮以下因素：

a) 只初始化那些將被使用的內(nèi)存和寄存器部分，其它部分維持默認(rèn)值。

b) 大多數(shù)無(wú)線系統(tǒng)需要高精度外部時(shí)鐘。這些外部時(shí)鐘(如外部時(shí)鐘振蕩器和手表晶體振蕩器)在啟動(dòng)后有一個(gè)較長(zhǎng)的穩(wěn)定時(shí)間。我們不應(yīng)讓系統(tǒng)在活動(dòng)狀態(tài)下等待時(shí)鐘穩(wěn)定下來(lái)，而應(yīng)將其置于低功耗狀態(tài)(睡眠/深度睡眠狀態(tài))，只有在準(zhǔn)備使用它時(shí)再喚醒它。我們可以使用一個(gè)內(nèi)部定時(shí)器來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的。

3) 低功耗系統(tǒng)啟動(dòng)

一旦設(shè)備開(kāi)始執(zhí)行應(yīng)用代碼，通常需要啟動(dòng)系統(tǒng)中的各個(gè)外設(shè)。這些外設(shè)可能位于設(shè)備之中，如ADC，也可能位于設(shè)備之外，如某個(gè)傳感器。單個(gè)外設(shè)的啟動(dòng)時(shí)間可能不長(zhǎng)，但所有外設(shè)的總處理時(shí)間可能長(zhǎng)到足以耗盡EHS中存儲(chǔ)的能量。

我們應(yīng)該計(jì)算指定CPU頻率下的外設(shè)啟動(dòng)時(shí)間，然后確定整體啟動(dòng)所有外設(shè)所需的能量預(yù)算是否可行(較快)，或是否需要將啟動(dòng)程序分為多個(gè)階段(較慢)。

4) 分階段應(yīng)用處理

設(shè)備將有不同的應(yīng)用例行程序，它們需要自己的CPU帶寬。這些例行程序可能是為了配置某個(gè)外設(shè)，從傳感器接收數(shù)據(jù)，執(zhí)行計(jì)算，管理事件或中斷。我們應(yīng)該確保處理所用能量不超過(guò)EHS的容量。如果超過(guò)了，應(yīng)將它們分為較小的子例行程序，并分階段管理它們。這可以將EHS上的負(fù)荷分成多個(gè)可管理的電流脈沖，從而讓EHS能夠在活動(dòng)的CPU進(jìn)程之間進(jìn)行充電。

此外，在各個(gè)階段之間，應(yīng)將系統(tǒng)置于低功耗模式，并將一個(gè)計(jì)數(shù)器或Watchdog計(jì)時(shí)器用作喚醒源，作為中斷。由于系統(tǒng)必需在該模式下保持較長(zhǎng)時(shí)間，期間的電流要求應(yīng)盡可能低。

5) 無(wú)線傳輸

采集數(shù)據(jù)后，必需通過(guò)BLE傳輸它們。傳輸可以通過(guò)一條BLE連接或BLE廣播完成，但支持能量采集的Beacon只能采用BLE廣播，這是因?yàn)槭褂靡粭l連接傳輸數(shù)據(jù)之前，需要消耗大量能量建立該連接。

通常而言，無(wú)線操作，無(wú)論是發(fā)送(Tx)還是接受(Rx)，是無(wú)線設(shè)備中耗能最多的操作。我們應(yīng)確保BLE操作是一個(gè)獨(dú)立的過(guò)程，只有在EH輸出能夠提供足夠的峰值電流時(shí)才與其它過(guò)程結(jié)合在一起。

賽普拉斯的基于電源管理IC(PMIC)的能量采集器為傳感器和網(wǎng)絡(luò)提供一種無(wú)電池技術(shù)。它們精準(zhǔn)的輸出功率控制功能和高效的能量采集功能使它們成為小型無(wú)線和Beacon應(yīng)用的理想選擇。它們既可以獨(dú)立用作電源，或與鋰電池等其它電池設(shè)備配合使用，用于延長(zhǎng)設(shè)備的工作壽命。一個(gè)EH PMIC可以從一個(gè)低電壓開(kāi)始，適應(yīng)應(yīng)用的需求。MB39C831等某些產(chǎn)品具備最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT) 功能。MPPT可讓內(nèi)置的DC/DC轉(zhuǎn)換器通過(guò)跟蹤輸入功率控制輸出充電功率，從而最大程度提高功率輸出。MB39C811等PMIC支持雙采集輸入，可以從兩個(gè)不同的源采集能量。S6AE101A等優(yōu)化型PMIC(太陽(yáng)能或光能EHD優(yōu)化型)具備極低的啟動(dòng)和靜態(tài)功耗，可以使用一個(gè)很小的太陽(yáng)能電池。

無(wú)電池式無(wú)線Beacon的另一個(gè)考慮因素是MCU的選擇。被集成為SoC等可編程系統(tǒng)、同時(shí)支持各種低功耗模式的MCU是此類(lèi)應(yīng)用的理想選擇。賽普拉斯的可編程片上系統(tǒng)(PSoC)可與那些可用于對(duì)接傳感器的各類(lèi)外設(shè)緊密集成。尤其是PSoC 4 BLE，它包含多個(gè)低功耗外設(shè)以及一個(gè)BLE射頻單元和BLE協(xié)議棧，從而提供了一個(gè)真正的單芯片BLE傳感器節(jié)點(diǎn)。此外，其對(duì)超低功耗模式的支持還能讓系統(tǒng)與能量采集器、紐扣電池等小型電源無(wú)縫配合。實(shí)踐證明，這些能量采集器外加PSoC是無(wú)電池型BLE傳感器節(jié)點(diǎn)應(yīng)用的最佳設(shè)計(jì)。

有關(guān)PSoC 4 BLE的更多信息，請(qǐng)參閱應(yīng)用筆記AN91267 ，您還可以參閱應(yīng)用筆記AN92584，詳細(xì)了解如何進(jìn)一步優(yōu)化BLE系統(tǒng)的功耗。請(qǐng)點(diǎn)擊此處，詳細(xì)了解賽普拉斯的PMIC解決方案以及它們的最新特性。

附錄

A1：EH供電型BLE傳感器節(jié)點(diǎn)中各個(gè)過(guò)程的示波器屏幕截圖

1) EHS的輸出電壓隨CPU 活動(dòng)的變化。黃色信號(hào)是EHS的輸出電壓，綠色信號(hào)是嵌入式設(shè)備消耗的電流。綠色峰值是CPU活動(dòng)期間的電流消耗，平直信號(hào)是設(shè)備處于低功耗模式時(shí)的電流消耗。