基于能量采集技术的BLE传感器节点设计面临哪些挑战？

　　摘要：
　　低功耗蓝牙（BLE）被广泛运用于那些需要采集数据并将它们传送至指定目的地的低功耗无线通信应用。在这些应用中，各类传感器需要由某种形式的能源供电，以采集数据，并通过BLE发送。使用有线电源为这些传感器供电一般不具可行性，例如有时候有些传感器是位于人体上的。电池供电型传感器受电池寿命的限制，需要频繁充电。如果某位工程师真正需要设计一款安装后就无需打理的BLE传感器应用，该系统就需要利用光、运动、压力或热量等周围环境中未被利用的能量。
　　这就是能量采集技术的用武之地。能量采集是一种从外部能源采集能量并用它为嵌入式设备供电的新方法。但是，在能够可靠地运用基于能量采集技术的BLE传感器节点之前，我们需要克服一些挑战，尤其是在低功耗系统设计中。本文将阐述其中的某些挑战以及应对方法。
　　正文：
　　智能手机等设备给我们的日常生活带来了许多重要改变。我们通过手机来获取能够直接实时地影响我们的生活、与我们的健康、环境甚至购物方式相关的信息。然而，大多数信息必需被“拉”出来，即通过一条与另一个设备的连接获取它们，或者通过搜索网络获取它们。这些方法要求用户在需要数据时发起一个操作。但是用户有时甚至不知道要找什么或到何处去找，比如说当他们寻找店内某款产品的售价时。
　　解决办法就是拥有一个能够向用户实时“推送”消息的系统。由于智能手机是向用户推送信息的最佳途径，该系统应能便捷有效地向其发送信息。这就是Beacon的用武之地。
　　在无线技术中， Beacon是一个广播消息的系统，目的是让附近的设备接收到这些消息。Beacon能够轻而易举地向用户设备传送数据，而且无需用户操作。智能手机等现有设备支持可用于实现Beacon功能的各种方法。为了确保Beacon得到广泛运用，其中包括得到主流设备的支持、互操作性、较低的安装成本和低功耗运行，BLE 将成为Beacon通信的不二选择。
　　低功耗蓝牙（BLE）被广泛运用于那些需要在较小范围传送数据的低功耗无线通信应用。无线传感器节点（WSN）就是一个例子。数据被从传感器读出，通常被发送到一部智能手机。这些传感器节点中的典型应用流程如下图所示：
　　
　　图1 BLE传感器设备中的典型流程
　　这些Beacon/传感器需要由某种能源供电，以保证能够连续运行和维持整体设备的尺寸。使用无线电源为这些传感器供电一般不具可行性，因为这些传感器要么是位于人体上，要么位于远端，因此使用线缆供电的设计行不通。电池供电型传感器存在电池寿命有限、需要频繁充电、处理时破坏环境等问题。
　　如果我们真的想要无需任何维护的Beacon，我们就需要利用光、运动、压力或热量等周围环境中未被利用的能量。这能够实现“安装后即无需打理”，使Beacon在其整个生命周期内都能得到供电。
　　这就是能量采集技术的用武之地。能量采集是指从周围环境采集未被利用的能量并进行存储。所存储的能量用于为WSN设备供电，采集传感器数据，并通过BLE传输数据。
　　
　　图2 基于能量采集技术的WSN设备的框图
　　能量采集系统（EHS）是一个电路，其中包括一个能量采集器件（EHD），一个能量采集PMIC和一个储能器件。 EH PMIC使用EHD（如太阳能电池、振动传感器和压电器件）提供的能量对储能器件（通常是一个电容器）进行“涓流”充电。EHS然后使用所存储的电荷向另一个嵌入式设备提供能量。EHS的输出功率随WSN的状态变化而改变。当WSN处于活动状态时，能量被消耗，EHS的输出电压开始下降。当其处于低功耗状态时，由于储能器件得到充电，EHS的输出电压开始升高。下图显示了EHS的输出电压随嵌入式设备的状态变化而改变的过程。
　　
　　图3 EH的输出电压随设备状态变化而改变
　　对于EHS供电型设备，活动状态下所消耗的能量不应超过EHS中的可用能量。图4显示了一个EHS供电型系统，其活动状态下的能耗超过了EHS所能提供的能量。EHS的输出电压逐渐下降，直到完全停止输出。
　　
　　图4 WSN因电能不足关机
　　这意味着嵌入式系统的方方面面都应得到能量优化，这样它才能在EHS的供电下无缝运行。此类系统中有很多子系统，而它们可能非常耗电，需要得到优化才能确保它们不会拉低EH的输出电压。功耗优化的关键领域包括：
　　1） CPU的时钟频率：
　　系统时钟频率决定了例行程序的处理速度以及期间所消耗的能量。时钟越快意味着处理速度越快，但电流消耗也越高。此外，每个设备都有最低和最高时钟频率要求，不能超出该要求。
　　对于基于EHS的设计，可以根据以下两个因素选择一个优化型时钟频率：
　　a） 平均电流消耗
　　b） 峰值电流消耗
　　EHS的容量必需兼顾这两个因素。平均电流是活动状态下所需的时间平均电流，而峰值电流是活动状态下的瞬时最大电流要求，通常高于平均电流。有可能发生以下情况：所需的平均电流在EHS的容量之内，但峰值电流将导致EHS突然耗尽能量，从而导致电压降至截止电压以下。请注意，处理时间是平均电流消耗计算的一部分。
　　下图显示了某个例行程序在两个不同频率下（第一个是48 MHz，第二个是12 MH）的功耗-时间图。
　　
　　图5 48 MHz频率下处理某个例行程序的电流消耗
　　
　　图612 MHz频率下处理某个例行程序的电流消耗
　　在本例中，48 MHz频率下处理的例行程序使用了约300μs的时间完成，并在此期间消耗了约10 mA的电流。12 MHz频率下处理的例行程序使用了1.1 ms的时间完成，并在此期间仅消耗了4mA的电流。此过程在12 MHz下的平均电流消耗更高，但峰值电流要求却更低。取决于EHS的容量，我们可以采用一个较短的48 MHz时钟设置，或一个较长的12 MHz时钟设置，或结合采用两者，让时钟频率在不同的过程之间来回切换。在选择优化型系统频率时，我们应该考虑这种电流分配。
　　2） 低功耗设备启动
　　嵌入式设备获得供电后，它将完成一个启动程序，然后才能执行应用代码。一个典型的启动程序包括：
　　a） 初始化内存
　　b） 设置中断向量
　　c） 配置外设和通用寄存器
　　d） 初始化外部时钟（如果有的话）。
　　这四个步骤的每一步都需占用CPU处理时间才能完成，因此也要消耗能量。所消耗的能量取决于所使用的设备、系统时钟频率、所初始化的内存/寄存器的容量以及设置外部时钟所需的时间。因此，启动过程将消耗大量电能，必需得到优化才能确保不消耗过多的EH输出。编写启动代码时应考虑以下因素：
　　a） 只初始化那些将被使用的内存和寄存器部分，其它部分维持默认值。
　　b） 大多数无线系统需要高精度外部时钟。这些外部时钟（如外部时钟振荡器和手表晶体振荡器）在启动后有一个较长的稳定时间。我们不应让系统在活动状态下等待时钟稳定下来，而应将其置于低功耗状态（睡眠/深度睡眠状态），只有在准备使用它时再唤醒它。我们可以使用一个内部定时器来实现这个目的。
　　3） 低功耗系统启动
　　一旦设备开始执行应用代码，通常需要启动系统中的各个外设。这些外设可能位于设备之中，如ADC，也可能位于设备之外，如某个传感器。单个外设的启动时间可能不长，但所有外设的总处理时间可能长到足以耗尽EHS中存储的能量。
　　我们应该计算指定CPU频率下的外设启动时间，然后确定整体启动所有外设所需的能量预算是否可行（较快），或是否需要将启动程序分为多个阶段（较慢）。
　　4） 分阶段应用处理
　　设备将有不同的应用例行程序，它们需要自己的CPU带宽。这些例行程序可能是为了配置某个外设，从传感器接收数据，执行计算，管理事件或中断。我们应该确保处理所用能量不超过EHS的容量。如果超过了，应将它们分为较小的子例行程序，并分阶段管理它们。这可以将EHS上的负荷分成多个可管理的电流脉冲，从而让EHS能够在活动的CPU进程之间进行充电。
　　此外，在各个阶段之间，应将系统置于低功耗模式，并将一个计数器或Watchdog计时器用作唤醒源，作为中断。由于系统必需在该模式下保持较长时间，期间的电流要求应尽可能低。
　　5） 无线传输
　　采集数据后，必需通过BLE传输它们。传输可以通过一条BLE连接或BLE广播完成，但支持能量采集的Beacon只能采用BLE广播，这是因为使用一条连接传输数据之前，需要消耗大量能量建立该连接。
　　通常而言，无线操作，无论是发送（Tx）还是接受（Rx），是无线设备中耗能最多的操作。我们应确保BLE操作是一个独立的过程，只有在EH输出能够提供足够的峰值电流时才与其它过程结合在一起。
　　赛普拉斯的基于电源管理IC（PMIC）的能量采集器为传感器和网络提供一种无电池技术。它们精准的输出功率控制功能和高效的能量采集功能使它们成为小型无线和Beacon应用的理想选择。它们既可以独立用作电源，或与锂电池等其它电池设备配合使用，用于延长设备的工作寿命。一个EH PMIC可以从一个低电压开始，适应应用的需求。MB39C831等某些产品具备最大功率点跟踪（MPPT） 功能。MPPT可让内置的DC/DC转换器通过跟踪输入功率控制输出充电功率，从而最大程度提高功率输出。MB39C811等PMIC支持双采集输入，可以从两个不同的源采集能量。S6AE101A等优化型PMIC（太阳能或光能EHD优化型）具备极低的启动和静态功耗，可以使用一个很小的太阳能电池。
　　无电池式无线Beacon的另一个考虑因素是MCU的选择。被集成为SoC等可编程系统、同时支持各种低功耗模式的MCU是此类应用的理想选择。赛普拉斯的可编程片上系统（PSoC）可与那些可用于对接传感器的各类外设紧密集成。尤其是PSoC 4 BLE，它包含多个低功耗外设以及一个BLE射频单元和BLE协议栈，从而提供了一个真正的单芯片BLE传感器节点。此外，其对超低功耗模式的支持还能让系统与能量采集器、纽扣电池等小型电源无缝配合。实践证明，这些能量采集器外加PSoC是无电池型BLE传感器节点应用的最佳设计。
　　有关PSoC 4 BLE的更多信息，请参阅应用笔记AN91267 ，您还可以参阅应用笔记AN92584，详细了解如何进一步优化BLE系统的功耗。请点击此处，详细了解赛普拉斯的PMIC解决方案以及它们的最新特性。
　　附录
　　A1：EH供电型BLE传感器节点中各个过程的示波器屏幕截图
　　1） EHS的输出电压随CPU 活动的变化。黄色信号是EHS的输出电压，绿色信号是嵌入式设备消耗的电流。绿色峰值是CPU活动期间的电流消耗，平直信号是设备处于低功耗模式时的电流消耗。
　　
　　请注意，由于能量被消耗，EHS的输出电压在每次CPU活动时（绿色峰值信号）都会下降。另请注意，低功耗状态期间电压会恢复，这是因为EHS对储能器件进行了充电。
　　2） EHS内部不对储能器件进行充电时，EHS的输出电压随CPU 活动的变化。请注意，由于能量被耗尽，电压降至截止电压以下， EHS输出此时会被关闭。
　　
　　3） 设备启动时的电流消耗（绿色信号）。
　　
　　4） EH供电型Beacon的BLE（TX）活动