安森美半导体的高能效方案如何用最尖端的持续感知器技术实现无电池应用

持续能量采集器和安森美半导体的低功耗射频技术填补用于物联网的环境和加速度计传感器的缺口。
 
背景
尽管物联网(IoT)的激增是无可争议的，但迄今只有少数出版物就有关能源供应问题启发了公众，支持迅速增长的传感器和收发器数量。

Trillion Sensor Visions：万亿传感器前景预测
Sensors/year：传感器/每年
 
图1. 每年部署的传感器数量预测
（资料来源：Sia and Tsensor.org 2015）
在法国南锡举行的2018年世界材料论坛(World Material Forum)上，证实了IoT的快速增长
以及对数据存储、处理和传输的高要求将成为该项目可持续性的重要问题。 因此，任何形式的能量采集都是受欢迎的，除非绝对强制。
 
应对这一挑战的全面潜在方案包括：
•设计超低功耗嵌入式硬件平台
•智能系统级电源管理
•从工作环境中采集能量来使设备自供电
在实施这些方案时，电子设计人员必须记住，IoT传感器不仅必须测量一个值（包括温度，湿度，污染，光照水平），而且还必须将该值传达给其系统主机 –通常是无线的–以有限的电源。
为了实现这，必须全面考虑设计中的每个系统级组件，包括传感器、接收器、能源和通信占空比。
本白皮书将探讨安森美半导体的高能效方案如何用最尖端的持续感知器技术实现无电池应用。
 
超低功耗收发器和通信协议
设计的第一步是选择既超低功耗又支持无线协议以传输信息的RF收发器。适当的无线协议应支持并含以下特性：
•支持局域网传输距离
（室内约几十米）
•通过架构实现低功耗
（短帧和低Tx功率可减少CPU和无线电功率预算）
•支持安全传输（例如加密）
•提供简单的接收机制（信标）
•提供易用的硬件实施
（例如，传感器和收发器之间的直接接口）
•高集成度（SiP或单芯片）
•提供标准化的通信协议（IEEE或SIG类型），包括传感器节点和网关之间的互操作性
•低实施成本以支持大众市场可用性
 
幸运的是，蓝牙特别兴趣小组(SIG)和Zigbee®联盟现在提供无线协议，专注于优化各自的协议多年。 现在，我们提供了蓝牙5以及Zigbee Green Power协议，在短帧持续时间、安全性和发射功率进行了优化。
 
传输所需的所有信息以在不到10毫秒（ms）的时间内联接。关键是如何用能源优化的器件实施这些协议，并充分利用电压和电流资源。安森美半导体基于其在超低功耗微控制器和助听器音频的专知设计了器件，在6 dBm时的功率预算低至10 mW。 现在有几种产品可以解决挑战：支持Zigbee协议的NCS36510和支持蓝牙低功耗的RSL10。协议的组合与智能电源实施要求得出以下方程式，如图2所示。

ON Semiconductor Technology：安森美半导体技术
IoT Protocols ZIGBEE GP; BLE UNB SubGHz：IoT协议ZIGBEE GP；蓝牙低功耗UNB SubGHz
Harvesters: 能量采集器
 
图2. IoT应用能耗的“经验法则”
 
选择能量采集源
图2中的方程式为我们提供了现代低功耗联接和通信协议的能源需求的指导原则。 剩下的就是选择合适的采集源和使用范围。 时间是另一个必须考虑的因素。持续采集方案产生的功率可能很低，但目的是随时间进行累积，因此增益因子很重要。 例如，采集1秒并传输10 ms会产生100的增益。相比之下，采集10秒并传输5 ms会产生2000的增益。电解电容器技术完全支持数秒范围内的能量累积。
 
基于太阳能的能量采集
以RSL10蓝牙5无线电或NCS36510 Zigbee系统单芯片（SoC）为例，我们可以计算出，在协议传输期间（持续最多10 ms），我们将需要大约10 mA的电流。 对于每秒的传输，我们可以将增益提高100倍。 如果传输每10秒发生一次，则增益将为1000x。 这意味着我们可以为太阳能采集器设定10 mA / 100 = 100 _A或10 mA / 1000 = 10 _A的电流源。
有趣的是，像Ribes Tech的FlexRB-25-3030这样的太阳能电池在200勒克斯(lux)时提供16 _A或在1000 lux时提供80 _A。 这正满足所需。

Working voltage：工作电压
Working current: 工作电流
Maximum voltage: 最大电压
Maximum current: 最大电流
min:最小值
typ: 典型值
max: 最大值
lux: 勒克斯
Current:电流
Voltage：电压
图中显示的J-V曲线在1000 lux光源荧光灯管6500 K下测得
 
图3. Ribes Tech的FlexRB−25−7030、FlexRB-20-6030的电气规格
 
使用Ribes Tech的FlexRB-25-3030之类的太阳能电池将使我们能够提供一种自主传感器，以1到10秒的占空比发送蓝牙低功耗或Zigbee帧。
 
常见照明条件
大多数太阳能电池的特征在于两组照明条件：200 lux和1000 lux。这些条件涵盖了广泛的日常照明，如下表所示
 
表1. 常见的照明工作条件
 

 
*使用在iPhone®6上运行的Velux的Luxmeter应用程序进行的测量。
**不建议将其作为实际配置的工作条件。
 
持续测量域
根据本文档前面提到的信息，我们可以开始研究整个采集系统的行为。必须有一个能量预加载阶段，以便器件在触发第一次通信之前从太阳能电池中采集能量。下一节（技术挑战）将详细介绍成功实施的各种技巧和指南。一旦器件捕获并存储了足够的能量，微控制器（MCU）就必须设置通信参数，Tx功率，信道选择和温度测量。
该活动将在MCU大部分处于活动状态时获得，因此缓冲的能量必须足够高，以传输尽可能多的信标帧。
 

Preload：预载
 
图4.在给定照明条件下的概念能耗视图
以2秒的占空比，我们可以实现一个无电池传感器节点，该节点能够测量缓慢变化的参数（例如，湿度，温度，大气压力，室内参数，光强度）。
 
技术挑战和实施
 
联接
第一步是选择通信和数据处理IC，该IC可以支持所需的通信协议，并具有由采集器件规定的可用能量预算。 在大多数情况下，要求选定的器件支持高能效的待机和深度睡眠模式，以在不需要任何操作时节能。为了简化电源传输，首选具有最小输入电压或宽输入电压范围的器件。 这样，可以使用简单的降压或线性稳压器来调节或限制系统电压。
类似的要求也适用于系统中使用的传感器。 如果不能提供睡眠模式，则可以实施电源门控以在不需要感测时禁用传感器电源。
 
储能
下一部分要考虑的是储能和能量管理，用于为传感器和微控制器供电。为了存储所采集的能量，可能有多种方法。 哪种方法最合适取决于目标应用的要求。 通常，可以使用基于电容器或电池的方案。
 
基于电容器的方案通常比电池方案在相同体积下具有较低的整体容量，这是因为它们的能量密度较低。 这使得电池更适合于需要长时间在无光源时保持工作的传感器。

Ragone Plot of Electrochemical Devices：电化学器件的Ragone图
Fuel Cells：燃料电池
Lead-Acid Battery：铅酸蓄电池
NICd Battery：NICd电池
Lithium Battery：锂电池
Double-Layer Capacitors: 双层电容器
Ultra-Capacitors：超级电容器
Aluminum-Electrolytic Capacitors：铝电解电容器
Power Density：功率密度
Source US Defence Logistics Agency：来源美国国防后勤局
 
图5. Ragone图帮助我们选择适当的储能技术
 
基于电池的系统所面临的挑战是它们通常需要更复杂的能量管理系统。这包括充电和放电控制以及针对过度充电和过度放电的电池保护。这增加了系统复杂性以及物料单(BOM)（成本），因为这种能量管理系统通常涉及开关稳压器（额外的无源器件），并且由于所需的功能而导致更复杂的IC。芯片的复杂性以及对高能效和低静态电流的要求通常导致相当昂贵的IC方案。
 
在不需要更长的工作时间而不暴露于光线的应用中，基于电容器的方案可能是一种更具成本效益的方案。该存储电容器临时累积来自太阳能采集器件的能量，直到有足够的能量可用于执行测量并传输结果为止。当使用具有足够额定电压的电容器时，不需要充电电路。所用的太阳能采集器暴露在预期峰值亮度下时的开路电压决定了最大输入电压。如果电容器的额定电压超过开路电压，则无需充电电路或保护。
 
对于基于电池和电容器的方案，都需要调节输出电压，以为联接的电路（传感器、微控制器等）提供适当的电压。使用基于锂的存储选项的系统达到的电压高于4 V，该电压通常超出传感器和微控制器的输入电压范围。为了匹配通常为1.8至3.3 V的电源电压，需要降压转换。在基于电容器的系统中，电压与所存储的电荷量线性相关。这可能会导致整个放电周期的电压变化很大，而这并不是所有传感器或微控制器都能接受的，因此需要某种稳压器来稳定电源。

图6. RSL10太阳能电池多传感器板
 
RSL10太阳能电池多传感器板（RSL10-SOLARSENS-GEVK）是用于无电池IoT应用（包括智能建筑，智能家居和工业4.0）的综合开发平台。 该板基于业界最低功耗的蓝牙低功耗无线电（RSL10），含用于温度和湿度感测的多个传感器（BMA400-智能3轴加速度计，BME280-智能环境传感器和NCT203宽范围数字温度传感器） 。
 
该板还具有一个47__F的超低成本、低重量和薄型存储电容器，一个编程和调试接口以及一个联接的太阳能电池。
 
由于该器件从低电流源采集能量，因此在运行和采集能量时整个系统的漏电流很小是很重要的。 为此选择了几种智能器件，其中包括板载的超低静态电流LDO（NCP170）。

 
PV CELL：光伏电池
Load：负载
10Vmax Capacitor：10 V最大电容
CLAMP：钳位
RSL10 beacon with 10s + 2s timer：RSL10信标，10s + 2s计时器
 
图7.多传感器板的概念图

BLE5.0 Advertising：蓝牙低功耗5.0广告
Gateway：网关
Cloud：云
 
图8.完整的系统总览，包括传感器、网关和云服务
 
有了这份资产清单，潜在的应用范围非常广泛，让我们快速浏览一下它们：
 
智能建筑：
•气候控制（环境）
•窗户破损检测（3轴加速度计）
•楼宇自动化（兼具环境及3轴加速度计）
•门破损检测（3轴加速度计）
门窗开关状态报告（3轴加速度计）
•会议室占用监控（兼具环境及3轴加速度计）
智能家居
•环境控制（环境）
•屋顶和窗户控制（兼具环境及3轴加速度计）
•窗户破损（入侵）检测（3轴加速度计）
工业4.0 /智慧城市
•空气污染检测（环境）
•工人安全（兼具环境及3轴加速度计）
•安防监控（3轴加速度计）
移动健康
•集成/便携式传感器（3轴加速度计）
•自行车/摩托车主动式头盔（3轴加速度计）
 

图9. 在Embedded World 2019的无电池窗户传感器演示
 
硬件设置和优化
RSL10太阳能电池多传感器板使用安森美半导体的RSL10处理测量数据，并以蓝牙低功耗广告数据包传输结果。可以使用智能手机或任何其他支持蓝牙低功耗的设备接收数据包以进行可视化。
 
铝电解电容器将用作主要的储能。太阳能采集器的开路电压范围为3至6 V，因此可以在电路中使用约10 V的额定电容器，而无需任何输入钳位或保护。在电路中，电容器通过太阳能采集元件直接充电，仅需串联一个肖特基二极管。放置该二极管可避免采集器使电容器放电。我们将在后面讨论电容器的容量，因为它取决于后面几节中讨论的其他几个方面。
 
RSL10 SoC包含一个集成的DC - DC降压稳压器，使芯片可在宽范围的输入电压（1.1至3.3 V）下工作而无需额外的稳压器。由于在非常明亮的情况下，所用的太阳能采集器可能会超过RSL10的最大额定电压，因此将线性稳压器用作限压器。如果输入电压超过3.3 V，则稳压器会产生恒定的电源电压。如果电压低于3.3 V，则稳压器将不加调节地使电容器电压通过。由于稳压器仅在可用能量“太多”的情况下使用，因此多余的能量转化为热量是毫无问题的。如果对功率的需求增加，则电容器电压将下降，稳压器将不再工作并“浪费”能量。然而，稳压器的简单性导致较低的静态电流。这是必不可少的，因为它将有助于在微光情况下保持可用能量。图10显示了一个典型的工作场景，在较低功耗时限制电压。当电容器电压下降到3.3 V以下（由于更高的功耗）时，LDO稳压器不再工作，并使电压直接通过。

 
Capacitor Voltage：电容器电压
Limited MCU Supply Voltage：有限的MCU供电电压
图10.使用LDO稳压器限压
 
当系统完全放电然后暴露在光线下时，电容器的电压将随着电荷的积累而缓慢上升。默认情况下，RSL10一旦达到其较低的阈值电压（〜1 V），就会（尝试）启动。只有在太阳能采集器连续提供启动所需的功率才起作用，以将电容器电压维持在1 V。如果太阳能收集器提供的功率少于所需的功率，则电容器电压将下降。当电压低于〜1 V的阈值时，启动失败，因为RLS10将关断。当太阳能采集器的能量输出低于启动期间的RSL10消耗时，将重复此序列。
 
由于采集器通常无法在所有（光照）情况下产生那么多的能量，因此需要启动电路以确保可靠的启动。
 
用于该演示器的电路可确保在为RSL10和其他器件供电之前，对存储电容器进行充分的预充电。为确保成功启动，存储电容器需要维持系统完全启动所需的能量。在我们的用例中，启动是从初始上电到系统可以进入其深度睡眠模式的时间点的序列。
 
可以测量执行此序列所需的能量。根据所需能量和微控制器的典型输入电压范围，确定所需电容器的最小尺寸。对于提出的基于RSL10的应用，启动需要〜120 _J。结合所需的〜1.5至3 V电压范围，这将导致理论上的最小电容为35.6 _F。实际上，应使用更大的电容器来补偿由制造容限、不同的工作温度或组件老化等因素引起的电容变化。
 
启动和保持电路
 
要启用和禁用RSL10的电源，使用钳位LDO稳压器的使能信号。使能的输入由两个来源生成。第一个源由电压监控器IC（安森美半导体的MAX809）产生，该电压监控器IC由电容器输入电压供电，一旦电容器电压超过2.63 V，它将启用LDO稳压器。第二个输入用于确保使能引脚保持输出电压足够高。根据所需的阈值，可以使用LDO的默认关断阈值（对于NCP170> 1.2 V；在〜1.5 V时测量）。在这种情况下，LDO的输出电压被反馈到使能引脚。如果需要更高的关断电压，则可以添加阈值> 1.5 V的附加电压监控器，一旦LDO输出降至电压监控器定义的阈值以下，将使能下拉。图11显示了所用启动电路的原理图。 U3是次级电压监控器，可根据关断所需的阈值电压去选择。

 
Startup-Circuitry and Voltage Regulation：启动电路和稳压
LDO as a active clamping circuit and power switch：LDO作为有源钳位电路和功率开关
Storage Capacitor：存储电容器
Turn-on Threshold：导通阈值
(optional) Turn-off Threshold：(可选的) 关断阈值
 
图11. 启动电路原理图
 
在图12中，可以观察到启动电路的行为。 在A点之前，电容电压缓慢上升，直到在点A达到2.63V。电压监控器具有内部延迟，使实际导通时间延迟tD，对于所用器件，tD在140-460 ms之间。 延迟后，将激活MCU电源。 当MCU供电电压高于〜1.5 V时，系统可以正常运行。 一旦电压降至1.5 V以下（B点），MCU供电电压将被禁用，因为所用NCP170的使能引脚阈值为1.5V。 此后，电容器电压需要再次升高到2.63 V以上才能重新启用MCU电源。

 
 
Storage Capacitor voltage：存储电容器电压
MCU Supply Voltage：MCU供电电压
 
图12. 启动电路行为
 
该板包含温度、空气质量和加速度传感器。 所有传感器都支持睡眠模式，以在不需要时降低能耗。 为了避免变化的电容器电压对数据采集产生负面影响，使用了1.8 V的稳定传感器供电电压。 可以禁用该传感器供电电压，以进一步减少电流消耗。 传感器通过I2C总线与RSL10 SoC接口。
 
在温度传感器和加速度计支持的工作模式下，传感器可以监测各自的物理状况，而无需RSL10的交互。 在这种模式下，如果监测值超出了预先设定的范围或发生了其他编程情况，传感器将使用专用中断线唤醒RSL10。

 
图13. RSL10太阳能电池多传感器板
 
使用2层设计的最终PCB尺寸为24 x 51 mm，所有元器件都在顶侧，以便能够连接背面的太阳能采集器件。
 
可以通过以下方式连接太阳能采集器：
•在板子的左侧使用100 mil间距的连接器
•板右侧的4引脚1毫米间距的ZIF连接器
•板两侧的焊盘可直接连接面板或其他连接器

 
图14. 在EWC 2019演示的无电池多传感器节点
 
固件设置和优化
RSL10太阳能电池板的目标行为是测量环境参数，并以蓝牙低功耗广告数据包将其传输。进行测量和传输的时间间隔取决于可用能量。固件需要监控可用能量并调节系统电源状态，以优化系统性能。
 
系统启动时，RSL10初始化所有必需的外设，并计时资源和蓝牙低功耗基带。这些步骤对于使RSL10的所有电源状态都可用至关重要。为省电，所有未使用的外设都保持禁用状态。此外，在需要进行实际测量之前，将关断传感器的电源。
 
RSL10初始化后，系统需要确定它是否具有足够的剩余能量来执行某些测量，或者是否有必要进入超低功耗深度睡眠模式以使存储电容器充电至更高的电压电平。为了确定当前可用的能量，RSL10可以测量电源电压。 3.3 V的电压表示电容器已满，并且LDO已经在限制输出电压。对于低于3.3 V的电源电压，RSL10直接测量电容器电压并可以确定能量含量。
如果能量不足以执行所需的测量，则RSL10进入其深度睡眠模式。在这种模式下，RSL10消耗的功率在62.5 nW的范围内，即使在微光的情况下，存储电容器也可以充电。在深度睡眠模式下，RSL10的外设被禁用。为了在深度睡眠模式下保持某些可变的系统的状态，一部分RAM被保留。从深度睡眠唤醒的速度比完全启动要快得多，并且所需的能量要少得多。
 
在深度睡眠模式下经过一段固定的时间后，RSL10唤醒以检查存储电容器是否已积累了足够的能量来执行测量和传输数据。决定测量是否可行的能量阈值是通过实验确定的。如果能量水平仍然不足，则RSL10再次进入深度睡眠模式。
 
如果可用能量足以进行测量，则启用传感器的电源并初始化I2C接口。通过I2C，传感器被配置为执行其测量。一旦测量完成，就将结果读回并复制到用于传输测量数据的广告包中。
 
包含测量值的广告包随后被发送。发送后，RSL10在所需的最小发送间隔时间内进入深度睡眠模式。然后，从确定唤醒后的可用能量开始，重复该序列。
 
蓝牙低功耗考量因素：
选择使用广告包通过蓝牙低功耗将测量的传感器数据传输到其他设备是最节能的方式。这使RSL10太阳能电池板的采集器可以将扫描的附近所有蓝牙低功耗设备作为目标，而无需建立和维持联接。另外，太阳能采集器以广播器模式发送数据，说明在每个发送的广告包之后它都不会启用接收器。这节省了额外的功耗，其代价是不联接并且不能发送扫描响应数据包，从而将广告数据的最大限制从31个字节提高到62个字节。根据应用需求，可能需要在可联接模式下进行广告发布，以允许某些设备配置传感器节点的参数，例如首选广告间隔和首选测量间隔。
 
为了克服仅允许31字节数据的小广告包的限制，可以在每个广告间隔的不同广告有效载荷之间切换。这可用于在一个广告包中发送自定义传感器数据帧，然后在下一个广告包中发送Eddystone Beacon URL帧。 Eddystone URL数据包可用于链接到具有其他信息的网页，并提供下载应用程序用于显示传感器数据。
 
不同于蓝牙SIG定义的环境感知服务的联接设备，没有用于仅使用广告包来传输各种传感器数据的标准化格式。
 
这样，自定义广告数据帧用于将传感器数据传输到扫描设备。这些设备需要专用软件或应用程序，能够解析和处理此类广告包内容。在整个基础架构由单个实体管理的工业用例中，这可能不会造成问题，但是如果应用于可能需要多个供应商的设备协作的市场，则可能会导致互操作性问题。
 
 
 
固件实施
基于上述行为，安森美半导体开发了RSL10太阳能电池多传感器板固件。
安森美半导体提供基于Eclipse的环境RSL10 软件开发套件(SDK)，用于基于RSL10平台的软件开发。 RSL10 SDK包含全集成的开发环境，具有功能强大的编辑器、工具链、文档、各种示例代码以及基于CMSIS-Pack的软件包。

 
图15. RSL10软件开发套件(SDK)
 
可以使用RSL10 SDK附带的CMSIS Configuration Wizard编辑器来配置固件，如图16所示。通过使用图形界面提供每个参数详细说明并检查输入值的正确范围，可以更改所需参数来快速评估不同的软件配置。。对于需要更复杂的更改进行评估的情况，CMSIS包中提供了源代码和示例项目。

 
图16. CMSIS Configuration Wizard中显示的可配置参数
 
图17显示了在传感器测量事件期间电路板的电流消耗，随后是测量数据的公告。 在此事件期间，总共使用了60 _J的能量来测量传感器数据并公布结果。 如果没有安排传感器测量，而电路板仅做公告，则能耗降低到20 _J。
 

 
图17.传感器测量和公告发布的典型操作周期
（3 V电源，公告间隔设置为1 s，在每个公告间隔期间都进行传感器测量）
 
接收信标数据
RSL10太阳能电池多传感器板公告的传感器数据作为制造商的广告包特定数据及蓝牙低功耗标志和板的完整本地名称的一部分。 这允许访问所有设备的传感器数据，这些设备将制造商特定的数据公开给应用程序，包括Android和IOS设备。
 
在这种情况下，将RSL10 USB软件狗（RSL10-USB-001-GEVK）连接到主机PC，以显示捕获的传感器数据。 使用带有Python绑定的RSL10 USB软件狗和随附的软件蓝牙低功耗Explorer来创建简单的脚本，该脚本扫描附近的蓝牙低功耗设备，并在它们具有匹配的广告数据时显示传感器数据。
 
 

 
图18.显示的RSL10 USB软件狗捕获的传感器数据
 
总结
通过该参考平台，安森美半导体已证明完全有可能制造出一种低成本、小尺寸传感器节点，完全由太阳能供电，具有的功能包括持续传感器监视和数据传输到云网关。 多个用例将大大得益于RSL10太阳能电池多传感器平台的新技术和功能，包括智能楼宇、城市管理和移动健康。开发人员使用该平台创建新的创新传感器设计，可填补实施数十亿个智能传感器所产生的能源需求缺口，从而帮助彻底变革物联网。