如何开发微型太阳能供电的无线传感器节点

无线传感器节点有望通过减小传感器尺寸、简化维护问题和最大限度地延长电池寿命来降低实施成本。然而，通过强调无电池实施，将有可能实现更大的增长。

设计无电池设备的最佳实践是降低无线传感器系统的平均功耗。这可以通过蓝牙低功耗（BLE）等技术来实现，用于通信和能量收集。

图1显示了微型无线传感器的架构。该传感器围绕集成了BLE无线电的微控制器（MCU）构建，该微控制器可以完全使用能量收集电源管理集成电路（IC）的电源运行。

［图1|微型无线传感器围绕MCU构建，集成了BLE无线电，经过优化，仅使用来自能量收集电源管理IC的电源即可工作。这里显示的是CYALKIT-E02太阳能供电的BLE传感器信标RDK，它显示了一个完整的无线传感器。

优化低功耗蓝牙

为了能够仅使用能量收集的功率进行操作，传感器必须优化其BLE实现，以最大限度地降低功耗。为了实现这一点，设计人员必须首先了解BLE子系统的实现细节。接下来，需要编写固件以匹配每种工作/电源模式的要求。然后，设计人员必须分析实际功耗以确认假设并进一步提高系统的电源效率。

这些降低功耗的技术将使用赛普拉斯的 CYALKIT-E02 太阳能供电 BLE 传感器信标参考设计套件 （RDK） 进行说明。该 RDK 包括赛普拉斯 PSoC 4 BLE 和 S6AE10xA 能量收集电源管理集成电路 （PMIC）。

首先，让我们考虑一个没有功耗优化的简单BLE设计。BLE 无线电配置为不可连接广告模式下的信标。BLE信标是一种单向通信方法，以固定的时间间隔进行广播。它由作为通告数据包的一部分发送的小数据包（30 字节）组成。想要被发现的信标可用于各种智能手机或计算机应用程序，以触发推送消息、应用程序操作和提示等操作。

图2显示了用于广告信道的低功耗蓝牙链路层格式的分组格式。低功耗蓝牙的链路层具有“前导码”、“访问地址”、“协议数据单元（PDU）”和“循环冗余码（CRC）”。请注意，以下信息适用于广告通道数据包格式，不包括“数据通道数据包”。

“序言”必须设置“10101010b”

“访问地址”必须设置为“10001110100010011111011011010101010b（0x8E89BED6）”

“PDU”具有“标头”和“有效负载”

BLE信标的数据包结构属于“有效载荷”中的“广告数据”。

［图2 |用于广告通道数据包格式的BLE链路层格式。

［图3|BLE 信标数据包格式］

 

表 1 显示了设置值。

为了确定BLE设计的效率，我们可以使用电压和电流波形计算平均消耗电流。图4显示了非功率优化设计的能量结果。

［图4|BLE设计的电流消耗，无需功率优化］

平均电流约为5 mA，启动到等待的总消耗能量为34.76 mJ。要使用环境能源进行操作，我们需要降低消耗电流。

针对低功耗优化固件

我们可以通过优化以下四个功能来降低BLE设计的平均电流消耗：

低功耗启动

深度睡眠

国际海事组织时钟设置

调试选择

为此，我们需要利用看门狗计时器 （WDT） 在系统处于低功耗模式时唤醒系统。

低功耗启动

上电复位 （POR） 后，BLE 系统通过调用各个组件各自的启动函数来初始化它们。在初始化低功耗操作时执行以下步骤：

在 32.768 kHz 手表晶体振荡器 （WCO） 启动时关闭 24MHz 外部晶体振荡器 （ECO） 以降低功耗。

使 WDT 能够在 500 毫秒（WCO 启动时间）后唤醒系统。

将 MCU 配置为深度睡眠模式，以获得 500 ms 的 WCO 启动时间。

启用 WCO 后，重新启动 ECO 以启用 BLE 子系统 （BLESS） 接口。

将 WCO 设置为低功耗模式，并将低频时钟 （LFCLK） 源从 32-kHz 内部低速振荡器 （ILO） 更改为 WCO。

启用 WDT 以唤醒系统。

将 MCU 配置为深度睡眠模式。

［图5|低功耗启动波形］

深度睡眠

用户设计应管理系统时钟、系统电源模式和 BLESS 电源模式，以便在支持 BLE 的 MCU 中实现低功耗操作。

建议执行以下步骤在 BLE 间隔之间实现深度睡眠：

关闭 ECO 以降低功耗。

使 WDT 在 1.5 秒（BLE 事件间隔）后唤醒系统。

将 MCU 配置为深度睡眠模式。

1.5 秒后，重新启动 ECO 以启用 BLESS 接口。

传输 BLE 广告数据。

从步骤 1 开始重复。

［图6|深度睡眠波形］

国际海事组织时钟设置

3MHz 至 48MHz 内部主振荡器 （IMO） 是内部时钟的主要来源。IMO 默认频率为 48 MHz，可在 3 MHz 至 48 MHz 之间以 1 MHz 的步长进行调整。在此示例中，使用默认校准设置的 RDK 的 IMO 容差为 ±2%。图7显示了通过改变IMO频率来表示总能量的示例。

［图7|国际海事组织直流电规格和示例总能量］

调试选择

串行线调试 （SWD） 引脚用于开发阶段的运行时固件调试。配置 SWD 引脚以进行调试会增加电流消耗。因此，在生产版本中，它们应切换到通用输入/输出 （GPIO） 模式。这使得它们仍可用于片上复位器件编程。

为了确认我们对设计进行了多少优化，请使用电压和电流波形计算优化的BLE设计的平均消耗电流。图8显示了功率优化设计的能量结果。

［图8|具有功率优化功能的BLE设计的电流消耗］

平均电流约为1.5 μA，启动到等待的总消耗能量为0.106 mJ。

使用能量收集进行操作

现在我们需要确认该系统可以在平均电流和总能耗水平下使用能量收集技术运行。图9显示了能量收集系统的框图。该系统采用 S6AE10xA 能量收集 （EH） PMIC 系列，可使用尚尔基特-E04 S6AE102A 和 S6AE103A EVK 与 CY8CKIT-042-BLE 先锋套件配合使用，运行一整天。

 

［图9|能量收集系统框图］

图10中的框图显示了采用PSoC 4 BLE的简单能量收集操作，S6AE102A和S6AE103A板支持该操作。

Wave1 突出显示了使用太阳能的 BLE 操作，而 Wave2 显示了传输时的 BLE 电流消耗。PMIC首先将太阳能存储在VSTORE1（VST1）上的存储设备中，VSTORE1是一个300μF的陶瓷电容器。当 VST1 达到 V 时断续器，能量被发送到 MCU 进行 BLE 操作。

［图10 |简单的能量收集］

然而，这种简单的能量收集在没有备用电容器的情况下不能运行一整天（即，在没有光的时期）。

图 11 中的框图和波形说明了混合存储-控制功能。操作系统所需的能量存储在 VST1 中，剩余能量用于为 VSTORE2 （VST2） 充电。VST2 中的能量即使在没有环境光的情况下也能持续供应给系统。

［图11|混合存储控制功能］

图12显示了详细说明将能量存储到VSTORE2中的电荷曲线的波形。S6AE10xA 将能量存储到虚拟商店1（小型电容器）和虚拟商店 2（大型电容器）。能量存储在 VSTORE1 中以操作系统，任何剩余能量都用于为 VSTORE2 （VST2） 上的子存储设备充电。VSTORE2中的能量持续供应给系统，因此即使没有环境光，系统也可以继续运行一段时间。

［图12 |说明剩余能量存储的波形］

图13中的框图显示了混合电源输入控制。Wave1 显示了 PMIC 如何控制两个电源（太阳能和电池）。PMIC将两个电源转换为在各种条件下运行系统。环境光源通常是恒定的，但某些位置不会有恒定的光线。PMIC可以自动转换两个电源，并在没有环境光的情况下继续提供能量。

［图13|混合动力输入控制］

S6AE10xA根据VSTORE1的电压等级自动更换电源。如果 VSOTRE1 电压达到 VVOUTL，则从 VBAT 电源提供能量，以便在没有环境光的情况下提供能量。

以下是有关如何解决不同操作配置文件的示例。

［图14|需要运行一整天的微型太阳能无线传感器］

［图15 |具有突然/频繁操作的太阳能门传感器］

［图16 |太阳能无源红外传感器］

审核编辑：郭婷