能量收集和低功耗蓝牙®：设计无电池信标

常开、零维护数据发射器概览

智能手机给我们的日常生活带来了重大改变， 是我们随时获取健康、环境甚至购物相关信息的重要手段。 遗憾的是，现如今，在大多数情况下，用户在需要数据时必须采取一定的操作。 这样做效率低下，因为用户可能不知道如何搜索信息（例如商店里某种产品的标价）。

解决这个问题的办法是开发一个系统，使得智能手机可以使用特定情形的数据，从而为用户提供所需的信息。 这些数据可能来自一个传感器，也可以是与某一对象或位置关联的唯一识别符。 信标因此应运而生。

在无线术语中，信标是一种器件，广播可被邻近其他设备接收的数据。 理想情况下，广播数据可以在无用户干预的情况下被收到，实现无缝传输。 低功耗蓝牙^® 具备这种功能，因此成为信标通信的普遍选择。

低功耗蓝牙 (BLE) 适合需要在较小半径（通常小于 10 米）范围内传输数据的应用，被广泛用于低功耗无线通信。 以无线传感器节点 (WSN) 为例， 数据可由 WSN 收集并发送给智能手机。 图 1 显示这类传感器节点的典型应用流程：

图 1：BLE 传感器器件的典型流程图。

信标和传感器需要从某个来源供电，以让其能够持续工作，同时仍要保持整个器件的尺寸和外形。 由有线来源供电的可行性很小，因为它们要么被人随身携带，要么放在较远的位置。 因此，要求有线来源供电的方案通常都行不通。 采取电池供电的方法则会引入一些问题，例如工作寿命有限，需要频繁对电池充电，最终弃置电池会对环境造成不利影响。

如果我们真的需要信标不需任何类型维护，则需要利用周围环境中的闲置能源，例如光、运动、压力或热量。 这将实现一种“装后即忘”的方法，信标和传感器可在器件的使用寿命期间持续获得供电。

能量收集

能量收集是一种从周围环境收集闲置微能量并存储起来的方法。 存储足够能量后，传感器可执行多种任务，例如收集数据并通过 BLE 传输给其他器件。

图 2：能量收集 WSN 器件框图。

能量收集系统 (EHS) 是一个电路，包括能量收集器件 (EHD)、能量收集电源管理集成电路 (PMIC) 和能量存储器件 (ESD)。 PMIC 使用太阳能电池、振动传感器或压电器件等 EHD 提供的能量，对能量存储器件（通常为电容器）进行“涓流”充电。 然后，EHS 会使用这些存储的电荷向其它嵌入式器件提供能量。 根据传感器的状态，EHS 输出功率会有所不同。 当处于有源状态时，能量会被消耗，EHS 的电压也开始下降。 处于低功耗状态时，EHS 的电压会上升，因为能量存储器件的充电速度比耗电速度快。 图 3 中的示例显示了 EHS 输出电压在一段时间内随嵌入式器件活动而变化。

图 3：EH 输出在一段时间内因器件活动而发生的变化。

对于由 EHS 供电的器件，有源状态期间消耗的能量不能超过 EHS 中可用的能量。 图 4 显示 EHS 供电的系统，其中，有源状态期间的能耗大于 EHS 可提供的能量。 EHS 的输出电压因能量被消耗而缓慢下降，最终完全关闭输出。

图 4：WSN 因电量不足而关断。

为设计出通过能量收集供电的强大系统，需要对嵌入式系统的每个方面进行能量优化，使其能够在 EHS 供电时无缝工作。 此类系统中有许多高耗电的子系统，需要优化以确保不会拉低 EH 的输出。 优化功耗时针对的某些关键领域包括：

1.CPU 时钟频率

系统时钟频率决定处理特定例程的速度以及这段时间内的能耗。 时钟较快意味着处理速度更快，但电流消耗也更高。 此外，每个器件还有一定的最低和最高时钟频率要求，不得违反这些要求。

对于基于 EHS 的设计，必须选择在以下两个方面经过优化的时钟频率：

• 平均电流消耗
• 峰值电流消耗

EHS 容量必须同时考虑这两个因素。 平均电流是特定有源状态期间所需的电流时间平均值。 峰值电流则是有源状态要求的瞬态最大电流，通常比平均电流高得多。 所需的平均电流可能在 EHS 的容量范围内，但峰值电流会造成 EHS 发生突然的能量损耗，从而使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。

图 5 为在 48 MHz 系统频率下处理特定程序的功耗与时间图，图 6 为在 12 MHz 下处理相同程序的功耗与时间图。

图 5：在 48 MHz 下处理例程的电流消耗。

图 6：在 12 MHz 下处理例程的电流消耗。

此示例中，在 48 MHz 下处理例程大约耗时 300 μs，此间消耗的峰值电流大约为 10 mA。 在 12 MHz 下处理例程耗时 1.1 ms，但消耗的峰值电流仅为 4 mA。 与在 12 MHz 下相比，此过程中消耗的平均电流更大，但峰值电流要求更低。 根据 EHS 容量，用户可选择短暂的 48 MHz 时钟设置、较长的 12 MHz 时钟设置，或者将两者混合，此时时钟频率从一个过程到另一个过程切换。 选择优化的系统频率时，应考虑这种电流分布。

2.低功耗器件启动

当嵌入式器件通电后，必须先完成启动程序，然后才可执行应用代码。 典型的启动顺序包括：

1. 初始化存储器
2. 设置中断矢量
3. 配置外设和公用寄存器
4. 初始化外部时钟（如果有）

这些步骤中的每一个都会花费 CPU 处理时间，因此会消耗能量。 具体能耗取决于所用器件的类型、系统时钟频率、初始化的存储器/寄存器组的大小以及设置外部时钟所花的时间。 因此，启动过程是高能耗的活动，应进行优化，使其不会从 EH 输出消耗过多的能量。 编写启动代码时应记住以下因素：

1. 仅初始化将用到的存储器和寄存器部分。 将其它部分保留为默认值

大多数无线系统需要高精度的外部时钟。 外部时钟振荡器或手表晶体振荡器等时钟启动后需要很长的稳定时间。 应将系统置于低功耗模式（休眠/深度休眠）并仅在时钟准备好供使用时将其唤醒，而不是在有源模式下等待时钟稳定。 可使用内部定时器达成此目的。

3.低功耗系统启动

在器件开始执行应用代码后，通常需要启动系统中的个别外设。 这些外设可能是器件内部的元件（例如 ADC），也可能是外部元件（例如传感器）。 单个外设的启动时间可能不会很长，但整体的设置时间加总却可能需要很长的处理时间，足以耗尽 EHS 中存储的能量。 首先，根据给定的 CPU 频率计算单个外设的启动时间。 然后确定同时启动所有外设（较快）的能量预算是否可行或者启动程序是否需要分阶段执行（较慢）。

4.分阶段的应用处理

该器件将具有各种需要其自身 CPU 带宽的应用例程。 这些例程包括配置外设、从传感器接收数据、执行计算以及管理事件和中断等任务。 确保此处理所需的能量不超出 EHS 容量。 如果是这样，将例程分解成较小的子例程，并分阶段管理它们。 这可将 EHS 上的负载分解成可管理的电流脉冲，能够让 EHS 在活动的 CPU 进程间隙时间充电。

此外，在每个阶段之间，将系统置于低功耗模式下，并使用计数器或看门狗定时器提供中断以用作唤醒源。 由于系统大多数时间处于低功耗模式，因此这些模式期间的电流要求必须尽量低。 系统在这些模式下越高效，在各阶段之间充电所需的时间就越少，执行任务的速度也越快。

5.无线传输

数据在收集后必须通过 BLE 传输。 这种传输可在 BLE 连接或 BLE 广播上完成。 请注意，支持能量收集的信标限于 BLE 通告。 这是因为如果使用 BLE 连接，必须先消耗大量能量设置该连接，才可将其用于传输数据。 一般而言，无线电活动（无论是传输 [TX] 还是接收 [RX]）是无线器件中能量消耗最大的操作。 请确保 BLE 活动是作为一个独立进程执行，且只有在 EH 输出能够提供足够峰值电流时才和另一个进程结合。

使用 Cypress PMIC 和 BLE 解决方案进行高效设计

Cypress Semiconductor 的能量收集电源管理 IC (PMIC) 实现了无电池型无线传感器和网络解决方案。 通过高效的电源转换精确控制输出功率，使得它们成为信标和无线传感器节点等小型低功耗 BLE 应用的明智选择。 它们可用于无电池型解决方案，或与电池（例如锂离子电池）结合作为备用电源。 象 S6AE101A（优化了太阳能或光 EHD）这样的优化型 PMIC 的启动和静态功耗极低，支持使用小型太阳能电池来将总体外形尺寸减到最小。 如 MB39C831 之类的 EH PMIC 可从低电压启动，并能够适应使用最大功率点跟踪 (MPPT) 功能的应用的功率要求。 MPPT 通过追踪输入功率让内部 DC/DC 转换器控制输出充电，因此实现最大的功率输出。

Cypress 的能量收集 PMIC 适合多种应用。 例如，MB39C8xx 系列的 PMIC 支持基于太阳能、振动和热量的 EH 器件。 对于更复杂的系统，S6AE10xA 系列太阳能优化型 PMIC 可控制多个输出和存储器件。

无电池无线信标的另一方面就是选择 MCU。 MCU 集成为可编程系统，例如支持多种低功耗模式的片上系统 (SoC) 器件，非常适合此类应用。 举例来说，Cypress 的可编程片上系统 (PSoC) 可与多种能够连接至传感器的外设紧密集成。 特别值得一提的是，PSoC 4 BLE 包含低功耗外设以及 BLE 无线电和集成的 BLE 堆栈，帮助实现了单芯片 BLE 传感器节点的设计。 此外，由于支持超低功耗模式，系统可使用能量收集器和钮扣电池等受限电源可靠地运行。 实践证明，此类收集器以及 PSoC 对于无电池 BLE 传感器节点应用而言，是优化的设计。

要了解为能量收集应用设计高效无线系统的更多信息，请参阅低功耗蓝牙入门应用说明。 关于为能量收集优化 BLE 子系统的更多详细信息，请参阅设计低功耗应用并预估 BLE 应用的电池寿命。 此外，单击此处可获取电源管理集成电路简介。

附录

A1：EH 供电的 BLE 传感器节点中多个进程的示波器截图

此图显示了在一段时间内 EHS 输出电压相对于 CPU 处理的变化。 黄色信号是 EHS 输出电压，绿色信号是嵌入式器件的电流消耗。 绿色峰值是 CPU 有源进程期间的电流消耗。 平坦信号在器件处于低功耗模式时出现。 请注意，每次 CPU 活动时（绿色信号中的峰值），EHS 输出电压会下降，因为 CPU 消耗了能量。 还需注意，随着 EHS 对能量存储器件充电，电压在低功耗状态期间恢复。

此图显示了在不对 EHS 中的能量存储器件充电的情况下，EHS 输出电压相对于 CPU 活动的变化。 请注意，在能量耗尽后，电压会下降到截止电压以下，此时 EHS 输出将关闭。

器件启动时的电流消耗（绿色信号）：

通过能量收集供电的信标中的 BLE 传输活动：