怎么开发微型太阳能无线传感器节点

　　无线传感器节点可经过减缩传感器尺度、简化保护问题和延伸电池续航时刻而下降施行本钱。事实上，假如把要点会集在无电池的规划上，将能完成更大的本钱效益。

　　规划无电池设备的最好办法是经过用于通讯和能量收集的低功耗蓝牙(BLE)等技能来下降无线传感器体系的均匀功耗。

　　图1为微型无线传感器的架构图。该传感器运用具有集成BLE射频的微操控器(MCU)而创立，可以彻底运用能量收集电源办理集成电路(IC)所供给的电源运转。

　　[图1 | 微型无线传感器运用具有集成BLE射频的微操控器(MCU)而创立，经优化后仅用能量收集电源办理IC所供给的电源运转。图中为完好的无线传感器 — CYALKIT-E02太阳能供电BLE传感器参阅规划套件(RDK)。]

　　BLE的优化

　　为了做到只用能量收集IC所供给的电源运转，传感器有必要优化其BLE体系以下降功耗。首要，规划人员有必要了解BLE子体系的概况。接下来，需求编写固件代码以满意每种运转/功率形式的要求。然后，规划人员有必要剖析实践功耗以承认各种假设来进一步提高体系的能效。

　　下降功耗技能的阐明可参阅赛普拉斯(Cypress) CYALKIT-E02太阳能供电BLE传感器参阅规划套件(RDK)。该RDK包括一个Cypress PSoC 4 BLE与S6AE10xA能量收集电源办理IC(PMIC)。

　　简略、无功率优化的BLE规划要首要把BLE射频装备为处于不行衔接播送形式的信标。BLE信标是每隔必定时刻向外进行播送的单向通讯办法。它包括一些较小的数据包(30字节)，而这些数据包构成一个播送数据包发送出去。想信标被发现可在各类智能手机或核算机运用中推送音讯、app操作及提示。

　　图2显现了播送通道数据包格局的BLE链路层格局。BLE链路层具有“Preamble”(前导码)、“Access Address”(接入地址)、“Protocol Data Unit(PDU)”(协议数据单元)和“Cyclic Redundancy Code(CRC)”(循环冗余码)。请注意，以下信息仅适用于播送通道数据包格局，不含“数据通道数据包”。

　　Preamble”有必要设置为“10101010b”

　　Access Address”有必要设置为“10001110100010011011111011010110b(0x8E89BED6)”

　　PDU”包括“报头”和“净载荷”

　　BLE信标的数据包结构归于“净载荷”中的“播送数据”。

　　[图2 | 播送通道数据包格局的BLE链路层格局]

　　[图3 | BLE信标数据包格局]

　　表1列出了设置值。

　　表1：

　　− Length1 0x02

　　− AD type1 0x01

　　− AD data 0x04

　　− Length2 0x1A

　　− AD type2 0xFF

　　− Company ID 0x0131 [Cypress Semiconductor Corporation]

　　− Device type 0x02

　　− Length3 0x15

　　− UUID1 00050001-0000-1000-8000-00805F9B0131 [hex]

　　− Major2 Your own ID

　　− Minor3 0x0001

　　− RSSI4 0xC3 [-61dBm]

　　− Transmitter power 0 dBm

　　− Advertise interval 1500 ms

　　1这是一个16字节字符串，用于区别一大组相关信标。

　　2这是一个2字节字符串，用于区别较大分组中的小组信标。

　　3这是一个2字节字符串，用于标识各个信标。

　　4接纳信号强度指示。用于承认信标的远近。

　　可以运用电压和电流波形核算均匀耗费电流以承认BLE规划的高效。图4显现了无功率优化规划的功耗成果。

　　[图4 | 无功率优化的BLE规划的电流耗费]

　　均匀电流约为5 mA，从发动到待机的总功耗为34.76 mJ。为了做到运用环境能量运转，咱们需求下降耗费电流。

　　经过优化固件完成低功耗

　　经过优化以下4个功用以下降BLE规划的均匀电流耗费：

　　1.低功率发动

　　2.深度睡觉

　　3.IMO时钟设置

　　4.调试挑选

　　当体系处于低功耗形式时，则需求运用看门狗定时器(WDT)来唤醒体系。

　　低功率发动

　　通电复位(POR)后，BLE体系经过调用不同组件的发动功用对这些组件进行初始化。初始化时经过履行以下进程完成低功耗运转：

　　1.在32.768-kHz watch晶体振荡器(WCO)发动时，封闭24-MHz外部晶体振荡器(ECO)以下降功耗。

　　2.500 ms后(WCO发动时刻)，启用WDT以唤醒体系。

　　3.将MCU装备成在500 ms WCO发动时刻内处于深度睡觉形式。

　　4.WCO启用后，重启ECO以启用BLE子体系(BLESS)接口。

　　5.把WCO置于低功耗形式，并将低频时钟(LFCLK)源从32‐kHz内部低速振荡器(ILO)改为WCO。

　　6.启用WDT以唤醒体系。

　　7.将MCU置于深度睡觉形式。

　　[图5 | 低功耗发动波形]

　　深度睡觉

　　用户规划应办理体系时钟、体系功率形式和BLESS功率形式，以完成BLE MCU的低功耗运转。

　　在BLE事件间隔期间，主张经过履行以下进程完成深度睡觉：

　　1.封闭ECO以下降功耗。

　　2.1.5s后(BLE事件间隔)，启用WDT以唤醒体系。

　　3.将MCU置于深度睡觉形式。

　　4.1.5s后，重启ECO以启用BLE子体系(BLESS)接口。

　　5.发送BLE播送数据。

　　6.从进程1开端重复。

　　[图6 | 深度睡觉波形]

　　IMO时钟设置

　　3-MHz到48-MHz内部主振荡器(IMO)是首要的内部时钟源。IMO的默许频率是48 MHz，可在3 MHz到48 MHz范围内以1 MHz的步长调理。在默许的校准设置下，IMO与本例中RDK的公役为±2%。图7显现了改动IMO频率后的总功耗示例。

　　[图7 | IMO DC标准和示例总功耗]

　　调试挑选

　　串行线调试(SWD)引脚用于开发阶段的运转时固件调试。将SWD引脚装备为调试形式会添加电流耗费。因而，这些引脚应在终究版别时切换到通用输入输出(GPIO)形式，让它们在芯片复位时仍可用于设备编程。

　　咱们可以运用电压和电流波形核算BLE规划的均匀耗费电流，以承认规划上的优化程度。图8显现了功率优化规划的功耗成果。

　　[图8 | 功率优化的BLE规划的电流耗费]

　　均匀电流约为1.5 µA，从发动到待机的总功耗为0.106 mJ。

　　选用能量收集技能运转

　　在这均匀电流和总功耗水平上，需求承认体系可以选用能量收集技能运转。图9显现了能量收集体系的框图。该体系选用了S6AE10xA Energy Harvesting(EH)PMIC系列，可运用CYALKIT-E04 S6AE102A和S6AE103A EVK 以及CY8CKIT-042-BLE BLE Pioneer Kit运转一整天。

　　[图9 | 能量收集体系框图]

　　图10中的框图显现了依据S6AE102A和S6AE103APSoC电路板的PSoC 4 BLE的能量收集进程。

　　Wave1显现了依据太阳能的BLE运转，Wave2显现了发送时的BLE电流耗费。PMIC首要将太阳能存储到VSTORE1(VST1)上的一个300-μF陶瓷电容器上， 。当VST1到达VVOUTH时，能量被发送到MCU用于BLE运转。

　　[图10 | 简略的能量收集]

　　可是，这种简略的能量收集进程，在没有备用电容器的状况下(例如，没有光线的期间)不能持续运转一整天。

　　图11中的框图和波形显现了混合储能操控功用。用于运转体系的能量存储在VST1中，其他能量用于对VSTORE2(VST2)进行充电。当没有环境光线时，VST2中能持续为体系供给能量。

　　[图11 | 混合储能操控功用]

　　图12中的波形显现将能量存储到VSTORE2时的充电曲线。S6AE10xA将能量存储到VSTORE1(小电容器)和VSTORE2(大%&&&&&%器)中。存储在VSTORE1中的能量用于体系运转，其他能量用于VSTORE2(VST2)的子储能器材充电。VSTORE2中持续为体系供给能量，因而，即便在没有环境光线的状况下，体系也能持续运转一段时刻。

　　[图12 | 存储剩余能量的波形]

　　图13中的框图显现了混合电源输入操控形式。Wave1显现的是PMIC怎么操控两个电源(太阳能和电池)。PMIC经过转化这两个电源在不同场景下驱动体系。环境光线通常是持续的，但某些当地或许没有持续的光线。PM%&&&&&%可以主动转化这两个电源，在没有光线的状况下持续供电。

　　[图13 | 混合电源输入操控]

　　S6AE10xA依据VSTORE1的电压主动替换电源。假如VSOTRE1的电压到达VVOUTL，将从VBAT电源供电，以便在无环境光线的状况持续供电。

　　以下是是怎么完成不同运用的比如。

　　[图14 | 需求运转一整天的细巧的太阳能无线传感器]

　　[图15 | 需求短时/频频操作的细巧的太阳能门传感器]

　　[图16 | 太阳能无源红外传感器]