尽管能量搜集并不是一个全新概念，可是RF和微控制器(MCU)器材在性能与能耗方面获得的最新进展，意味着构建一个选用能量搜集型运用，例如传感器节点，现在变得愈加简略。此外，关于相同的能量搜集而言，新构建的运用可以比之前运用供给更强的才能。因而，在越来越多的运用中，能量搜集为传感器节点供电正在成为切实可行的解决计划，本地化处理搜集的数据，然后回传到一个集中器。
能量搜集型体系构成
咱们来考虑一个嵌入式能量搜集型体系，如图1所示。其间某些组成部分，例如能量搜集器，在任何能量搜集型规划中都是必要的。
图1：能量搜集型传感器节点。
从哪里可以获取传感器供电所需能量呢?从光、热、振荡仍是RF?表1中汇总了可搜集潜在能量的常见能量来历。本例中，假定咱们正在运用太阳能搜集器。除了能量搜集源之外，运用中也需求某种办法的能量存储设备，最常见是%&&&&&%组，或许小型可充电电池。(储能设备是有必要的，由于搜集器要继续接二连三的搜集能量，而运用自身或许仅会在极短的时刻内处于活动形式，而在大部分时刻中处于休眠形式。)
表1：能量搜集源。
除了这些运用组成部分之外，开发人员还要挑选元器材进行相关规划，能运用这些搜集到的动力并到达预期成果。这里有一些要害要素要考虑。所挑选的元器材有必要待机电流极低;在作业形式时功耗极低;且可以在活动形式和待机形式之间快速切换(由于器材从待机形式转换到作业形式所需的时刻越长，糟蹋的能量越多)。
添加RF衔接
RF元器材选型时，要害要素是要挑选一个适宜的通信协议，协议要可以供给满意带宽以传输所需数据，一起能耗要尽或许低。ZigBee和蓝牙都是低能耗和电池供电型运用的杰出挑选，可是更轻量级的无线衔接技能或许才是能量搜集的最佳挑选。
简略、专用的sub-GHz解决计划十分适宜能量搜集型运用的需求。咱们假定该规划中由于进行了本地信号处理，而只是需求进行少数数据传输(在后面的比如中咱们将会评论很多数据传输时的状况)，那么RF元器材在大部分时刻里将处于待机形式，仅在需求传输少数预处理数据时才被唤醒。因而，要考虑的两个重要参数是待机形式能耗和传输形式能耗。
依据以上这些原因，高能效的sub-GHz收发器，例如Silicon Labs 公司的Si4464，会是更好的挑选。Si4464的待机形式电流仅50nA，在非收发形式下可以最大极限的削减能量耗费，而且从待机形式切换到运转形式时，唤醒时刻仅需求450?s。这种等级的无线能效使得开发人员可以在获取和办理数据的运用中，完结 RF元器材的能耗最小化。
挑选适宜的MCU
接下来评论MCU，传感器节点将供给本地化数据处理，下降全体RF网络的数据传输流量。关于这种完结的一个抱负候选者是内建ARM Cortex-M4内核的MCU，它具有很多专用的DSP功用，与没有DSP才能的MCU比较，可以在更少的时钟周期内完结信号处理。图2显现了依据Cortex-M3内核的MCU和依据Cortex-M4内核的MCU在履行相同例程完结512点快速傅里叶变换(FFT)时所耗费的时刻(在两种状况下，CPU时钟速率是相同的)。如图所示，Cortex-M4内核的处理时刻远低于Cortex-M3内核的处理时刻。因而，当运用依据DSP的Cortex-M4内核时，能效更高。
图2：在Cortex-M3内核和Cortex-M4内核上完结512点FFT。
为了体会带有DSP功用的内核所供给的好处，可以考虑在能量搜集型运用中运用Silicon Labs公司的EFM32 Wonder Gecko MCU。可是，内核并不是获取最佳能效的仅有要素。还需求考虑其他方面，例如信号搜集所需的能耗(以及所运用的技能)、MCU外设之间的交互，使得MCU可以在更长的时刻内保持在低能耗形式。
高能效的信号搜集
考虑到信号搜集使命，最佳化能效可以经过多种办法完结。假定要获取的是模拟信号，就可以选用模数转换器(ADC)或许专用接口完结信号搜集。
咱们先从ADC开端，有几种办法可用于数据搜集。图3中图形化显现了这些进程。首要最常用的做法是，运用计时器触发ADC采样，并将所获取的采样数据传输到DMA，在1Ksps采样速率下，能耗为165?A。尽管这很好地运用了外设的互动性，但没有运用MCU的任何特别功用。
图3：EFM32 MCU上的低功耗ADC作业原理。
第二种办法在相同采样速率下改进了能耗。其办法是在待机状况时让MCU进入能耗形式2(EM2)，一直到被中止唤醒停止(中止可来自多种触发源，包含EM2下的可用定时器)。EM2的待机能耗为900nA，可是MCU只需求2?s就能康复全速运转状况。因而，超低能耗形式带来的时刻本钱，EM2切换回全速运转状况所带来的能耗，两者间到达了很好的平衡。这种状况下，相同完结1Ksps采样速率时，能耗下降到60?A，与榜首种办法比较能耗有了明显下降。此办法或许是最适宜的办法，由于许多嵌入式运用都是靠中止驱动的。可是，依据运用对特别状况的要求，还可以运用其他办法进一步下降能耗。
第三种办法(可视此办法为一个“优化循环”计划)依然选用EM2，但本次并非等候中止，而是运用等候事情(Wait for Event ，WFE)指令，该指令是Cortex-M指令集的一部分。WFE指令使MCU可以对外部或许内部事情进行呼应，相似于中止触发。可是，在这种情形下，不再是从主循环中进入中止，而是MCU直接从EM2中唤醒并开端履行下一条指令，消除了中止延迟时刻。尽管这种办法并不适宜一切运用，但选用此办法可以下降能耗，相同1Ksps采样速率时，能耗不到20?A。
为了判别选用哪种办法更适宜你的运用，做一个详细的剖析是十分必要的。为了到达所需的最小能耗，你需求评价采样率的巨细，以及MCU在各种形式下的能耗。
图4比照了别离选用上述三种办法时能耗和采样率的比照状况。图中的交叉点标明，为了完结最佳成效，可以从一种办法转向另一种办法。
图4：能耗与采样率比照图。
除了运用ADC进行信号搜集之外，特别挑选的MCU还可以运用额定的专用外设。以EFM32 Wonder Gecko MCU为例，可以挑选运用低能耗传感器接口(LESENSE)搜集信号，而且仅在需求MCU进行处理时才唤醒MCU。图5说明晰LESENSE的作业原理，此例中以模拟信号输入为例。
图5：LESENSE的运转原理。
处理这种信号的一个规范办法是轮询输入，而且不断的查看是否经过了预设的门限值。可是，这种办法功率极低。选用相似LESENSE的自治传感器接口，MCU可以保持在低能耗形式(例如ADC技能示例中用到的EM2)，只是当跨过门限值时才唤醒MCU。或许，更有用的是可以记载跨过门限值的次数，例如5次之后才唤醒MCU。这种办法是一种愈加节能的解决计划。例如，MCU被LESENSE外设唤醒时，它能知道下一步详细要做什么，可以直接办理运用的对应部分。图6显现了怎么运用比如LESENSE这样的 MCU外设为能量搜集型运用带来明显差异。
图6显现了一个选用能量存储器为MCU供给电源时的电量丈量状况。在两种运用示例中，都是以5Hz的频率经过LESENSE外设搜集信号。在榜首个比如中，每次信号搜集后都会唤醒MCU，可以看出，能量存储器的能量在很时刻短的时刻内就被耗尽了，然后MCU进入到复位状况。在第二个比如中，LESENSE外设装备成为每五次信号搜集后才唤醒MCU。在这两个示例中，搜集和传输到MCU的数据量都是相同的，但第二个比如中的MCU并没有进入复位状况，运用仍旧保持正常运转状况。因而，经过智能的运用MCU资源，可以获得愈加节能的解决计划。
图6：运用LESENSE完结节能。
尽管咱们从现有的能量源中为嵌入式运用搜集到的能量没有明显的添加，但近些年来，要害体系元器材(例如MCU和RF IC)对能量的需求现已明显下降。%&&&&&%元器材正在向着愈加节能的方向开展，这使得可以在更多的智能和有用嵌入式体系中选用能量搜集供电。跟着物联网商场的快速生长，规划出可以自我保持运转的传感器节点已成为必定。尽管当今商场上的RF和MCU解决计划有无限挑选，可是在由能量搜集供电的嵌入式规划中极度需求MCU和RF器材、而时刻又是个很重要要素时，很明显没有哪一种元器材可以满意一切需求。可是，在树立节能型体系方面，某些元器材确实比其他元器材更具有明显优势。
