智能环境代表了家庭主动化和楼宇主动化的未来。各种传感器、控制器和履行器散布在整个环境中，并发挥多种作用。这种散布也带来了一些技能应战。例如，每个传感器都需求有自己的电源。监督电池的低电量状况是一项规范操作。可是，替换电池需求人工辅佐。本文提出了一种低功耗能量收集传感器的完成计划。当传感器需求发送许多数据或履行接连丈量时，能量收集供电的无线传感器更为合适。选用能量收集供电的传感器可在数年内彻底免保护，而电池供电的传感器在几个月内就会耗尽电量。
现在的无线传感器完成计划形形色色。可是，此类体系的总本钱不只仅取决于硬件。施行不同行业规范的本钱也会添加总本钱。这不只包含附加的软硬件要求，还包含不甚明显的项目，如认证（例如ZigBee和Bluetooth4.0），乃至或许触及版税。
本文提出了一些简略的低功耗能量收集技能，可用于完成免保护的无线传感器。此外，本文还将展现如安在供给安定功用的一起坚持较低的总本钱，特别是在经济高效的无线网络范畴。
能量收集原理
能量收集体系的基本原理是存储能量（无论是运用镍氢电池之类的可充电电池仍是运用超级电容）供将来需求时运用。除此之外，能量收集无线传感器基本上与电池供电的传感器相同。首要的差异在于（非充电式）电池供电的无线传感器规划为运用电池作业特定一段时刻。能量收集传感器节点的优势是，能够无限收集能量供将来运用。一般状况下，它能够收集的能量十分有限（受价格和/或物理尺度约束）。因而，有必要对无线发送器和传感器自身的动力运用加以平衡，以削减对收集能量的运用。
不同的能量收集设备
现在，商场上有多种不同的能量收集设备可选。最常用的设备为太阳能电池板。它有着不同的尺度，从串联和/或并联多个太阳能电池的大型电池板，到用于手持式核算器或玩具的超小型电池。
另一种类型的设备是RF收集设备。此设备运用天线接纳无线电波，然后将其转换为电能。这是一种十分特别的能量收集设备，由于它需求高RF能量。机电能量收集设备一般在电感线圈邻近运用磁性运动部件。热电能量收集设备可经过温度梯度发生少数电能。这类热能设备依赖于塞贝克效应。
是否施行无线规范
当添加无线功用时，一些缺乏经历的用户往往只会想到施行RF行业规范，如ZigBee或Bluetooth。可是，依据实践的运用需求，施行特定规范或许是实践要求，也或许不是。一般来说，仅当终究产品有必要与商场上的现有产品兼容时，才需求施行特定规范。挑选使产品与其他产品（由其他公司出售）兼容，实践上是一个更杂乱的商业决议计划。需求权衡是否供给兼容性。此外，在一些状况下有必要供给兼容性（如用于手机的无线耳机），而别的一些状况下无法添加兼容性或许添加本钱过高（如简略的IR遥控）。
施行规范的额定本钱
许多时分，当考虑施行特定RF规范时，规划人员仅看到整体硬件本钱。这一般是考虑硬件解决计划时的首要起点。任何RF发送器（正式名称为“有意辐射体”）都需求认证。非RF发送器仍需求FCC或CE认证。可是，其认证操作相比照较简略且廉价。关于任何无线传感器来说，FCC认证都是不可防止的。因而，当比较不同的解决计划时，将不考虑这部分本钱。
依据施行的无线规范，总施行本钱或许远超开始预期的本钱。施行特定规范的本钱不只仅是软硬件本钱。一般包含组成员资历（年费）、规范合规性测验、特定装备文件测验和特定硬件嗅探东西等项目。ZigBee认证的本钱约为3000美元，而这仅仅认证自身的费用。但实践上，在请求认证之前，还需求履行一些特定的预测验并评价设备是否能经过认证。专用测验设备的租金为每月750美元。
初看之下，这些额定本钱或许不是很高。可是，屡次选用特定规范需求付出会员费用。还或许需求付出版税（每芯片）。RF规范认证本钱将一直转换为额定的本钱和延期，直到产品发布。
硬件自身的单位本钱一般在1至1.5美元（1万件）范围内。仅出产少数产品时，上述一切本钱都将影响单位总本钱。假如咱们仅考虑10，000美元的 FCC认证本钱，那么单位价格实践将翻一倍。RF规范认证的本钱（认证本钱自身、预测验和RF测验设备）能够很简略超越10，000美元。
最低硬件要求
特定的无线规范需求运用专用芯片（如IEEE 802.15.4）。可是，假如您只需求进行单向通讯，那么简略的ISM频段发送器就完美合适运用。可是，能量收集无线传感器节点还有一些最低要求。主张选用高数据速率。一般来说，数据速率越高，需求的功率就越多。但总数据包长度会小许多，因而能量耗费会下降。能够运用ASK（OOK）或FSK调制。 ASK调制（和OOK）的能量耗费较低，由于在作业的某些时期RF功率较低（OOK乃至具有彻底不耗费RF功率的时期）。ASK的总均匀电流耗费会更低。不过，FSK仍为首选，由于它能够到达更高的数据速率。例如，Microchip的具有集成发送器的PIC12LF1840T48A MCU在OOK形式下支撑10 kbps，而在FSK形式下支撑100 kbps。在这种状况下，运用FSK调制时，数据发送能够快10倍。此外，从RF接纳器的视点看，接纳器接纳和解码FSK信号的作用要比ASK调制的RF 好得多，尤其是在较高数据速率的状况下。
优化功耗
无线能量收集传感器在作业时需求尽或许削减功耗。这能够经过细心地对设备的作业周期与低功耗关断形式进行平衡来完成。依据运用自身的呼应时刻，传感器需求频频或偶然发送丈量的传感器信息。两个作业周期之间的时刻距离越长，均匀功耗越低，实践运用的能量就越少。
传感器或许还需求在两次无线电传输之间捕捉多个数据采样。依据捕捉的实践物理信息，可耗费或多或少的电流。典型示例包含运放和桥式称重传感器，它们在作业时需求相当大的电流（相关于发送RF数据时的电流耗费）。
关于实践的无线RF发送装备，需求特别留意。幅值或频率调制、信息的发送速率（比特率和/或频率误差）以及天线的RF输出功率等参数都对总功耗有很大影响。作业时刻越短，均匀功耗越低——这一经历规律在这里相同适用。体系需求经过精心规划，以消除一切不必要的功耗，例如防止LED一直点亮。处理器有必要尽或许长地处于低功耗状况。板上的一切其他器材在未运用时都有必要处于低功耗待机形式。
主张的示例
PIC12LF1840T48A器材上的RF发送器供给了最高为200 kHz的频率误差。这可完成最大为100 Kbps的比特率。假如咱们运用由一个16位前导码、一个16位同步形式和一个32位有用负载组成的小数据包，只需求640 μs即可发送一个完好的数据包。已知能量的衡量单位称为焦耳（J），而且：
1J = 1W * 1s = 1V * 1A * 1s
咱们能够运用以下公式轻松核算发送一个数据包所耗费的能量：
E = 10.5 mA * 640 μs à 10.5 mA * 3.0v * 640 μs = 31.5 mW * 640 μs = 20.16 μJ
关于咱们的PIC12LF1840T48A规划示例，咱们知道晶振起振时刻典型值为650 μs，而且晶振起振时耗费的电流约为5 mA。因而起振功耗为：
E1 = 5 mA * 3.0v * 650 μs = 9.75 μJ
咱们的示例中运用的实践数据传输包含16位前导符（101010.。。.）、16位同步形式和32位数据。假如挑选100 Kbps的比特率，则传输周期为640 μs。关于868 MHz FSK调制下的+0 dB RF传输，耗费的电流为12 mA。
E2 = 12 mA * 3v * 640 μs = 23.04 μJ
假如咱们运用简略的10 Kbps传输，那么所用能量为：
E2 = 7.5 mA * 3v * 6.40 ms = 144 μJ
这种比照仅仅为了阐明运用高数据速率的重要性。
发送最终一个数据位后，PIC12F1840T48A发送器将主动超时并康复至低功耗关断状况。此超时周期的最小值为2 ms。添加的能耗为：
E3 = 12 mA * 3v * 2 ms = 72 μJ
因而，发送一个数据包的总能耗为：
E = E1 + E2 + E3 = 9.75 μJ + 23.04 μJ + 72 μJ =104.79 μJ
不过，电流输出为4.5 μA/3V的微型太阳能电池需求作业多少秒才干取得仅够一次数据发送的能量。例如，运用可发生3V/6 mA（最佳状况为3V/40 μA）的低本钱太阳能电池，发生的功率仅为：
3v * 40 μA = 140 μW
现在咱们能够核算出收集到满足进行一次数据发送的能量所需的时刻：
T = 104.79 μJ/ 140 μW = 0.74s
这意味着，传感器单元在接连的两次数据发送之间有必要等候不到一秒的时刻。此外，还有必要留意，上述核算公式适用于太阳能电池无限具有继续光源的状况。当然，这在大多数状况下是不或许完成的，由于首要能量来历是白日才有的自然光。在这种状况下，有必要对核算进行扩展，以考虑到能量收集体系需求在白日存储能量供没有自然光的夜晚运用。此外，本示例中未核算实践传感器丈量所需的能量。
或许的完成选项
依据实践的体系要求，完成能量收集功用时有多种能量存储计划可选。其间包含：
- 将能量收集到超级电容中。
- 可充电电池。镍氢可充电电池可直接经过太阳能电池进行涓流充电。无需任何充电稳压器。别的，镍氢可充电电池的本钱十分低。
- 直接由能量收集器供电。在首要的能量来历（如光或热）接连可用而且生成的能量足认为无线传感器电路供电的状况下，无需将能量存储到独自的设备中。当然，此选项的适用性十分有限。
为什么运用能量收集
当开发低功耗无线传感器节点时，运用能量收集解决计划的首要优点不是节约无线解决计划的单位本钱，而是节约无线传感器体系的布置和保护本钱。您曾经有多少次需求在清晨1点爬梯子替换烟雾探测器的电池？监督和替换无线传感器网络电池的保护本钱大大高于设备自身的本钱，尤其是无线传感器体系安装在远端或难以触及的区域时。当需求定时保护服务时，无线体系的规划（传感器数）也会成为一个较大要素。凭借能量收集技能，咱们能够收集“免费的”能量并存储该能量以供的确需求时运用，而无需对无线体系的功耗施加明显的约束即可保证5年以上的电池寿数，这样客户便不再需求替换电池。
定论
现在能够以更具竞争力的价格点规划能量收集无线传感器节点，尤其是事务上不需求支撑某些更杂乱的无线网络规范（例如ZigBee或Wi-Fi？）时。大多数新无线传感器规划乃至不需求电池，而是能够从不同的首要能量来历（如光、无线电波、机械能和热能）收集能量。更多类型的能量收集源每天都在开发中（例如根据血糖的收集源）。
在正常状况下，低功耗能量收集无线传感器简直可无期限作业，而且从不需求任何人工干预。这会是一个巨大的优势，而且能够节约许多保护本钱，尤其是传感器坐落难以或许无法触及的方位时。经过愈加细心地挑选通讯协议和数据传输速率，并更好地使用新式RF器材（如新的 PIC12F1840T48A）上的功耗办理功用，咱们能够明显下降总功率需求，然后削减无线传感器解决计划的本钱。
