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超低功耗技术推动免电池IoT感知

关键词:免电池IoT感知 能源预算 传感器

时间:2019-07-16 10:47:03       来源:安森美半导体

若要物联网充分发挥潜力和实现更智能的地球,需要免电池、免维护的端点。

随着更易于获得强大的分析,对传感器数据的需求也在增长;思科(Cisco) 早期预测的在2020年有500亿互联的“物”似乎不再是妄想。如此庞大数量的设备中,如果有一半单使用原电池供电,那么成本和环境负担-以及更换它们所涉及的管理挑战-可能会使物联网(IoT)难以为继。

由采集的能量供电的免电池智能传感器技术已受关注一段时间。能量采集技术的最新进展,再加上新的超低功耗集成电路(IC)、传感器和无线电技术如蓝牙低功耗技术,使能量采集现在变得更加实用、高效、实惠,且更易于以紧凑、可靠的形式实施。

满足更低的能源预算

考虑一个智能传感器用于定期捕获和传输环境数据。通过分析完成每个感知传输周期所需的能量和所需的重复间隔,可以了解无电池运行的条件。如果系统能够采集足以在所需的占空比运行的能量,可长期免电池运行。

所需能量取决于系统功率和捕获、传输数据的时间。为了最大限度地减少这些需求,蓝牙低功耗协议和类似协议如ZigBee® Green Power经优化以实现短帧持续时间和低传输功率,同时确保足够的安全性。

使用这任一协议,可在约10ms(或更短时间)内发送完整的传感器数据帧。如果传感器节点子系统可以1V、10mA可靠地执行,则可由以下公式计算所需的合适能量预算:

1V x 10 mA x 10 ms = 100 µJ /每次运行

这提出一些需要考虑的初步目标。假设感知、处理和无线电子系统可在接近1V的电压下工作,所需总能量预算为100 µJ。能量采集子系统必须捕获足够的能量,以便在需要时至少有100 µJ可用于运行电路。唯一的限制是使这能量达到目标占空比。如果占空比在1到10秒之间,增益因子对于采集器源来说相当大,但不是不可能的。例如,标准的1或2平方英寸太阳能电池以低至4%的转换能量能够解决这一挑战。

为了满足这些要求,系统设计需要从使用极低功耗传感器开始。基于最新MEMS技术的传感器可满足这些要求,通过结合先进的机械设计和高性能集成提供超低功耗。其中,Bosch的BME280环境传感器在一个低功耗的一体式器件中集成压力、温度和湿度传感器。此外,BMA400是业界首个三轴加速度计,提供真正的超低功耗工作而不牺牲性能。结合这些器件,可创建一个极低功耗的多传感器平台,并增加惯性传感,用于气候控制、过程监控、资产跟踪或入侵检测等应用。

系统级封装(SiP)集成

为解决处理和无线电子系统中的挑战,安森美半导体将一系列超低功耗技术结合用于RSL10系统级封装 (RSL 10 SIP)。RSL10 SIP含无线电系统单芯片(SoC)、集成的天线、集成的电源管理和所需的所有无源器件。

RSL10 SIP功耗极低,深睡眠模式为62.5nW,接收模式为7mW,支持低至1.1V电源电压,并具有集成的Flash和RAM功能。同时,它支持空中固件(FOTA)升级,带内存保护,并通过了全球监管标准认证,包括获CE和美国FCC认证。

现在,结合RSL10 SIP、超低功耗BME280传感器、BMA400传感器及安森美半导体的NCT203数字温度计和警报器,成就了RSL10太阳能电池多传感器平台(图1)。

该可立即使用的免电池传感器节点连接到集线器如网关或使用蓝牙低功耗的智能手机,并配有源代码、电路图和Gerber文件以支持自定义。

图1. RSL10太阳能电池多传感器平台已准备好连接太阳能电池板,并通过蓝牙低功耗传输传感器数据。

RSL10太阳能电池多传感器平台能量采集

用于RSL10多传感器平台的超低功率技术组合可在少于10ms内捕获和传输环境及惯性数据,平均消耗约10mA的电流。为使其切实可行,能量采集子系统仅需在以适当的占空比工作时提供足够的能量。

由于从周围能源如太阳能采集能量的速度通常较低,一种方法是实现与系统能量需求有关的所谓增益因子。例如,累积能量一秒钟,且传感器工作10毫秒,就会产生100倍的增益。采集10秒,且感知/传输5毫秒,会产生2000倍的增益。

向RSL10太阳能电池多传感器平台供电使其每秒进行一次10ms协议传输,能量采集增益因子约100。在传输之间连续采集10秒,增益将为1000。基于这些数字,太阳能采集器需要提供10mA/100=100µA或10mA/1000=10µA的电流源,分别以1秒或10秒间隔发送。此信息有助于选择合适的太阳能模块来为RSL10太阳能电池多传感器平台供电。然后,可以使用设置在板上的双端口连接器来连接。

Ribes Tech FlexRB-25-7030太阳能模块几乎完全满足要求,在200勒克斯(lux) 下提供16µA或1000lux 下提供80µA,这足以执行10毫秒的数据传输,最大速率约每秒一次(图2)。200 lux是北欧冬季午后多云的天气下典型的室内自然光强度。明亮的阳光、额外的人造光源,或在户外或在窗户边,光照可增加几百lux。

图2.  采用一个商用太阳能电池板演示RSL10太阳能电池多传感器,该太阳能电池板能在200 lux下提供16 µA。

采集的环境能量通常存储在电容器或可充电电池中,这取决于应用需求。电容器能量密度较低,在给定的体积内储存的能量比电池少(图3)。因此,当没有所需的环境光时,在必须长时间保持活跃的太阳能供电应用中,二次电池可能是首选。

图3.  对比储能电池和电容技术

任何储能选择还应考虑控制充放电的布局。电池需要防止过度充电和过度放电,这可能需要一个开关调节器,并引入额外的IC和外部器件。另一方面,具有适当额定电压的电容器不需要充电电路或保护器件。但在每种情况下,都需要输出稳压。

RSL10传感器平台具有低高度、47µF存储电容器,并且使用安森美半导体的简单的低压降线性稳压器(LDO)NCP170调节电压,具有超低静态电流,有助于最大限度地减少采集的宝贵能量的泄漏。此外,板载器件可选低的最小输入电压或宽的电源电压范围,以支持简单的调节机制。

存储电容器可部署在环境照明强烈且预期不会长时间黑暗处。在这种情境下,可连续运行。该模块预闪存紧密相联的信标固件,以广播传感器数据和系统状态数据如电容器电压电平,利用蓝牙5的信标模式。此固件与iOS®或Android™BLE Scanner应用程序兼容。

总结

典型的嵌入式系统功率需求与采集系统所提供的能量之间的差距正在缩小。采集技术现在捕获环境能量更高效,这得益于不断开发超低功耗的半导体技术和高效的无线传输协议如蓝牙低功耗,使真正免电池的IoT端点切实可行。一站式的RSL10太阳能电池多传感器平台显示,免电池传感器现已准备好用于广泛的IoT部署。

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