无电池式低功耗蓝牙Beacon：采用能量采集技术的BLE

低功耗蓝牙(BLE)被广泛运用于那些需要采集数据并将它们传送至指定目的地的低功耗无线通信应用。在这些应用中，各类传感器需要由某种形式的能源供电，以采集数据，并通过BLE发送。使用有线电源为这些传感器供电一般不具可行性，例如有时候有些传感器是位于人体上的。电池供电型传感器受电池寿命的限制，需要频繁充电。如果某位工程师真正需要设计一款安装后就无需打理的BLE传感器应用，该系统就需要利用光、运动、压力或热量等周围环境中未被利用的能量。

这就是能量采集技术的用武之地。能量采集是一种从外部能源采集能量并用它为嵌入式设备供电的新方法。但是，在能够可靠地运用基于能量采集技术的BLE传感器节点之前，我们需要克服一些挑战，尤其是在低功耗系统设计中。本文将阐述其中的某些挑战以及应对方法。

正文:

智能手机等设备给我们的日常生活带来了许多重要改变。我们通过手机来获取能够直接实时地影响我们的生活、与我们的健康、环境甚至购物方式相关的信息。然而，大多数信息必需被"拉"出来，即通过一条与另一个设备的连接获取它们，或者通过搜索网络获取它们。这些方法要求用户在需要数据时发起一个操作。但是用户有时甚至不知道要找什么或到何处去找，比如说当他们寻找店内某款产品的售价时。

解决办法就是拥有一个能够向用户实时"推送"消息的系统。由于智能手机是向用户推送信息的最佳途径，该系统应能便捷有效地向其发送信息。这就是Beacon的用武之地。

在无线技术中， Beacon是一个广播消息的系统，目的是让附近的设备接收到这些消息。Beacon能够轻而易举地向用户设备传送数据，而且无需用户操作。智能手机等现有设备支持可用于实现Beacon功能的各种方法。为了确保Beacon得到广泛运用，其中包括得到主流设备的支持、互操作性、较低的安装成本和低功耗运行，BLE 将成为Beacon通信的不二选择。

低功耗蓝牙(BLE)被广泛运用于那些需要在较小范围传送数据的低功耗无线通信应用。无线传感器节点(WSN)就是一个例子。数据被从传感器读出，通常被发送到一部智能手机。这些传感器节点中的典型应用流程如下图所示：

图1 BLE传感器设备中的典型流程

这些Beacon/传感器需要由某种能源供电，以保证能够连续运行和维持整体设备的尺寸。使用无线电源为这些传感器供电一般不具可行性，因为这些传感器要么是位于人体上，要么位于远端，因此使用线缆供电的设计行不通。电池供电型传感器存在电池寿命有限、需要频繁充电、处理时破坏环境等问题。

如果我们真的想要无需任何维护的Beacon，我们就需要利用光、运动、压力或热量等周围环境中未被利用的能量。这能够实现"安装后即无需打理"，使Beacon在其整个生命周期内都能得到供电。

这就是能量采集技术的用武之地。能量采集是指从周围环境采集未被利用的能量并进行存储。所存储的能量用于为WSN设备供电，采集传感器数据，并通过BLE传输数据。

图2 基于能量采集技术的WSN设备的框图

能量采集系统(EHS)是一个电路，其中包括一个能量采集器件(EHD)，一个能量采集PMIC和一个储能器件。 EH PMIC使用EHD(如太阳能电池、振动传感器和压电器件)提供的能量对储能器件(通常是一个电容器)进行"涓流"充电。EHS然后使用所存储的电荷向另一个嵌入式设备提供能量。EHS的输出功率随WSN的状态变化而改变。当WSN处于活动状态时，能量被消耗，EHS的输出电压开始下降。当其处于低功耗状态时，由于储能器件得到充电，EHS的输出电压开始升高。下图显示了EHS的输出电压随嵌入式设备的状态变化而改变的过程。

图3 EH的输出电压随设备状态变化而改变

对于EHS供电型设备，活动状态下所消耗的能量不应超过EHS中的可用能量。图4显示了一个EHS供电型系统，其活动状态下的能耗超过了EHS所能提供的能量。EHS的输出电压逐渐下降，直到完全停止输出。

图4 WSN因电能不足关机

这意味着嵌入式系统的方方面面都应得到能量优化，这样它才能在EHS的供电下无缝运行。此类系统中有很多子系统，而它们可能非常耗电，需要得到优化才能确保它们不会拉低EH的输出电压。功耗优化的关键领域包括：

1) CPU的时钟频率：

系统时钟频率决定了例行程序的处理速度以及期间所消耗的能量。时钟越快意味着处理速度越快，但电流消耗也越高。此外，每个设备都有最低和最高时钟频率要求，不能超出该要求。

对于基于EHS的设计，可以根据以下两个因素选择一个优化型时钟频率：

a) 平均电流消耗

b) 峰值电流消耗

EHS的容量必需兼顾这两个因素。平均电流是活动状态下所需的时间平均电流，而峰值电流是活动状态下的瞬时最大电流要求，通常高于平均电流。有可能发生以下情况：所需的平均电流在EHS的容量之内，但峰值电流将导致EHS突然耗尽能量，从而导致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。

下图显示了某个例行程序在两个不同频率下(第一个是48 MHz，第二个是12 MH)的功耗-时间图。