创新的低功耗能量采集传感器方案

本文提出了一种低功耗能量采集传感器的实现方案。当传感器需要发送大量数据或执行连续测量时，能量采集供电的无线传感器更为适合。采用能量采集供电的传感器可在数年内完全免维护，而电池供电的传感器在几个月内就会耗尽电量。

智能环境代表了家庭自动化和楼宇自动化的未来。各种传感器、控制器和执行器分布在整个环境中，并发挥多种作用。这种分布也带来了一些技术挑战。例如，每个传感器都需要有自己的电源。监视电池的低电量状态是一项标准操作。但是，更换电池需要人工辅助。本文提出了一种低功耗能量采集传感器的实现方案。当传感器需要发送大量数据或执行连续测量时，能量采集供电的无线传感器更为适合。采用能量采集供电的传感器可在数年内完全免维护，而电池供电的传感器在几个月内就会耗尽电量。

如今的无线传感器实现方案五花八门。但是，此类系统的总成本不仅仅取决于硬件。实施不同行业标准的成本也会增加总成本。这不仅包括附加的软硬件要求，还包括不甚明显的项目，如认证（例如ZigBee？和Bluetooth？ 4.0），甚至可能涉及版税。

本文提出了一些简单的低功耗能量采集技术，可用于实现免维护的无线传感器。此外，本文还将展示如何在提供稳固性能的同时保持较低的总成本，特别是在经济高效的无线网络领域。

能量采集原理

能量采集系统的基本原理是存储能量（无论是使用镍氢电池之类的可充电电池还是使用超级电容）供将来需要时使用。除此之外，能量采集无线传感器基本上与电池供电的传感器相同。主要的区别在于（非充电式）电池供电的无线传感器设计为使用电池工作特定一段时间。能量采集传感器节点的优势是，可以无限采集能量供将来使用。通常情况下，它能够采集的能量非常有限（受价格和/或物理尺寸限制）。因此，必须对无线发送器和传感器本身的能源使用加以平衡，以减少对采集能量的使用。

不同的能量采集设备

目前，市场上有多种不同的能量采集设备可选。最常用的设备为太阳能电池板。它有着不同的尺寸，从串联和/或并联多个太阳能电池的大型电池板，到用于手持式计算器或玩具的超小型电池。

另一种类型的设备是RF采集设备。此设备使用天线接收无线电波，然后将其转换为电能。这是一种非常特别的能量采集设备，因为它需要高RF能量。机电能量采集设备通常在电感线圈附近使用磁性运动部件。热电能量采集设备可通过温度梯度产生少量电能。这类热能设备依赖于塞贝克效应。

是否实施无线标准

当添加无线功能时，一些缺乏经验的用户往往只会想到实施RF行业标准，如ZigBee或Bluetooth.但是，根据实际的应用需求，实施特定标准可能是实际要求，也可能不是。一般来说，仅当最终产品必须与市场上的现有产品兼容时，才需要实施特定标准。选择使产品与其他产品（由其他公司销售）兼容，实际上是一个更复杂的商业决策。需要权衡是否提供兼容性。此外，在一些情况下必须提供兼容性（如用于手机的无线耳机），而另外一些情况下无法添加兼容性或者添加成本过高（如简单的IR遥控）。

实施标准的额外成本

很多时候，当考虑实施特定RF标准时，设计人员仅看到总体硬件成本。这通常是考虑硬件解决方案时的主要出发点。任何RF发送器（正式名称为"有意辐射体"）都需要认证。非RF发送器仍需要FCC或CE认证。但是，其认证操作相对比较简单且便宜。对于任何无线传感器来说，FCC认证都是不可避免的。因此，当比较不同的解决方案时，将不考虑这部分成本。

根据实施的无线标准，总实施成本可能远超最初预期的成本。实施特定标准的成本不仅仅是软硬件成本。通常包括组成员资格（年费）、标准合规性测试、特定配置文件测试和特定硬件嗅探工具等项目。ZigBee认证的成本约为3000美元，而这只是认证本身的费用。但实际上，在申请认证之前，还需要执行一些特定的预测试并评估设备是否能通过认证。专用测试设备的租金为每月750美元。

初看之下，这些额外成本可能不是很高。但是，多次采用特定标准需要支付会员费用。还可能需要支付版税（每芯片）。RF标准认证成本将始终转换为额外的成本和延期，直到产品发布。

硬件本身的单位成本通常在1至1.5美元（1万件）范围内。仅生产少量产品时，上述所有成本都将影响单位总成本。如果我们仅考虑10，000美元的FCC认证成本，那么单位价格实际将翻一倍。RF标准认证的成本（认证成本本身、预测试和RF测试设备）可以很容易超过10，000美元。

最低硬件要求

特定的无线标准需要使用专用芯片（如IEEE 802.15.4）。但是，如果您只需要进行单向通信，那么简单的ISM频段发送器就完美适合应用。但是，能量采集无线传感器节点还有一些最低要求。建议采用高数据速率。一般来说，数据速率越高，需要的功率就越多。但总数据包长度会小很多，因此能量消耗会降低。可以使用ASK（OOK）或FSK调制。ASK调制（和OOK）的能量消耗较低，因为在工作的某些时期RF功率较低（OOK甚至具有完全不消耗RF功率的时期）。ASK的总平均电流消耗会更低。不过，FSK仍为首选，因为它可以达到更高的数据速率。例如，Microchip的具有集成发送器的PIC12LF1840T48A MCU在OOK模式下支持10 kbps，而在FSK模式下支持100 kbps.在这种情况下，使用FSK调制时，数据发送可以快10倍。此外，从RF接收器的角度看，接收器接收和解码FSK信号的效果要比ASK调制的RF好得多，尤其是在较高数据速率的情况下。