创新的低功耗能量采集传感器方案

优化功耗

无线能量采集传感器在工作时需要尽可能减少功耗。这可以通过仔细地对设备的工作周期与低功耗关断模式进行平衡来实现。根据应用本身的响应时间，传感器需要频繁或偶尔发送测量的传感器信息。两个工作周期之间的时间间隔越长，平均功耗越低，实际使用的能量就越少。

传感器可能还需要在两次无线电传输之间捕捉多个数据采样。根据捕捉的实际物理信息，可消耗或多或少的电流。典型示例包括运放和桥式称重传感器，它们在工作时需要相当大的电流（相对于发送RF数据时的电流消耗）。

对于实际的无线RF发送配置，需要特别注意。幅值或频率调制、信息的发送速率（比特率和/或频率偏差）以及天线的RF输出功率等参数都对总功耗有很大影响。工作时间越短，平均功耗越低--这一经验法则在这里同样适用。系统需要经过精心设计，以消除所有不必要的功耗，例如避免LED始终点亮。处理器必须尽可能长地处于低功耗状态。板上的所有其他器件在未使用时都必须处于低功耗待机模式。

建议的示例

PIC12LF1840T48A器件上的RF发送器提供了最高为200 kHz的频率偏差。这可实现最大为100 Kbps的比特率。如果我们使用由一个16位前导码、一个16位同步模式和一个32位有效负载组成的小数据包，只需要640 ？s即可发送一个完整的数据包。已知能量的度量单位称为焦耳（J），并且：

1J = 1W * 1s = 1V * 1A * 1s

我们可以使用以下公式轻松计算发送一个数据包所消耗的能量：

E = 10.5 mA * 640μsà10.5 mA * 3.0v * 640μs = 31.5 mW * 640μs = 20.16μJ

对于我们的PIC12LF1840T48A设计示例，我们知道晶振起振时间典型值为650μs，并且晶振起振时消耗的电流约为5 mA.因此起振功耗为：

E1 = 5 mA * 3.0v * 650μs = 9.75μJ

我们的示例中使用的实际数据传输包含16位前导符（101010…）、16位同步模式和32位数据。如果选择100 Kbps的比特率，则传输周期为640μs.对于868 MHz FSK调制下的+0 dB RF传输，消耗的电流为12 mA.

E2 = 12 mA * 3v * 640μs = 23.04μJ

如果我们使用简单的10 Kbps传输，那么所用能量为：

E2 = 7.5 mA * 3v * 6.40 ms = 144μJ

这种对比只是为了说明使用高数据速率的重要性。

发送最后一个数据位后，PIC12F1840T48A发送器将自动超时并恢复至低功耗关断状态。此超时周期的最小值为2 ms.增加的能耗为：

E3 = 12 mA * 3v * 2 ms = 72μJ

因此，发送一个数据包的总能耗为：

E = E1 + E2 + E3 = 9.75μJ + 23.04μJ + 72μJ =104.79μJ

不过，电流输出为4.5μA/3V的微型太阳能电池需要工作多少秒才能获得仅够一次数据发送的能量。例如，使用可产生3V/6 mA（最佳情况为3V/40μA）的低成本太阳能电池，产生的功率仅为：

3v * 40μA = 140μW

现在我们可以计算出采集到足够进行一次数据发送的能量所需的时间：

T = 104.79μJ/ 140μW = 0.74s

这意味着，传感器单元在连续的两次数据发送之间必须等待不到一秒的时间。此外，还必须注意，上述计算公式适用于太阳能电池无限拥有持续光源的情况。当然，这在大多数情况下是不可能实现的，因为主要能量来源是白天才有的自然光。在这种情况下，必须对计算进行扩展，以考虑到能量采集系统需要在白天存储能量供没有自然光的夜晚使用。此外，本示例中未计算实际传感器测量所需的能量。

可能的实现选项

根据实际的系统要求，实现能量采集功能时有多种能量存储方案可选。其中包括：

-将能量采集到超级电容中。

-可充电电池。镍氢可充电电池可直接通过太阳能电池进行涓流充电。无需任何充电稳压器。另外，镍氢可充电电池的成本非常低。

-直接由能量采集器供电。在主要的能量来源（如光或热）连续可用并且生成的能量足以为无线传感器电路供电的情况下，无需将能量存储到单独的设备中。当然，此选项的适用性非常有限。

为什么使用能量采集

当开发低功耗无线传感器节点时，使用能量采集解决方案的主要好处不是节省无线解决方案的单位成本，而是节省无线传感器系统的部署和维护成本。您曾经有多少次需要在凌晨1点爬梯子更换烟雾探测器的电池？监视和更换无线传感器网络电池的维护成本大大高于设备本身的成本，尤其是无线传感器系统安装在远端或难以触及的区域时。当需要定期维护服务时，无线系统的规模（传感器数）也会成为一个较大因素。借助能量采集技术，我们可以采集"免费的"能量并存储该能量以供确实需要时使用，而无需对无线系统的功耗施加明显的限制即可确保5年以上的电池寿命，这样客户便不再需要更换电池。