若要物聯(lián)網(wǎng)充分發(fā)揮潛力和實現(xiàn)更智慧的地球，需要免電池、免維護的端點。

　　隨著更易于獲得強大的分析，對于傳感器的需求也在增長；思科（Cisco）早期預測的在2020年有500億互聯(lián)的「物」似乎不再是妄想。如此龐大數(shù)量的設(shè)備中，如果有一半單使用原電池供電，那么成本和環(huán)境負擔－以及更換它們所涉及的管理挑戰(zhàn)－可能會使物聯(lián)網(wǎng)（IoT）難以為繼。

　　由擷取的能量供電的免電池智能傳感器技術(shù)已受關(guān)注一段時間。能量擷取技術(shù)的最新進展，再加上新的超低功耗積體電路（IC）、傳感器和無線電技術(shù)如藍牙低功耗技術(shù)，使能量擷取現(xiàn)在變得更加實用、高效、實惠，且更易于以緊湊、可靠的形式實施。

　　滿足更低的能源預算

　　考慮一個智能傳感器用于定期捕獲和傳輸環(huán)境數(shù)據(jù)。通過分析完成每個感知傳輸周期所需的能量和所需的重復間隔，可以了解無電池運行的條件。如果系統(tǒng)能夠擷取足以在所需的占空比運行的能量，可長期免電池運行。

　　所需能量取決于系統(tǒng)功率和捕獲、傳輸數(shù)據(jù)的時間。為了最大限度地減少這些需求，藍牙低功耗協(xié)定和類似協(xié)定如ZigBee Green Power經(jīng)優(yōu)化以實現(xiàn)短幀持續(xù)時間和低傳輸功率，同時確保足夠的安全性。

　　使用這任一協(xié)定，可在約10ms（或更短時間）內(nèi)發(fā)送完整的傳感器數(shù)據(jù)幀。如果傳感器節(jié)點子系統(tǒng)可以1V、10mA可靠地執(zhí)行，則可由以下公式計算所需的合適能量預算：

　　1V x 10 mA x 10 ms = 100 μJ /每次運行

　　這提出一些需要考慮的初步目標。假設(shè)傳感器、處理和無線電子系統(tǒng)可在接近1V的電壓下工作，所需總能量預算為100 μJ。能量擷取子系統(tǒng)必須捕獲足夠的能量，以便在需要時至少有100 μJ可用于運行電路。唯一的限制是使這能量達到目標占空比。如果占空比在1到10秒之間，增益因數(shù)對于擷取器源來說相當大，但不是不可能的。例如，標準的1或2平方英寸太陽能電池以低至4%的轉(zhuǎn)換能量能夠解決這一挑戰(zhàn)。

　　為了滿足這些要求，系統(tǒng)設(shè)計需要從使用極低功耗傳感器開始。基于最新MEMS技術(shù)的傳感器可滿足這些要求，通過結(jié)合先進的機械設(shè)計和高性能整合提供超低功耗。其中，Bosch的BME280環(huán)境傳感器在一個低功耗的一體式器件中整合壓力、溫度和濕度傳感器。

　　此外，BMA400是三軸加速度計，提供真正的超低功耗工作而不犧牲性能。結(jié)合這些器件，可創(chuàng)建一個極低功耗的多傳感器平臺，并增加慣性傳感器，用于氣候控制、過程監(jiān)控、資產(chǎn)跟蹤或入侵偵測等應(yīng)用。

　　系統(tǒng)級封裝（SiP）整合

　　為解決處理和無線電子系統(tǒng)中的挑戰(zhàn)，安森美半導體將一系列超低功耗技術(shù)結(jié)合用于RSL10系統(tǒng)級封裝（RSL 10 SIP）。RSL10 SIP含無線電系統(tǒng)單晶片（SoC）、整合的天線、整合的電源管理和所需的所有無源器件。

　　RSL10 SIP功耗極低，深睡眠模式為62.5nW，接收模式為7mW，支援低至1.1V電源電壓，并具有整合的Flash和RAM功能。同時，它支持空中固件（FOTA）升級，帶記憶體保護，并通過了全球監(jiān)管標準認證，包括獲得CE和美國FCC認證。

　　現(xiàn)在，結(jié)合RSL10 SIP、超低功耗BME280傳感器、BMA400傳感器及安森美半導體的NCT203數(shù)字溫度計和警報器，成就了RSL10太陽能電池多傳感器平臺（圖一）。

　　該可立即使用的免電池傳感器節(jié)點連接到集線器如閘道或使用藍牙低功耗的智慧型手機，并配有原始程式碼、電路圖和Gerber檔以支援自訂。

　　圖一: RSL10太陽能電池多傳感器平臺已準備好連接太陽能電池板，并通過藍牙低功耗傳輸傳感器數(shù)據(jù)。

　　RSL10太陽能電池多傳感器平臺能量擷取

　　用于RSL10多傳感器平臺的超低功率技術(shù)組合可在少于10ms內(nèi)捕獲和傳輸環(huán)境及慣性資料，平均消耗約10mA的電流。為使其切實可行，能量擷取子系統(tǒng)僅需在以適當?shù)恼伎毡裙ぷ鲿r提供足夠的能量。

　　由于從周圍能源如太陽能擷取能量的速度通常較低，一種方法是實現(xiàn)與系統(tǒng)能量需求有關(guān)的所謂增益因數(shù)。例如，累積能量一秒鐘，且傳感器工作10毫秒，就會產(chǎn)生100倍的增益。擷取10秒，且感知/傳輸5毫秒，會產(chǎn)生2000倍的增益。

　　向RSL10太陽能電池多傳感器平臺供電使其每秒進行一次10ms協(xié)議傳輸，能量擷取增益因數(shù)約100。在傳輸之間連續(xù)擷取10秒，增益將為1000。基于這些數(shù)位，太陽能擷取器需要提供10mA/100=100μA或10mA/1000=10μA的電流源，分別以1秒或10秒間隔發(fā)送。此資訊有助于選擇合適的太陽能模組來為RSL10太陽能電池多傳感器平臺供電。然后，可以使用設(shè)置在板上的雙埠連接器來連接。

　　Ribes Tech FlexRB-25-7030太陽能模組幾乎完全滿足要求，在200勒克斯（lux） 下提供16μA或1000lux 下提供80μA，這足以執(zhí)行10毫秒的資料傳輸，最大速率約每秒一次（圖二）。200 lux是北歐冬季午后多云的天氣下典型的室內(nèi)自然光強度。明亮的陽光、額外的人造光源，或在戶外或在窗戶邊，光照可增加幾百lux。

　　圖二: 采用一個商用太陽能電池板演示RSL10太陽能電池多傳感器，該太陽能電池板能在200 lux下提供16 μA。

　　擷取的環(huán)境能量通常儲存在電容器或可充電電池中，這取決于應(yīng)用需求。電容器能量密度較低，在設(shè)定的體積內(nèi)儲存的能量比電池少（圖三）。因此，當沒有所需的環(huán)境光時，在必須長時間保持活躍的太陽能供電應(yīng)用中，二次電池可能是首選。

　　圖三: 對比儲能電池和電容技術(shù)

　　任何儲能選擇還應(yīng)考慮控制充放電的布局。電池需要防止過度充電和過度放電，這可能需要一個開關(guān)調(diào)節(jié)器，并引入額外的IC和外部器件。另一方面，具有適當額定電壓的電容器不需要充電電路或保護器件。但在每種情況下，都需要輸出穩(wěn)壓。

　　RSL10傳感器平臺具有低高度、47μF儲存電容器，并且使用安森美半導體簡單的低壓降線性穩(wěn)壓器（LDO）NCP170調(diào)節(jié)電壓，具有超低靜態(tài)電流，有助于最大限度地減少擷取的寶貴能量的泄漏。此外，板載器件可選低的最小輸入電壓或?qū)挼碾娫措妷悍秶灾г唵蔚恼{(diào)節(jié)機制。

　　儲存電容器可部署在環(huán)境照明強烈且預期不會長時間黑暗處。在這種情境下，可連續(xù)運行。該模組預快閃記憶體緊密相聯(lián)的信標固件，以廣播傳感器數(shù)據(jù)和系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)如電容器電壓電平，利用藍牙5的信標模式。此固件與iOS或Android BLE Scanner應(yīng)用程式相容。

　　總結(jié)

　　典型的嵌入式系統(tǒng)功率需求與擷取系統(tǒng)所提供的能量之間的差距正在縮小。擷取技術(shù)現(xiàn)在捕獲環(huán)境能量更高效，這得益于不斷開發(fā)超低功耗的半導體技術(shù)和高效的無線傳輸協(xié)議如藍牙低功耗，使真正免電池的IoT端點切實可行。交鑰匙的RSL10太陽能電池多傳感器平臺顯示，免電池傳感器現(xiàn)已準備好用于廣泛的IoT部署。

　　關(guān)于超低功耗物聯(lián)網(wǎng)方案資料

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