使用無線模塊開辟了為物聯(lián)網(wǎng)(IoT)等應(yīng)用實(shí)施經(jīng)濟(jì)高效的傳感器節(jié)點(diǎn)的新方法。模塊的簡單性和低功耗無線協(xié)議的使用使得能量收集子系統(tǒng)能夠從環(huán)境中捕獲能量以在本地存儲(chǔ)，如圖1所示。這可以減少甚至消除更換電池的需要并允許開發(fā)人員在更多難以接近的地方實(shí)施傳感器。

圖1：無線模塊可以通過環(huán)境的能量供電，以減少更換的需要傳感器網(wǎng)絡(luò)中的可充電電池。 (：Spansion)

圖2顯示了不同的無線技術(shù)及其作為電源使用能量收集的適用性。 EnOcean等協(xié)議專門針對(duì)能量收集應(yīng)用而開發(fā)，具有簡單的低功耗技術(shù)和結(jié)構(gòu)，如電報(bào)，而其他協(xié)議，如Z-Wave，ZigBee和無線HART，是現(xiàn)有無線或工業(yè)協(xié)議的低功耗擴(kuò)展，也可以使用。

EnOcean Z-Wave ZigBee無線Hart藍(lán)牙LE藍(lán)牙Wi-Fi行業(yè)組織EnOcean聯(lián)盟Z-Wave聯(lián)盟ZigBee聯(lián)盟HART藍(lán)牙SIG藍(lán)牙SIG Wi-Fi聯(lián)盟頻段315 MHz，868 MHz，900 MHz，920 MHz 900 MHz 868 MHz，915 MHz，2.4 GHz 2.4 GHz 2.4 GHz 2.4 GHz 2.4 GHz，5.8 GHz數(shù)據(jù)速率低低低低中高非常高范圍(取決于射頻功率)~50 m，~300 m~30 m~100 m ~250 m~50 m~100 m~100 m功耗極低中低極低極低極低應(yīng)用HEMS，BEMS傳感器NW，HEMS傳感器NW，HEMS，BEMS，工廠自動(dòng)化工廠自動(dòng)化NotePC，智能手機(jī)，可穿戴，醫(yī)療，傳感器NW，HEMS，BEMS NotePC，智能手機(jī)，PC外圍PC，智能手機(jī)，數(shù)字AV，室內(nèi)/室外NW適合能量收集?非常好非常好非常好非常好不壞壞HEMS：家庭能源管理系統(tǒng)BEMS建筑能源管理系統(tǒng)

圖2：不同的無線協(xié)議具有一系列功率要求，使得一些更適合能量收集源。 (：Spansion)

賽普拉斯半導(dǎo)體公司的MB39C811是一款高效降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器，采用全波橋式整流器和比較器。這支持從高輸出阻抗的能量源(如壓電傳感器)收集能量。

可以從八個(gè)預(yù)設(shè)輸出電壓中進(jìn)行選擇，并提供高達(dá)100 mA的輸出電流和靜態(tài)電流(無負(fù)載，穩(wěn)壓輸出)僅為1.5μA，輸入電壓范圍為2.6 V至23 V.預(yù)設(shè)輸出電壓范圍為1.5 V至1.8 V，2.5 V至3.3 V和3.6 V，適用于低功耗無線模塊。 4.1 V，4.5 V和5.0 V的輸出不太可能用于此類模塊。

該器件還具有保護(hù)功能，例如當(dāng)Vin超過21 V時(shí)用于輸入保護(hù)的分流器，以及過流限制和I/O電源良好檢測(cè)信號(hào)輸出。

圖3顯示了電源管理器件的結(jié)構(gòu)，它將捕獲的電流傳遞給能量存儲(chǔ)設(shè)備，如電容器或可充電電池，然后用于為無線模塊供電。

圖3：賽普拉斯半導(dǎo)體的MB39C811處理來自能量收集源的電能，以存儲(chǔ)在無線模塊的可充電電池中。

將設(shè)備連接到無線模塊需要考慮許多不同的因素。收獲過程提供的能量對(duì)于無線傳輸?shù)某跏紗?dòng)階段來說是不夠的，因此確保來自存儲(chǔ)設(shè)備的漏極不會(huì)過多是很重要的。這可以通過密切關(guān)注模塊的處理要求來實(shí)現(xiàn)。例如，在無線模塊中的時(shí)鐘速度為12 MHz時(shí)，例程需要1.1 ms才能完成，但僅消耗4 mA峰值電流。這遠(yuǎn)低于48 MHz的工作頻率;雖然它使用更多電流，但峰值電流更低，更適合能量收集架構(gòu)。

無線模塊的啟動(dòng)是能量收集源的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。這包括初始化存儲(chǔ)器，設(shè)置中斷向量，配置外設(shè)和公共寄存器以及初始化任何外部時(shí)鐘。這些步驟中的每一步都需要CPU處理時(shí)間來完成，這反過來又消耗能量。

通過僅初始化將要使用的內(nèi)存和寄存器部分，并將其他部分保留為默認(rèn)設(shè)置，可以最大限度地減少每個(gè)階段所需的電量。

初始化時(shí)鐘振蕩器也會(huì)占用大量功率。而不是在活動(dòng)模式下等待時(shí)鐘穩(wěn)定，使系統(tǒng)保持睡眠或深度睡眠模式允許模塊穩(wěn)定下來?？梢允褂脙?nèi)部計(jì)時(shí)器喚醒模塊以供使用。這避免了對(duì)能量收集功率管理器施加更大壓力。

使用無線模塊通常不需要單獨(dú)的微控制器或存儲(chǔ)器，從而使無線傳感器節(jié)點(diǎn)的開發(fā)更加簡單。但是，模塊的能量預(yù)算需要考慮如何使用模塊上的外設(shè)。這些外圍設(shè)備可以在設(shè)備內(nèi)部，例如連接到傳感器的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，或直接連接到外部傳感器。雖然外圍設(shè)備的啟動(dòng)時(shí)間可能不會(huì)很大，但總體設(shè)置時(shí)間的組合可能需要足夠的處理時(shí)間來耗盡存儲(chǔ)的能量。

這需要為給定的CPU頻率確定各個(gè)外設(shè)的啟動(dòng)時(shí)間。不同的外圍設(shè)備也需要來自中央處理器的時(shí)間，并且必須考慮其耗電量以確保所汲取的總電流不超過能量存儲(chǔ)器中可用的電流。

這可以通過使用模塊或芯片制造商經(jīng)常提供的軟件工具來分析代碼來實(shí)現(xiàn)。

如果當(dāng)前消耗確實(shí)超過了能量存儲(chǔ)的容量，則可以將例程分解為更小的子例程以進(jìn)行分階段管理。這樣可以將存儲(chǔ)元件上的負(fù)載降低到能夠通過能量收集源更容易再充電的較小電流脈沖。

建議在每個(gè)階段之間將系統(tǒng)置于低功耗模式，使用看門狗或定時(shí)器作為中斷。該模塊在大多數(shù)情況下將處于低功耗模式，這將使電流要求盡可能低，從而使存儲(chǔ)元件更容易充電。

圖4顯示了使用太陽能電池作為輸入的設(shè)備的引腳排列。這可以連接到一個(gè)模塊，例如Digi的可編程版本的XBee和使用ZigBee協(xié)議的XBee-PRO。直接在模塊上編程消除了對(duì)單獨(dú)處理器的需求，并且由于無線軟件是隔離的，因此可以開發(fā)應(yīng)用程序而不會(huì)對(duì)RF性能或安全性造成風(fēng)險(xiǎn)。

圖4：使用帶有太陽能電池輸入的MB39C811，使用ZigBee等協(xié)議為無線模塊供電。

模塊基于Ember EM35x(EM357和EM3587)系統(tǒng)開啟Silicon Labs的芯片(SoC)無線電使用32位ARM Cortex-M3處理器。對(duì)于可能希望升級(jí)到基于IPv6的網(wǎng)絡(luò)堆棧Thread的開發(fā)人員而言，S2D EM3587版本具有更大的內(nèi)存占用，但這會(huì)增加功耗。

模塊通過VCC連接， GND，Dout和Din引腳，盡管數(shù)字通用I/O引腳可用于連接外部傳感器。為了支持串行固件更新，還連接了RTS和DTR引腳。

圖5顯示了使用MB39C811和振蕩能源(如壓電晶體)的引出線。在這種情況下，設(shè)備的振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致晶體受壓，對(duì)晶格產(chǎn)生應(yīng)力并產(chǎn)生電流。然后可以通過PMIC設(shè)備捕獲它。

圖5：使用帶壓電源的MB39C811為藍(lán)牙無線模塊供電。

與賽普拉斯半導(dǎo)體的CYBLE-022001-00等藍(lán)牙低功耗模塊接口可實(shí)現(xiàn)低功耗-power無線節(jié)點(diǎn)即將實(shí)施。該模塊通過其可編程架構(gòu)支持許多外設(shè)功能，如ADC，定時(shí)器，計(jì)數(shù)器和PWM，以及串行通信協(xié)議(I 2 C，UART，SPI)。 CYBLE-022001-00包括一個(gè)與藍(lán)牙4.1兼容的免版稅BLE堆棧，可在10×10×1.80 mm的小型封裝中提供多達(dá)16個(gè)GPIO。

CYBLE-022001-00包含兩個(gè)電源連接，VDD和VDDR。 VDD連接為數(shù)字和模擬操作提供1.71 V至5.5 V的電源，而VDDR連接為設(shè)備無線電提供1.9 V至5.5 V的電源。模塊上兩個(gè)電源連接的最大電源紋波是100 mV，可由MB39C8111和存儲(chǔ)元件處理。

結(jié)論

使用帶有能量收集子系統(tǒng)的無線模塊為無線開辟了許多新的可能性傳感器網(wǎng)絡(luò)，但需要注意整體功率預(yù)算。能量收集產(chǎn)生的較低電流，無論是太陽能電池還是壓電源，都意味著必須仔細(xì)考慮啟動(dòng)順序和傳感器管理軟件。通過仔細(xì)安排這些，并在必要時(shí)將例程分解為更小的單元，開發(fā)人員可以確保峰值電流要求不超過電池容量和能量收集源的充電容量。所有這些都可以通過專門針對(duì)此類電源子系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化的最新電源管理設(shè)備進(jìn)行管理。