应用于无线模块的能量收集子系统设计

使用无线模块开辟了为物联网（IoT）等应用实施经济高效的传感器节点的新方法。模块的简单性和低功耗无线协议的使用使得能量收集子系统能够从环境中捕获能量以在本地存储，如图1所示。这可以减少甚至消除更换电池的需要并允许开发人员在更多难以接近的地方实施传感器。

图1：无线模块可以通过环境的能量供电，以减少更换的需要传感器网络中的可充电电池。 （来源：Spansion）

图2显示了不同的无线技术及其作为电源使用能量收集的适用性。 EnOcean等协议专门针对能量收集应用而开发，具有简单的低功耗技术和结构，如电报，而其他协议，如Z-Wave，ZigBee和无线HART，是现有无线或工业协议的低功耗扩展，也可以使用。

EnOcean Z-Wave ZigBee无线Hart蓝牙LE蓝牙Wi-Fi行业组织EnOcean联盟Z-Wave联盟ZigBee联盟HART蓝牙SIG蓝牙SIG Wi-Fi联盟频段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数据速率低低低低中高非常高范围（取决于射频功率）~50 m，~300 m~30 m~100 m ~250 m~50 m~100 m~100 m功耗极低中低极低极低极低应用HEMS，BEMS传感器NW，HEMS传感器NW，HEMS，BEMS，工厂自动化工厂自动化NotePC，智能手机，可穿戴，医疗，传感器NW，HEMS，BEMS NotePC，智能手机，PC外围PC，智能手机，数字AV，室内/室外NW适合能量收集？非常好非常好非常好非常好不坏坏HEMS：家庭能源管理系统BEMS建筑能源管理系统

图2：不同的无线协议具有一系列功率要求，使得一些更适合能量收集源。 （来源：Spansion）

赛普拉斯半导体公司的MB39C811是一款高效降压DC-DC转换器，采用全波桥式整流器和比较器。这支持从高输出阻抗的能量源（如压电传感器）收集能量。

可以从八个预设输出电压中进行选择，并提供高达100 mA的输出电流和静态电流（无负载，稳压输出）仅为1.5μA，输入电压范围为2.6 V至23 V.预设输出电压范围为1.5 V至1.8 V，2.5 V至3.3 V和3.6 V，适用于低功耗无线模块。 4.1 V，4.5 V和5.0 V的输出不太可能用于此类模块。

该器件还具有保护功能，例如当Vin超过21 V时用于输入保护的分流器，以及过流限制和I/O电源良好检测信号输出。

图3显示了电源管理器件的结构，它将捕获的电流传递给能量存储设备，如电容器或可充电电池，然后用于为无线模块供电。

图3：赛普拉斯半导体的MB39C811处理来自能量收集源的电能，以存储在无线模块的可充电电池中。

将设备连接到无线模块需要考虑许多不同的因素。收获过程提供的能量对于无线传输的初始启动阶段来说是不够的，因此确保来自存储设备的漏极不会过多是很重要的。这可以通过密切关注模块的处理要求来实现。例如，在无线模块中的时钟速度为12 MHz时，例程需要1.1 ms才能完成，但仅消耗4 mA峰值电流。这远低于48 MHz的工作频率;虽然它使用更多电流，但峰值电流更低，更适合能量收集架构。

无线模块的启动是能量收集源的关键挑战。这包括初始化存储器，设置中断向量，配置外设和公共寄存器以及初始化任何外部时钟。这些步骤中的每一步都需要CPU处理时间来完成，这反过来又消耗能量。

通过仅初始化将要使用的内存和寄存器部分，并将其他部分保留为默认设置，可以最大限度地减少每个阶段所需的电量。

初始化时钟振荡器也会占用大量功率。而不是在活动模式下等待时钟稳定，使系统保持睡眠或深度睡眠模式允许模块稳定下来。可以使用内部计时器唤醒模块以供使用。这避免了对能量收集功率管理器施加更大压力。

使用无线模块通常不需要单独的微控制器或存储器，从而使无线传感器节点的开发更加简单。但是，模块的能量预算需要考虑如何使用模块上的外设。这些外围设备可以在设备内部，例如连接到传感器的模数转换器，或直接连接到外部传感器。虽然外围设备的启动时间可能不会很大，但总体设置时间的组合可能需要足够的处理时间来耗尽存储的能量。

这需要为给定的CPU频率确定各个外设的启动时间。不同的外围设备也需要来自中央处理器的时间，并且必须考虑其耗电量以确保所汲取的总电流不超过能量存储器中可用的电流。

这可以通过使用模块或芯片制造商经常提供的软件工具来分析代码来实现。

如果当前消耗确实超过了能量存储的容量，则可以将例程分解为更小的子例程以进行分阶段管理。这样可以将存储元件上的负载降低到能够通过能量收集源更容易再充电的较小电流脉冲。

建议在每个阶段之间将系统置于低功耗模式，使用看门狗或定时器作为中断。该模块在大多数情况下将处于低功耗模式，这将使电流要求尽可能低，从而使存储元件更容易充电。

图4显示了使用太阳能电池作为输入的设备的引脚排列。这可以连接到一个模块，例如Digi的可编程版本的XBee和使用ZigBee协议的XBee-PRO。直接在模块上编程消除了对单独处理器的需求，并且由于无线软件是隔离的，因此可以开发应用程序而不会对RF性能或安全性造成风险。

图4：使用带有太阳能电池输入的MB39C811，使用ZigBee等协议为无线模块供电。

模块基于Ember EM35x（EM357和EM3587）系统开启Silicon Labs的芯片（SoC）无线电使用32位ARM Cortex-M3处理器。对于可能希望升级到基于IPv6的网络堆栈Thread的开发人员而言，S2D EM3587版本具有更大的内存占用，但这会增加功耗。

模块通过VCC连接， GND，Dout和Din引脚，尽管数字通用I/O引脚可用于连接外部传感器。为了支持串行固件更新，还连接了RTS和DTR引脚。

图5显示了使用MB39C811和振荡能源（如压电晶体）的引出线。在这种情况下，设备的振动会导致晶体受压，对晶格产生应力并产生电流。然后可以通过PMIC设备捕获它。

图5：使用带压电源的MB39C811为蓝牙无线模块供电。

与赛普拉斯半导体的CYBLE-022001-00等蓝牙低功耗模块接口可实现低功耗-power无线节点即将实施。该模块通过其可编程架构支持许多外设功能，如ADC，定时器，计数器和PWM，以及串行通信协议（I 2 C，UART，SPI）。 CYBLE-022001-00包括一个与蓝牙4.1兼容的免版税BLE堆栈，可在10×10×1.80 mm的小型封装中提供多达16个GPIO。

CYBLE-022001-00包含两个电源连接，VDD和VDDR。 VDD连接为数字和模拟操作提供1.71 V至5.5 V的电源，而VDDR连接为设备无线电提供1.9 V至5.5 V的电源。模块上两个电源连接的最大电源纹波是100 mV，可由MB39C8111和存储元件处理。

结论

使用带有能量收集子系统的无线模块为无线开辟了许多新的可能性传感器网络，但需要注意整体功率预算。能量收集产生的较低电流，无论是太阳能电池还是压电源，都意味着必须仔细考虑启动顺序和传感器管理软件。通过仔细安排这些，并在必要时将例程分解为更小的单元，开发人员可以确保峰值电流要求不超过电池容量和能量收集源的充电容量。所有这些都可以通过专门针对此类电源子系统进行优化的最新电源管理设备进行管理。