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

　　隨著更易于獲得強(qiáng)大的分析,，對(duì)于傳感器的需求也在增長(zhǎng),；思科（Cisco）早期預(yù)測(cè)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(fù)擔(dān)－以及更換它們所涉及的管理挑戰(zhàn)－可能會(huì)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(shí)間,。能量擷取技術(shù)的最新進(jìn)展,，再加上新的超低功耗積體電路（IC）、傳感器和無(wú)線電技術(shù)如藍(lán)牙低功耗技術(shù),，使能量擷取現(xiàn)在變得更加實(shí)用,、高效、實(shí)惠,，且更易于以緊湊,、可靠的形式實(shí)施。

　　滿(mǎn)足更低的能源預(yù)算

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

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

　　使用這任一協(xié)定,，可在約10ms（或更短時(shí)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(diǎn)子系統(tǒng)可以1V,、10mA可靠地執(zhí)行,，則可由以下公式計(jì)算所需的合適能量預(yù)算：

　　1V x 10 mA x 10 ms = 100 μJ /每次運(yùn)行

　　這提出一些需要考慮的初步目標(biāo)。假設(shè)傳感器,、處理和無(wú)線電子系統(tǒng)可在接近1V的電壓下工作,，所需總能量預(yù)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(shí)至少有100 μJ可用于運(yùn)行電路,。唯一的限制是使這能量達(dá)到目標(biāo)占空比。如果占空比在1到10秒之間,，增益因數(shù)對(duì)于擷取器源來(lái)說(shuō)相當(dāng)大,，但不是不可能的。例如，標(biāo)準(zhǔn)的1或2平方英寸太陽(yáng)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(mǎn)足這些要求，系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要從使用極低功耗傳感器開(kāi)始,?；谧钚翸EMS技術(shù)的傳感器可滿(mǎn)足這些要求，通過(guò)結(jié)合先進(jìn)的機(jī)械設(shè)計(jì)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(gè)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(jì)，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(gè)極低功耗的多傳感器平臺(tái)，并增加慣性傳感器,，用于氣候控制,、過(guò)程監(jiān)控、資產(chǎn)跟蹤或入侵偵測(cè)等應(yīng)用,。

　　系統(tǒng)級(jí)封裝（SiP）整合

　　為解決處理和無(wú)線電子系統(tǒng)中的挑戰(zhàn),，安森美半導(dǎo)體將一系列超低功耗技術(shù)結(jié)合用于RSL10系統(tǒng)級(jí)封裝（RSL 10 SIP）。RSL10 SIP含無(wú)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(wú)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(shí)，它支持空中固件（FOTA）升級(jí),，帶記憶體保護(hù),，并通過(guò)了全球監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證，包括獲得CE和美國(guó)FCC認(rèn)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(dǎo)體的NCT203數(shù)字溫度計(jì)和警報(bào)器,，成就了RSL10太陽(yáng)能電池多傳感器平臺(tái)（圖一）。

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

　　圖一: RSL10太陽(yáng)能電池多傳感器平臺(tái)已準(zhǔn)備好連接太陽(yáng)能電池板，并通過(guò)藍(lán)牙低功耗傳輸傳感器數(shù)據(jù),。

　　RSL10太陽(yáng)能電池多傳感器平臺(tái)能量擷取

　　用于RSL10多傳感器平臺(tái)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(shí)可行,，能量擷取子系統(tǒng)僅需在以適當(dāng)?shù)恼伎毡裙ぷ鲿r(shí)提供足夠的能量,。

　　由于從周?chē)茉慈缣?yáng)能擷取能量的速度通常較低，一種方法是實(shí)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(huì)產(chǎn)生100倍的增益,。擷取10秒，且感知/傳輸5毫秒,，會(huì)產(chǎn)生2000倍的增益,。

　　向RSL10太陽(yáng)能電池多傳感器平臺(tái)供電使其每秒進(jìn)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?；谶@些數(shù)位,，太陽(yáng)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(yáng)能模組來(lái)為RSL10太陽(yáng)能電池多傳感器平臺(tái)供電,。然后，可以使用設(shè)置在板上的雙埠連接器來(lái)連接,。

　　Ribes Tech FlexRB-25-7030太陽(yáng)能模組幾乎完全滿(mǎn)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(qiáng)度。明亮的陽(yáng)光,、額外的人造光源,，或在戶(hù)外或在窗戶(hù)邊，光照可增加幾百lux,。

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

　　擷取的環(huán)境能量通常儲(chǔ)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(chǔ)存的能量比電池少（圖三）。因此,，當(dāng)沒(méi)有所需的環(huán)境光時(shí),，在必須長(zhǎng)時(shí)間保持活躍的太陽(yáng)能供電應(yīng)用中，二次電池可能是首選,。

　　圖三: 對(duì)比儲(chǔ)能電池和電容技術(shù)

　　任何儲(chǔ)能選擇還應(yīng)考慮控制充放電的布局。電池需要防止過(guò)度充電和過(guò)度放電,，這可能需要一個(gè)開(kāi)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(dāng)額定電壓的電容器不需要充電電路或保護(hù)器件,。但在每種情況下，都需要輸出穩(wěn)壓,。

　　RSL10傳感器平臺(tái)具有低高度,、47μF儲(chǔ)存電容器，并且使用安森美半導(dǎo)體簡(jiǎn)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?，以支援?jiǎn)單的調(diào)節(jié)機(jī)制。

　　儲(chǔ)存電容器可部署在環(huán)境照明強(qiáng)烈且預(yù)期不會(huì)長(zhǎng)時(shí)間黑暗處,。在這種情境下,，可連續(xù)運(yùn)行。該模組預(yù)快閃記憶體緊密相聯(lián)的信標(biāo)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(lán)牙5的信標(biāo)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(kāi)發(fā)超低功耗的半導(dǎo)體技術(shù)和高效的無(wú)線傳輸協(xié)議如藍(lán)牙低功耗,，使真正免電池的IoT端點(diǎn)切實(shí)可行,。交鑰匙的RSL10太陽(yáng)能電池多傳感器平臺(tái)顯示，免電池傳感器現(xiàn)已準(zhǔn)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

　　為了讓大家更好地了解及學(xué)習(xí)低功耗能量采集無(wú)電池技術(shù)如何應(yīng)用在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備,，我們收集了幾十篇關(guān)于超低功耗物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)文章及實(shí)現(xiàn)方案的相關(guān)資料供大家參考,，歡迎下載。

　　資料截屏：