雖然能量收集並不是一個全新概念，但是RF和微控製器(MCU)器qi件jian在zai性xing能neng與yu能neng耗hao方fang麵mian取qu得de的de最zui新xin進jin展zhan，意yi味wei著zhe構gou建jian一yi個ge采cai用yong能neng量liang收shou集ji型xing應ying用yong，例li如ru傳chuan感gan器qi節jie點dian，現xian在zai變bian得de更geng加jia容rong易yi。此ci外wai
，對dui於yu同tong樣yang的de能neng量liang收shou集ji而er言yan，新xin構gou建jian的de應ying用yong能neng夠gou比bi之zhi前qian應ying用yong提ti供gong更geng強qiang的de能neng力li。因yin此ci
，在zai越yue來lai越yue多duo的de應ying用yong中zhong，能neng量liang收shou集ji為wei傳chuan感gan器qi節jie點dian供gong電dian正zheng在zai成cheng為wei切qie實shi可ke行xing的de解jie決jue方fang案an，本ben地di化hua處chu理li采cai集ji的de數shu據ju，然ran後hou回hui傳chuan到dao一yi個ge集ji中zhong器qi。

 

我們來考慮一個嵌入式能量收集型係統，如圖1所示。其中某些組成部分，例如能量收集器，在任何能量收集型設計中都是必要的。

圖1：能量收集型傳感器節點。

 

從哪裏可以獲取傳感器供電所需能量呢？從光、熱、振動還是RF？表1zhonghuizonglekeshoujiqianzainengliangdechangjiannenglianglaiyuan。benlizhong，jiashewomenzhengzaishiyongtaiyangnengshoujiqi。chulenengliangshoujiyuanzhiwai
，yingyongzhongyexuyaomouzhongxingshidenengliangcunchushebei
，zuichangjianshidianrongzu，huozhexiaoxingkechongdiandianchi。(儲(chu)能(neng)設(she)備(bei)是(shi)必(bi)須(xu)的(de)，因(yin)為(wei)收(shou)集(ji)器(qi)要(yao)持(chi)續(xu)連(lian)續(xu)不(bu)斷(duan)的(de)收(shou)集(ji)能(neng)量(liang)，而(er)應(ying)用(yong)本(ben)身(shen)可(ke)能(neng)僅(jin)會(hui)在(zai)極(ji)短(duan)的(de)時(shi)間(jian)內(nei)處(chu)於(yu)活(huo)動(dong)模(mo)式(shi)，而(er)在(zai)大(da)部(bu)分(fen)時(shi)間(jian)中(zhong)處(chu)於(yu)休(xiu)眠(mian)模(mo)式(shi)。)

表1：能量收集源。

 

除(chu)了(le)這(zhe)些(xie)應(ying)用(yong)組(zu)成(cheng)部(bu)分(fen)之(zhi)外(wai)

，開(kai)發(fa)人(ren)員(yuan)還(hai)要(yao)選(xuan)擇(ze)元(yuan)器(qi)件(jian)進(jin)行(xing)相(xiang)關(guan)設(she)計(ji)，能(neng)利(li)用(yong)這(zhe)些(xie)收(shou)集(ji)到(dao)的(de)能(neng)源(yuan)並(bing)達(da)成(cheng)預(yu)期(qi)結(jie)果(guo)。這(zhe)裏(li)有(you)一(yi)些(xie)關(guan)鍵(jian)因(yin)素(su)要(yao)考(kao)慮(lv)。所(suo)選(xuan)擇(ze)的(de)元(yuan)器(qi)件(jian)必(bi)須(xu)待(dai)機(ji)電(dian)流(liu)極(ji)低(di)；在工作模式時功耗極低
；且能夠在活動模式和待機模式之間快速切換(因為器件從待機模式轉換到工作模式所需的時間越長，浪費的能量越多)。

 

 

RF元器件選型時，關鍵因素是要選擇一個合適的通信協議



，協議要能夠提供足夠帶寬以傳輸所需數據，同時能耗要盡可能低。ZigBee和藍牙都是低能耗和電池供電型應用的良好選擇
，但是更輕量級的無線連接技術或許才是能量收集的最佳選擇。

 

簡單
、專用的sub-GHz解決方案非常適合能量收集型應用的需求。我們假設該設計中由於進行了本地信號處理，而僅僅需要進行少量數據傳輸(在後麵的例子中我們將會討論大量數據傳輸時的情況)，那麼RFyuanqijianzaidabufenshijianlijiangchuyudaijimoshi，jinzaixuyaochuanshushaoliangyuchulishujushicaibeihuanxing。yinci，yaokaolvdelianggezhongyaocanshushidaijimoshinenghaohechuanshumoshinenghao。

 

基於以上這些原因，高能效的sub-GHz收發器，例如Silicon Labs 公司的Si4464，會是更好的選擇。Si4464的待機模式電流僅50nA
，在非收發模式下能夠最大限度的減少能量消耗，而且從待機模式切換到運行模式時，喚醒時間僅需要450?s。這種等級的無線能效使得開發人員能夠在獲取和管理數據的應用中，實現 RF元器件的能耗最小化。

 

接下來討論MCU
，傳感器節點將提供本地化數據處理，降低整體RF網絡的數據傳輸流量。對於這種實現的一個理想候選者是內建ARM Cortex-M4內核的MCU
，它擁有大量專用的DSP功能，與沒有DSP能力的MCU相比，能夠在更少的時鍾周期內完成信號處理。圖2顯示了基於Cortex-M3內核的MCU和基於Cortex-M4內核的MCU在執行相同例程實現512點快速傅裏葉變換(FFT)時所消耗的時間(在兩種情況下，CPU時鍾速率是相同的)。如圖所示，Cortex-M4內核的處理時間遠低於Cortex-M3內核的處理時間。因此，當使用基於DSP的Cortex-M4內核時，能效更高。

圖2：在Cortex-M3內核和Cortex-M4內核上實現512點FFT。

 

為了體驗帶有DSP功能的內核所提供的益處
，可以考慮在能量收集型應用中使用Silicon Labs公司的EFM32 Wonder Gecko MCU。然而，內核並不是獲取最佳能效的唯一因素。還需要考慮其他方麵，例如信號采集所需的能耗(以及所使用的技術)、MCU外設之間的交互
，使得MCU能夠在更長的時間內保持在低能耗模式。

 

 

考慮到信號采集任務，最佳化能效可以通過多種方式實現。假設要獲取的是模擬信號，就可以采用模數轉換器(ADC)或者專用接口實現信號采集。

 

我們先從ADC開始
，有幾種方法可用於數據采集。圖3中圖形化顯示了這些過程。首先最常用的做法是，利用計時器觸發ADC采樣
，並將所獲取的采樣數據傳輸到DMA，在1Ksps采樣速率下，能耗為165?A。盡管這很好地利用了外設的互動性，但沒有使用MCU的任何特殊功能。

圖3：EFM32 MCU上的低功耗ADC工作原理。

 

第二種方法在同樣采樣速率下改善了能耗。其方法是在待機狀態時讓MCU進入能耗模式2(EM2)，一直到被中斷喚醒為止(中斷可來自多種觸發源，包括EM2下的可用定時器)。EM2的待機能耗為900nA，但是MCU隻需要2?s就能恢複全速運行狀態。因此
，超低能耗模式帶來的時間成本，EM2切換回全速運行狀態所帶來的能耗，兩者間達到了很好的平衡。這種情況下，同樣實現1Ksps采樣速率時，能耗降低到60?A
，與yu第di一yi種zhong方fang法fa相xiang比bi能neng耗hao有you了le顯xian著zhu下xia降jiang。此ci方fang法fa可ke能neng是shi最zui合he適shi的de方fang法fa
，因yin為wei許xu多duo嵌qian入ru式shi應ying用yong都dou是shi靠kao中zhong斷duan驅qu動dong的de。然ran而er，根gen據ju應ying用yong對dui特te殊shu情qing況kuang的de要yao求qiu，還hai可ke以yi利li用yong其qi他ta方fang法fa進jin一yi步bu降jiang低di能neng耗hao。

 

第三種方法(可視此方法為一個“優化循環”方案)仍然采用EM2，但本次並非等待中斷，而是使用等待事件(Wait for Event ，WFE)指令，該指令是Cortex-M指令集的一部分。WFE指令使MCU能夠對外部或者內部事件進行響應，類似於中斷觸發。然而，在這種情景下，不再是從主循環中進入中斷，而是MCU直接從EM2中喚醒並開始執行下一條指令，消除了中斷延遲時間。雖然這種方法並不適合所有應用
，但采用此方法可以降低能耗
，同樣1Ksps采樣速率時
，能耗不到20?A。

為了判斷采用哪種方法更適合你的應用
，做一個詳細的分析是非常必要的。為了達到所需的最小能耗，你需要評估采樣率的大小，以及MCU在各種模式下的能耗。

 

圖4對比了分別采用上述三種方法時能耗和采樣率的對比情況。圖中的交叉點表明
，為了實現最佳功效，可以從一種方法轉向另一種方法。

圖4：能耗與采樣率對比圖。

 

除了利用ADC進行信號采集之外，特別選擇的MCU還可以使用額外的專用外設。以EFM32 Wonder Gecko MCU為例
，可以選擇使用低能耗傳感器接口(LESENSE)采集信號，並且僅在需要MCU進行處理時才喚醒MCU。圖5說明了LESENSE的工作原理，此例中以模擬信號輸入為例。

圖5：LESENSE的運行原理。

 

處理這種信號的一個標準方法是輪詢輸入
，並且不斷的檢查是否通過了預設的門限值。但是
，這種方法效率極低。采用類似LESENSE的自治傳感器接口，MCU能夠保持在低能耗模式(例如ADC技術示例中用到的EM2)，僅僅當跨越門限值時才喚醒MCU。或者
，更有用的是能夠記錄跨越門限值的次數，例如5次之後才喚醒MCU。這種方法是一種更加節能的解決方案。例如，MCU被LESENSE外設喚醒時，它能知道下一步具體要做什麼，可以直接管理應用的對應部分。圖6顯示了如何使用諸如LESENSE這樣的 MCU外設為能量收集型應用帶來顯著差異。

 

圖6顯示了一個采用能量存儲器為MCU提供電源時的電量測量情況。在兩種應用示例中
，都是以5Hz的頻率通過LESENSE外設采集信號。在第一個例子中
，每次信號采集後都會喚醒MCU，可以看出，能量存儲器的能量在很短暫的時間內就被耗盡了
，然後MCU進入到複位狀態。在第二個例子中，LESENSE外設配置成為每五次信號采集後才喚醒MCU。在這兩個示例中
，采集和傳輸到MCU的數據量都是相同的，但第二個例子中的MCU並沒有進入複位狀態
，應用依舊維持正常運行狀態。因此，通過智能的使用MCU資源，可以獲得更加節能的解決方案。

圖6：使用LESENSE實現節能。

 

雖然我們從現有的能量源中為嵌入式應用收集到的能量沒有顯著的增加，但近些年來，關鍵係統元器件(例如MCU和RF IC)對能量的需求已經顯著下降。ICyuanqijianzhengzaixiangzhegengjiajienengdefangxiangfazhan，zheshidekeyizaigengduodezhinengheshiyongqianrushixitongzhongcaiyongnengliangshoujigongdian。suizhewulianwangshichangdekuaisuchengchang，shejichunenggouziwoweichiyunxingdechuanganqijiedianyichengweibiran。suirandangjinshichangshangdeRF和MCU解決方案有無限選擇，但是在由能量收集供電的嵌入式設計中極度需求MCU和RF器件、而(er)時(shi)間(jian)又(you)是(shi)個(ge)很(hen)重(zhong)要(yao)因(yin)素(su)時(shi)，很(hen)明(ming)顯(xian)沒(mei)有(you)哪(na)一(yi)種(zhong)元(yuan)器(qi)件(jian)能(neng)夠(gou)滿(man)足(zu)所(suo)有(you)需(xu)求(qiu)。然(ran)而(er)，在(zai)建(jian)立(li)節(jie)能(neng)型(xing)係(xi)統(tong)方(fang)麵(mian)，某(mou)些(xie)元(yuan)器(qi)件(jian)的(de)確(que)比(bi)其(qi)他(ta)元(yuan)器(qi)件(jian)更(geng)具(ju)有(you)顯(xian)著(zhe)優(you)勢(shi)。