無電池式低功耗藍牙（BLE）Beacon：採用能量採集技術的BLE

摘要：

低功耗藍牙(BLE)被廣泛運用於那些需要採集數據並將它們傳送至指定目的地的低功耗無線通信應用。

在這些應用中，各類傳感器需要由某種形式的能源供電，以採集數據，並通過BLE發送。

使用有線電源為這些傳感器供電一般不具可行性，例如有時候有些傳感器是位於人體上的。

電池供電型傳感器受電池壽命的限制，需要頻繁充電。

如果某位工程師真正需要設計一款安裝後就無需打理的BLE傳感器應用，該系統就需要利用光、運動、壓力或熱量等周圍環境中未被利用的能量。

這就是能量採集技術的用武之地。

能量採集是一種從外部能源採集能量並用它為嵌入式設備供電的新方法。

但是，在能夠可靠地運用基於能量採集技術的BLE傳感器節點之前，我們需要克服一些挑戰，尤其是在低功耗系統設計中。

本文將闡述其中的某些挑戰以及應對方法。

正文:

智慧型手機等設備給我們的日常生活帶來了許多重要改變。

我們通過手機來獲取能夠直接實時地影響我們的生活、與我們的健康、環境甚至購物方式相關的信息。

然而，大多數信息必需被「拉」出來，即通過一條與另一個設備的連接獲取它們，或者通過搜索網絡獲取它們。

這些方法要求用戶在需要數據時發起一個操作。

但是用戶有時甚至不知道要找什麼或到何處去找，比如說當他們尋找店內某款產品的售價時。

解決辦法就是擁有一個能夠向用戶實時「推送」消息的系統。

由於智慧型手機是向用戶推送信息的最佳途徑，該系統應能便捷有效地向其發送信息。

這就是Beacon的用武之地。

在無線技術中， Beacon是一個廣播消息的系統，目的是讓附近的設備接收到這些消息。

Beacon能夠輕而易舉地向用戶設備傳送數據，而且無需用戶操作。

智慧型手機等現有設備支持可用於實現Beacon功能的各種方法。

為了確保Beacon得到廣泛運用，其中包括得到主流設備的支持、互操作性、較低的安裝成本和低功耗運行，BLE 將成為Beacon通信的不二選擇。

低功耗藍牙(BLE)被廣泛運用於那些需要在較小範圍傳送數據的低功耗無線通信應用。

無線傳感器節點(WSN)就是一個例子。

數據被從傳感器讀出，通常被發送到一部智慧型手機。

這些傳感器節點中的典型應用流程如下圖所示：

圖1 BLE傳感器設備中的典型流程

這些Beacon/傳感器需要由某種能源供電，以保證能夠連續運行和維持整體設備的尺寸。

使用無線電源為這些傳感器供電一般不具可行性，因為這些傳感器要麼是位於人體上，要麼位於遠端，因此使用線纜供電的設計行不通。

電池供電型傳感器存在電池壽命有限、需要頻繁充電、處理時破壞環境等問題。

如果我們真的想要無需任何維護的Beacon，我們就需要利用光、運動、壓力或熱量等周圍環境中未被利用的能量。

這能夠實現「安裝後即無需打理」，使Beacon在其整個生命周期內都能得到供電。

這就是能量採集技術的用武之地。

能量採集是指從周圍環境採集未被利用的能量並進行存儲。

所存儲的能量用於為WSN設備供電，採集傳感器數據，並通過BLE傳輸數據。

圖2 基於能量採集技術的WSN設備的框圖

能量採集系統(EHS)是一個電路，其中包括一個能量採集器件(EHD)，一個能量採集PMIC和一個儲能器件。

EH PMIC使用EHD(如太陽能電池、振動傳感器和壓電器件)提供的能量對儲能器件(通常是一個電容器)進行「涓流」充電。

EHS然後使用所存儲的電荷向另一個嵌入式設備提供能量。

EHS的輸出功率隨WSN的狀態變化而改變。

當WSN處於活動狀態時，能量被消耗，EHS的輸出電壓開始下降。

當其處於低功耗狀態時，由於儲能器件得到充電，EHS的輸出電壓開始升高。

下圖顯示了EHS的輸出電壓隨嵌入式設備的狀態變化而改變的過程。

圖3 EH的輸出電壓隨設備狀態變化而改變

對於EHS供電型設備，活動狀態下所消耗的能量不應超過EHS中的可用能量。

圖4顯示了一個EHS供電型系統，其活動狀態下的能耗超過了EHS所能提供的能量。

EHS的輸出電壓逐漸下降，直到完全停止輸出。

圖4 WSN因電能不足關機

這意味著嵌入式系統的方方面面都應得到能量優化，這樣它才能在EHS的供電下無縫運行。

此類系統中有很多子系統，而它們可能非常耗電，需要得到優化才能確保它們不會拉低EH的輸出電壓。

功耗優化的關鍵領域包括：

1) CPU的時鐘頻率：

系統時鐘頻率決定了例行程序的處理速度以及期間所消耗的能量。

時鐘越快意味著處理速度越快，但電流消耗也越高。

此外，每個設備都有最低和最高時鐘頻率要求，不能超出該要求。

對於基於EHS的設計，可以根據以下兩個因素選擇一個優化型時鐘頻率：

a) 平均電流消耗

b) 峰值電流消耗

EHS的容量必需兼顧這兩個因素。

平均電流是活動狀態下所需的時間平均電流，而峰值電流是活動狀態下的瞬時最大電流要求，通常高於平均電流。

有可能發生以下情況：所需的平均電流在EHS的容量之內，但峰值電流將導致EHS突然耗盡能量，從而導致電壓降至截止電壓以下。

請注意，處理時間是平均電流消耗計算的一部分。

下圖顯示了某個例行程序在兩個不同頻率下(第一個是48 MHz，第二個是12 MH)的功耗-時間圖。

圖5 48 MHz頻率下處理某個例行程序的電流消耗

圖612 MHz頻率下處理某個例行程序的電流消耗

在本例中，48 MHz頻率下處理的例行程序使用了約300μs的時間完成，並在此期間消耗了約10 mA的電流。

12 MHz頻率下處理的例行程序使用了1.1 ms的時間完成，並在此期間僅消耗了4mA的電流。

此過程在12 MHz下的平均電流消耗更高，但峰值電流要求卻更低。

取決於EHS的容量，我們可以採用一個較短的48 MHz時鐘設置，或一個較長的12 MHz時鐘設置，或結合採用兩者，讓時鐘頻率在不同的過程之間來回切換。

在選擇優化型系統頻率時，我們應該考慮這種電流分配。

2) 低功耗設備啟動

嵌入式設備獲得供電後，它將完成一個啟動程序，然後才能執行應用代碼。

一個典型的啟動程序包括：

a) 初始化內存

b) 設置中斷向量

c) 配置外設和通用寄存器

d) 初始化外部時鐘(如果有的話)。

這四個步驟的每一步都需占用CPU處理時間才能完成，因此也要消耗能量。

所消耗的能量取決於所使用的設備、系統時鐘頻率、所初始化的內存/寄存器的容量以及設置外部時鐘所需的時間。

因此，啟動過程將消耗大量電能，必需得到優化才能確保不消耗過多的EH輸出。

編寫啟動代碼時應考慮以下因素：

a) 只初始化那些將被使用的內存和寄存器部分，其它部分維持默認值。

b) 大多數無線系統需要高精度外部時鐘。

這些外部時鐘(如外部時鐘振蕩器和手錶晶體振蕩器)在啟動後有一個較長的穩定時間。

我們不應讓系統在活動狀態下等待時鐘穩定下來，而應將其置於低功耗狀態(睡眠/深度睡眠狀態)，只有在準備使用它時再喚醒它。

我們可以使用一個內部定時器來實現這個目的。

3) 低功耗系統啟動

一旦設備開始執行應用代碼，通常需要啟動系統中的各個外設。

這些外設可能位於設備之中，如ADC，也可能位於設備之外，如某個傳感器。

單個外設的啟動時間可能不長，但所有外設的總處理時間可能長到足以耗盡EHS中存儲的能量。

我們應該計算指定CPU頻率下的外設啟動時間，然後確定整體啟動所有外設所需的能量預算是否可行(較快)，或是否需要將啟動程序分為多個階段(較慢)。

4) 分階段應用處理

設備將有不同的應用例行程序，它們需要自己的CPU帶寬。

這些例行程序可能是為了配置某個外設，從傳感器接收數據，執行計算，管理事件或中斷。

我們應該確保處理所用能量不超過EHS的容量。

如果超過了，應將它們分為較小的子例行程序，並分階段管理它們。

這可以將EHS上的負荷分成多個可管理的電流脈衝，從而讓EHS能夠在活動的CPU進程之間進行充電。

此外，在各個階段之間，應將系統置於低功耗模式，並將一個計數器或Watchdog計時器用作喚醒源，作為中斷。

由於系統必需在該模式下保持較長時間，期間的電流要求應儘可能低。

5) 無線傳輸

採集數據後，必需通過BLE傳輸它們。

傳輸可以通過一條BLE連接或BLE廣播完成，但支持能量採集的Beacon只能採用BLE廣播，這是因為使用一條連接傳輸數據之前，需要消耗大量能量建立該連接。

通常而言，無線操作，無論是發送(Tx)還是接受(Rx)，是無線設備中耗能最多的操作。

我們應確保BLE操作是一個獨立的過程，只有在EH輸出能夠提供足夠的峰值電流時才與其它過程結合在一起。

賽普拉斯的基於電源管理IC(PMIC)的能量採集器為傳感器和網絡提供一種無電池技術。

它們精準的輸出功率控制功能和高效的能量採集功能使它們成為小型無線和Beacon應用的理想選擇。

它們既可以獨立用作電源，或與鋰電池等其它電池設備配合使用，用於延長設備的工作壽命。

一個EH PMIC可以從一個低電壓開始，適應應用的需求。

MB39C831等某些產品具備最大功率點跟蹤(MPPT) 功能。

MPPT可讓內置的DC/DC轉換器通過跟蹤輸入功率控制輸出充電功率，從而最大程度提高功率輸出。

MB39C811等PMIC支持雙採集輸入，可以從兩個不同的源採集能量。

S6AE101A等優化型PMIC(太陽能或光能EHD優化型)具備極低的啟動和靜態功耗，可以使用一個很小的太陽能電池。

無電池式無線Beacon的另一個考慮因素是MCU的選擇。

被集成為SoC等可編程系統、同時支持各種低功耗模式的MCU是此類應用的理想選擇。

賽普拉斯的可編程片上系統(PSoC)可與那些可用於對接傳感器的各類外設緊密集成。

尤其是PSoC 4 BLE，它包含多個低功耗外設以及一個BLE射頻單元和BLE協議棧，從而提供了一個真正的單晶片BLE傳感器節點。

此外，其對超低功耗模式的支持還能讓系統與能量採集器、紐扣電池等小型電源無縫配合。

實踐證明，這些能量採集器外加PSoC是無電池型BLE傳感器節點應用的最佳設計。

有關PSoC 4 BLE的更多信息，請參閱應用筆記AN91267 ，您還可以參閱應用筆記AN92584，詳細了解如何進一步優化BLE系統的功耗。

請點擊此處，詳細了解賽普拉斯的PMIC解決方案以及它們的最新特性。

附錄

A1：EH供電型BLE傳感器節點中各個過程的示波器螢幕截圖

1) EHS的輸出電壓隨CPU 活動的變化。

黃色信號是EHS的輸出電壓，綠色信號是嵌入式設備消耗的電流。

綠色峰值是CPU活動期間的電流消耗，平直信號是設備處於低功耗模式時的電流消耗。

請注意，由於能量被消耗，EHS的輸出電壓在每次CPU活動時(綠色峰值信號)都會下降。

另請注意，低功耗狀態期間電壓會恢復，這是因為EHS對儲能器件進行了充電。

2) EHS內部不對儲能器件進行充電時，EHS的輸出電壓隨CPU 活動的變化。

請注意，由於能量被耗盡，電壓降至截止電壓以下， EHS輸出此時會被關閉。

3) 設備啟動時的電流消耗(綠色信號)。

4) EH供電型Beacon的BLE(TX)活動