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)于擷取器源來說相當(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始?；谧钚翸EMS技術(shù)的傳感器可滿足這些要求，通過結(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太陽能電池多傳感器平臺(tái)已準(zhǔn)備好連接太陽能電池板，并通過藍(lán)牙低功耗傳輸傳感器數(shù)據(jù)。
RSL10太陽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。
由于從周圍能源如太陽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。基于這些數(shù)位，太陽能擷取器需要提供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能模組來為RSL10太陽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連接。
Ribes Tech FlexRB-25-7030太陽能模組幾乎完全滿足要求，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。明亮的陽光、額外的人造光源，或在戶外或在窗戶邊，光照可增加幾百lux。
圖二: 采用一個(gè)商用太陽能電池板演示RSL10太陽能電池多傳感器，該太陽能電池板能在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。電池需要防止過度充電和過度放電，這可能需要一個(gè)開關(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，這得益于不斷開發(fā)超低功耗的半導(dǎo)體技術(shù)和高效的無線傳輸協(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。
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