楼宇自动化系统中的能量收集系统构建方法

时间： 2019-07-02 来源：Silicon Labs

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能量收集型系统的现实意义

能量收集概念已经出现超过10年了，然而在现实环境中，由环境能源供电的系统一直很笨重、复杂和昂贵。不过，有些市场已经成功地采用了能量收集方法，如交通运输基础设施、无线医疗设备、轮胎压力检测和楼宇自动化系统。尤其是在楼宇自动化系统中，诸如占位传感器、自动调温器甚至光控开关等，以前安装时通常使用的电源或控制配线，现在已经不需要了，取而代之是，它们采用了局部能量收集系统。

一个采用能量收集方法的无线网络可以将一栋大楼中任何数量的传感器连接起来，以在非主要区域的大楼或房间中没人时，调节该区域的温度或关掉该区域的照明灯，从而降低HVAC和电力费用。此外，能量收集电子线路的成本常常低于布设电源线的成本或更换电池所需的日常维护成本，因此用收集的能量供电之方法，显然有经济收益。

不过，如果每个节点都需要自己的外部电源，那么很多无线传感器网络就失去了优势。尽管电源管理技术确实在持续发展，已经使电子电路能在给定电源情况下工作更长时间，但这是有限度的，而用收集的能量供电提供了一种补充方法。因此，能量收集通过将局部环境能源转换成可用的电能，成为一种给无线传感器节点供电的方法。

环境能源包括光、温差、振动波束、已发送RF信号或能通过换能器产生电荷的任何能源。这些能源在我们周围到处都是，利用合适的换能器，如面向温差的热电发生器（ TE G）、面向振动的压电组件、面向太阳光（或室内照明光）的光伏电池等，可将这些能源转换成电能，这些所谓的“免费”能源可用来自主地给电子组件和系统供电。

随着RF和微控制器MCU器件在性能与能耗方面取得的新进展，意味着构建一个采用能量收集型应用，例如传感器节点，现在变得更加容易。此外，对于同样的能量收集而言，新构建的应用能够比之前应用提供更强的能力。因此，在越来越多的应用中，能量收集为传感器节点供电正在成为切实可行的解决方案，本地化处理采集的数据，然后回传到一个集中器。

能量收集型系统组成

我们来考虑一个嵌入式能量收集型系统，如图1所示。其中某些组成部分，例如能量收集器，在任何能量收集型设计中都是必要的。

图1：能量收集型传感器节点

从哪里可以获取传感器供电所需能量呢？从光、热、振动还是RF？表1中汇总了可收集潜在能量的常见能量来源。本例中，假设我们正在使用太阳能收集器。除了能量收集源之外，应用中也需要某种形式的能量存储设备，最常见是电容组，或者小型可充电电池。

表1：能量收集源

如何构建优质的能量收集型系统

除了这些应用组成部分之外，开发人员还要选择元器件进行相关设计，所选择的元器件必须待机电流极低；在工作模式时功耗极低；且能够在活动模式和待机模式之间快速切换。

1）添加RF连接

RF元器件选型时，关键因素是要选择一个合适的通信协议，协议要能够提供足够带宽以传输所需数据，同时能耗要尽可能低。简单、专用的sub-GHz解决方案非常适合能量收集型应用的需求。我们假设该设计中由于进行了本地信号处理，而仅仅需要进行少量数据传输，那么RF元器件在大部分时间里将处于待机模式，仅在需要传输少量预处理数据时才被唤醒。基于以上这些原因，高能效的sub-GHz收发器，例如SILICON LABS 公司的Si4464，会是很好的选择。Si4464的待机模式电流仅50nA，在非收发模式下能够最大限度的减少能量消耗，而且从待机模式切换到运行模式时，唤醒时间仅需要450us。这种等级的无线能效使得开发人员能够在获取和管理数据的应用中，实现 RF元器件的能耗最小化。

2）选择合适的MCU

接下来讨论MCU，一个理想候选者是内建ARM Cortex-M4内核的MCU，它拥有大量专用的DSP功能，与没有DSP能力的MCU相比，能够在更少的时钟周期内完成信号处理。为了体验带有DSP功能的内核所提供的益处，可以考虑在能量收集型应用中使用Silicon Labs公司的EFM32 Wonder Gecko MCU。然而，内核并不是获取最佳能效的唯一因素。还需要考虑其他方面，例如信号采集所需的能耗(以及所使用的技术)、MCU外设之间的交互，使得MCU能够在更长的时间内保持在低能耗模式。

3）高能效的信号采集

考虑到信号采集任务，最佳化能效可以通过多种方式实现。假设要获取的是模拟信号，就可以采用模数转换器(ADC)或者专用接口实现信号采集。我们先从ADC开始，有几种方法可用于数据采集。图3中图形化显示了这些过程。首先最常用的做法是，利用计时器触发ADC采样，并将所获取的采样数据传输到DMA，在1Ksps采样速率下，能耗为165uA。尽管这很好地利用了外设的互动性，但没有使用MCU的任何特殊功能。

图3：EFM32 MCU上的低功耗ADC工作原理

第二种方法在同样采样速率下改善了能耗。其方法是在待机状态时让MCU进入能耗模式2(EM2)，一直到被中断唤醒为止(中断可来自多种触发源，包括EM2下的可用定时器)。EM2的待机能耗为900nA，但是MCU只需要2us就能恢复全速运行状态。因此，超低能耗模式带来的时间成本，EM2切换回全速运行状态所带来的能耗，两者间达到了很好的平衡。这种情况下，同样实现1Ksps采样速率时，能耗降低到60uA，与第一种方法相比能耗有了显著下降。此方法可能是最合适的方法，因为许多嵌入式应用都是靠中断驱动的。然而，根据应用对特殊情况的要求，还可以利用其他方法进一步降低能耗。

第三种方法(可视此方法为一个“优化循环”方案)仍然采用EM2，但本次并非等待中断，而是使用等待事件(Wait for Event ，WFE)指令，该指令是Cortex-M指令集的一部分。WFE指令使MCU能够对外部或者内部事件进行响应，类似于中断触发。然而，在这种情景下，不再是从主循环中进入中断，而是MCU直接从EM2中唤醒并开始执行下一条指令，消除了中断延迟时间。虽然这种方法并不适合所有应用，但采用此方法可以降低能耗，同样1Ksps采样速率时，能耗不到20uA。

为了判断采用哪种方法更适合您的应用，做一个详细的分析是非常必要的。为了达到所需的最小能耗，你需要评估采样率的大小，以及MCU在各种模式下的能耗。

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全部评论（2）

我的名字 Lv7. 资深专家 2017-12-27

不错
妍妍 Lv5. 技术专家 2017-12-11

写的很好

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