智能手机等设备为我们的日常生活带来了许多重要改变。我们经常透过手机取得能够直接且实时影响我们的生活、关系到我们的健康、环境甚至购物方式的信息...

然而，大多数的信息必须被“拉”出来，即透过与另一个设备联机或在网络上进行搜寻而取得信息。这些方法要求用户必须在需要信息时开启一项行动。但是，用户有时甚至不知道要找什么或到何处去找，例如当他们在商店中寻找某款产品的售价时。

其解决之道就在于拥有一个能够向用户实时“推送”消息的系统。由于智能型手机是向用户发送信息的最佳途径，该系统必须能毫无阻碍地更有效率为其传送信息。此时，就是Beacon的用武之地。

在无线技术中，Beacon是一种播送消息的系统，目的在于让附近的用户设备接收到这些消息。Beacon能够轻而易举地向用户设备传送数据，而且无需用户操作。智能型手机等现有设备支持可用于实现Beacon功能的各种方法。为了确保Beacon得到广泛运用，其中包括得到主流设备的支持、互操作性、低安装成本和低功耗作业，蓝牙低功耗(BLE)将成为实现Beacon通讯的理想选择。

BLE被广泛运用于需要在较小范围传送数据的低功耗无线通信应用。无线传感器节点(WSN)就是一个例子。从传感器中读取的数据通常被传送到智能型手机。在这些传感器节点中的典型应用流程如图1所示：

图1：BLE传感器设备中的典型流程

这些Beacon/传感器需要由某种能源供电，以确保能够连续执行和维持整体设备的尺寸。使用有线电源为这些传感器供电一般不具可行性，因为这些传感器通常不是位于人体上就是在远程；因此使用线缆供电的设计行不通。电池供电型传感器存在电池寿命有限、需要频繁充电，以及处理时破坏环境等问题。

如果我们真的想要无需任何维护的Beacon，就需要使用来自光、动作、压力或热量等周遭环境中未被利用的能量。这能够实现“安装后即无需打理”(install-and-forget)的功能，使Beacon在整个设备生命周期内都能得到供电。

这就是能量采集技术可发挥作用之处。能量采集是指从周围环境中采集未被利用的能量并进行储存。所储存的能量可用于为WSN设备供电、采集传感器数据，并透过BLE传输数据。

• 图2：基于能量采集技术的WSN设备架构图*

能量采集系统(EHS)是一个包括能量采集组件(EHD)、能量采集PMIC和储能组件的电路。能量采集PMIC使用由EHD(如太阳能电池、振动传感器或压电组件)提供的能量为储能组件(通常是电容器)进行“涓流”充电。然后EHS使用所储存的电荷为另一个嵌入式设备提供能量。EHS的输出功率随WSN的状态变化而改变。当WSN处于主动状态时会消耗能量，EHS的输出电压开始下降。当它处于低功耗状态时，由于储能组件得到充电，EHS的输出电压开始升高。图3显示EHS的输出电压随嵌入式设备状态变化而改变的过程。

图3：能量采集系统的输出电压随设备状态变化而改变

对于EHS供电设备而言，主动状态下所消耗的能量不应超过EHS中的可用能量。图4显示在一个EHS供电型系统中，其主动状态下的能耗超过了EHS所能提供的能量。EHS的输出电压逐渐下降，直到完全停止输出。

图4 ：WSN因电能不足导致关机

图5-8显示以能量采集供电的BLE传感器节点，在各种作业时的示波器屏幕截图细节。

• 图5：EHS的输出电压随CPU活动过程而变化*

图5中的黄色信号是EHS输出电压，绿色信号是嵌入式设备消耗的电流。绿色峰值是CPU活动期间的电流消耗，平直信号是设备处于低功耗模式时的电流消耗。

值得注意的是，由于能量被消耗，EHS的输出电压在每次CPU活动时(绿色峰值信号)都会下降。此外，电压会在低功耗状态期间恢复，这是因为EHS为储能组件进行了充电。

图6：在EHS内部无法对储能组件进行充电时，EHS的输出电压随CPU活动而变化

图6中值得注意的是，由于能量被耗尽，电压降至截止电压以下，此时，EHS输出电压会被关闭。

图7：在设备开机时的电流消耗(绿色信号)

图8：以能量采集组件供电的BLE在Beacon中的传输活动

EHS中存在有限的功耗预算，意味着嵌入式系统的各方面都应该实现能量优化，才能在EHS的供电下无缝运作。此类系统中有很多子系统，它们可能非常耗电，需要得到优化才能确保不至于拉低EHS的输出电压。功耗优化的关键领域包括：

CPU的频率频率

系统频率频率决定了例行任务的处理速度以及期间所消耗的能量。频率越快意味着处理速度越快，但电流消耗也越高。此外，每个设备都有最低和最高时的脉频率要求，不能超出该要求。

针对基于EHS的设计，可以根据以下两个因素选择一个优化的频率频率：

• 平均电流消耗
• 峰值电流消耗

EHS的容量必需兼顾这两个因素。平均电流是主动状态下所需时间的平均电流，而峰值电流则是主动状态下的瞬时最大电流要求，通常高于平均电流。有可能发生的情况是：所需的平均电流就在EHS的容量范围内，但峰值电流将导致EHS突然耗尽能量，从而导致电压降至截止电压以下。请注意，处理时间是平均电流消耗计算的一部份。

图9和图10显示一次例行处理任务在两种不同频率下(图9是48MHz，图10是12MHz)的功耗-时间图。

图9：48MHz频率下处理某个例行任务的电流消耗

图10：12MHz频率下处理某个例行任务的电流消耗

在此例中，48MHz频率下处理的例行任务使用大约不到300μs的时间完成，并在此期间消耗了约10mA的电流。12MHz频率下处理的例行任务使用了1.1ms的时间完成，并在此期间仅消耗4mA的电流。这一过程在12MHz时的平均电流消耗更高，但峰值电流要求却更低。取决于EHS的容量，我们可以采用一个较短的48MHz频率设置，或一个较长的12MHz频率设置，或结合采用两者，让频率频率在不同的过程之间来回切换。在选择优化的系统频率时，应该考虑到这样的电流配置。

启动低功耗设备

嵌入式设备获得供电后，它必须先完成开机启动程序，然后才能执行应用程序代码。一个典型的开机程序包括：

• 初始化内存
• 设置中断向量
• 配置外围和通用缓存器
• 初始化外部频率(如果有的话)

这四个步骤的每一步都占用了CPU处理时间才能完成，因此也消耗了能量。所消耗的能量取决于所使用的设备、系统频率频率、初始化的内存/缓存器设置多大容量，以及设置外部频率所需的时间。因此，开机过程将消耗大量电能，必须得到优化才能确保不消耗过多的能量采集器输出。编写开机程序代码时应考虑以下因素：

• 只初始化那些将被使用的内存和缓存器部份，其它部份维持原始设定值。
• 大多数无线系统需要高精确度的外部频率。这些外部频率(如外部频率振荡器和手表晶体振荡器)在开机后会有一个较长的稳定时间。我们不应该让系统在主动状态下等待频率稳定下来，而是必须让系统处于低功耗模式(睡眠/深度睡眠状态)，只在准备使用时再唤醒它。我们可以使用一个内部定时器来实现这个目的。

低功耗系统启动

一旦设备开始执行应用程序代码，通常需要启动系统中的各个外围设备。这些外围设备可能位于设备内部，如ADC，也可能位于设备之外，如某个传感器。单个外围设备的启动时间可能不长，但所有外围设备的总处理时间可能长到足以耗尽EHS中储存的能量。

我们应该计算指定CPU频率下的外围设备启动时间，然后确定启动所有外围设备所需的能量预算是否可行(较快)，或是否需要将启动程序分为多个阶段(较慢)。

分阶段应用处理

设备通常都有不同的应用例行任务，它们需要自己的CPU带宽。这些例行任务可能是为了配置某个外围设备、从传感器接收数据、执行计算，以及管理事件或中断；必须确保处理所用的能量不超过EHS的容量。如果超过了，必须将其分为较小的子例行任务，并分阶段进行管理。这可以让EHS上的负载分成多个可管理的电流脉冲，从而让EHS能够在主动的CPU进程之间进行充电。

此外，在各个阶段之间，应将系统置于低功耗模式，使其得以采用计数器或Watchdog定时器为唤醒源作为中断。由于系统必须在该模式下保持较长时间，在此模式时的电流要求应尽可能降低。

无线传输

采集数据后，必须透过无线方式进行传输。此时可以透过BLE连接或BLE播送的方式完成传输，但支持能量采集的Beacon只能采用BLE播送方式，这是因为在使用联机传输数据之前，需要消耗大量的能量才能建立BLE连接。

一般来说，无论是传送(Tx)还是接收(Rx)，无线活动都是无线设备中能耗最高的作业。确保BLE活动是一个独立的过程，只有在EHS输出能够提供足够峰值电流时才与其它过程结合。

结语

能量采集器PMIC可以在低电压时启动，并因应不同应用的需求。例如，赛普拉斯(Cypress)基于电源管理IC(PMIC)的能量采集器为无线传感器和网络提供一种免用电池的技术。它兼具精确的输出功率控制和高效率的能量采集功能，使其得以成为小型无线和Beacon应用的理想选择。它可以独立作为电源，或与锂电池等其它采用电池的设备搭配使用，进一步延长了设备的的工作寿命。

例如MB39C831等产品还具备最大功率点追踪(MPPT)功能，可让内部的DC/DC转换器透过追踪输入功率控制输出充电，从而最大程度地提高功率输出。MB39C811等PMIC支持双采集输入，可以从两个不同的来源采集能量。而像S6AE101A等优化PMIC(太阳能或光能EHD优化)具备极低的启动和静态功耗，能够仅使用一个很小的太阳能电池。

免用电池的无线Beacon还必须考虑另一个因素——选择合适的MCU。被整合为SoC等可编程系统且支持各种低功耗模式的MCU是此类应用的理想选择。Cypress的可编程系统单芯片(PSoC)能够与那些可用于连接传感器的各类外围设备密切整合。尤其是PSoC 4 BLE，包含了多个低功耗外围设备以及一个BLE无线单元和BLE协议堆栈，从而提供了真正的单芯片BLE传感器节点。

此外，它还支持超低功耗模式，让设计能与能量采集器、钮扣型电池等小型电源无缝搭配。这些能量采集器外加PSoC可为免用电池型BLE传感器节点应用实现优化设计。

本文授权编译自EE Times，版权所有，谢绝转载

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