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通过能量采集技术使电子设备与物联网进行连接

出处:电子发烧友 发布于:2019-04-01 13:42:47 | 4767 次阅读

  能源就在身边,但是将传感器和执行器连接在一起的能力是一个相当大的挑战。由于越来越需要将这些设备连接到物联网(IoT)以允许从智能手机进行控制以及分析云中的数据,因此这一挑战更大。
有许多不同的连接方式这些设备都会对电力预算和能源收获方式产生影响。不同的源可以是光,振动能,来自温差的热能或甚至来自传输的无线电能。这些都具有不同的功率产生方式的特征,并且这些必须由功率管理子系统考虑。这对于需要高峰值电流的无线链路尤为重要。这些高电流脉冲对电池提出了巨大的要求,如果对无线广播反复进行,电池可能会损坏。在发射和接收模式期间,无线传感器系统中几十毫安的脉冲是常见的,并且电池单元的内部阻抗经常导致内部电压降,从而阻止电池以正确的电压传递脉冲电流。

阻止这种情况的一种方法是在电池两端使用低等效串联电阻(ESR)电容,以便电池在放电脉冲之间为电容充电,并且电容器将脉冲电流提供给电容器。加载。这也可以应用于能量采集源为电容器充电。

         图1:德州仪器(TI)的eZ430-RF2500-SEH评估套件将太阳能电池板连接到低功率微控制器和2.4 GHz无线收发器,将传感器节点连接到物联网。
太阳能可能是来自环境的主要电力。太阳能电池可以提供高达3 V的电压和电流传感器和无线链路。然而,从细胞递送的功率在白天可以显着变化,并且在夜间也使用人造光。最大功率点跟踪(MPPT)算法可以跟踪来自单元的功率转换,以确保该过程始终处于最有效的状态。

图1中德州仪器的eZ430-RF2500-SEH太阳能评估套件使用2.25英寸x 2.25英寸太阳能电池阵列为MSP430微控制器和CC2500 2.4 GHz无线收发器供电,以连接传感器物联网。高效太阳能电池阵列经过优化,可在低强度荧光灯下在室内工作,并且无需额外电池即可提供足够的电力来运行无线传感器应用。该系统在一对容量为100μA的薄膜电池和1000μF电容器中存储额外的能量,用于无线传输期间的高电流脉冲。它们为400多次传输提供足够的功率,并充当能量缓冲器,在应用程序处于休眠状态时存储能量,并且可以收获光。来自电路板的电源管理状态和控制信号(图2)被送入MSP430控制器,其中已写入固件,以最大限度地延长系统的整体寿命。

         通过能量采集技术使电子设备与物联网进行连接图2:来自eZ430-RF2500-SEH板的控制和电源管理信号由MSP430微控制器处理。
CC2500收发器是将能量收集节点连接到网络的关键。这具有-104 dBm的高灵敏度,接收模式下的低电流消耗为13.3 mA,数据速率为2400 bit/s。这意味着从节点到网关的距离可以通过降低灵敏度与太阳能电池可用的功率进行平衡,这将降低电流需求,使其与能量收集源匹配。 eZ430套件允许开发人员测试不同的调制方案,如OOK,2-FSK,GFSK和MSK,以获得最低功耗的最佳连接。
另一种方法是使用最新版本的Bluetooth Smart(版本4.0和4.1),这增加了低功耗操作,现在允许该技术与能量收集源一起使用以将节点连接到物联网。新方法的关键要素是快速建立和拆除链路,尽可能快速有效地发送数据,以最大限度地减少使用的能源。
Silicon Labs的蓝牙智能开发套件目前使用的BLE112蓝牙模块基于与太阳能收集板相同的CC2500设备,但蓝牙智能堆栈,脚本和应用程序编程接口运行内部8051微控制器。这为开发人员提供了一种简单的方法来实现蓝牙功能,以连接到附近的智能手机或其他支持蓝牙的终端。与上面的示例一样,这也需要一个缓冲和控制的电源管理子系统,以便在设置蓝牙链路时提供高峰值电流。
通过能量采集技术使电子设备与物联网进行连接图3:蓝牙智能开发板上的接口允许能量收集源和管理器为智能手机的无线链路供电,作为物联网的一部分。
这可以提供高达1 Mbit/s的数据速率,并使用最新的IPv6协议,以便数据包可以轻松转发到Internet进行进一步分析。
BLE112智能模块还可以承载最终用户应用程序,这意味着无需外部微控制器来运行传感器节点,保持断电并允许其通过小型能量收集源供电可充电电池。在最低功耗睡眠模式下,它仅使用500 nA,并将在几百微秒内唤醒以发送数据。
其他开发人员采取了不同的方法来降低功耗:产生自己的低功耗使用能量收集连接设备的协议。 EnOcean的低功耗技术基于需要仅100纳安或更低的待机电流的电报,在其他无线方法上的改进超过10,000倍。
这是因为认识到很难使用IPv6作为通信协议实现非常低的功率,因为它在报头中引起40字节协议数据的显着开销。此外,在IPv6上运行的最简单的协议UDP(用户数据报协议)需要额外的8个字节,因此只传输一个字节的数据需要48个字节的头信息。
相反,EnOcean的协议基于ISO/IEC 14543-3-1X规范和IEEE 802.15.4的超低功耗规范,仅使用7字节的报头信息,大大减少了数据量发送,将链路的能效提高到50μW,并开放使用各种能量收集技术。这甚至可以包括灯开关产生的动能,它为无线链路供电以发送一个字节的数据。

         与节点的连接只是物联网的一部分。为了连接到Internet,EnOcean系统使用专用IP网关在节能传感器协议和IPv6之间进行智能数据处理之间的转换(图4)。网关监视每个连接的传感器节点的状态,并充当其在IPv6网络中的代表,将每个物理设备再现为虚拟设备。网关还存储可以发送到设备的所有信息和命令,通常根本不需要联系节点。

        通过能量采集技术使电子设备与物联网进行连接图4 :EnOcean的超低功耗协议依赖于网关将无线传感器连接到物联网。
每当温度传感器或交换机等节点发送新信息时,都会将其存储在网关中,以便于检索而无需查询节点。发送到节点的任何命令,例如更改通信信道,都被收集在一起并一次性发送,再次最大限度地减少功耗。
        结论
使用无线连接到传感器物联网为使用能量收集源消除在设计中更换电池的需要带来了重大挑战。从开关的动能到太阳能电池阵列,高峰值电流与各种不同能源相结合,呈现出巨大的设计空间。诸如eZ430 SEH等开发套件可以帮助设计人员利用各种协议和电源管理算法探索太阳能发电空间,而蓝牙套件可以探索与智能手机的连接以提供数据。为了支持更广泛的能源选择,EnOcean协议和基于网关的架构可以帮助设计人员将更多的无线节点连接到物联网。


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