感測電源通訊全套節能　太陽能供電感測裝置設計正夯

儘管物聯網(IoT)的應用數量正在毫無疑問地激增，但迄今只有少數報導提醒社會大眾留意電力供應的問題，以便能夠因應迅速增加的感測器和收發器(圖1)。在法國南錫舉行的2018年世界材料論壇(World Material Forum)上，證實了IoT的快速增長以及對資料儲存、處理和傳輸的高要求將成為該專案可持續性的重要問題。因此，在能源供應問題上，任何形式的能量採集都受到歡迎。應對這一挑戰的全面潛在方案包括：設計超低功耗嵌入式硬體平台、智慧系統級電源管理、從工作環境中採集能量讓設備能自行供電。

在實施這些方案時，電子設計人員必須記住，IoT感測器不僅測量一個值，例如：溫度、濕度、污染、光照水準等，而且還需要將該值傳輸給其系統主機(通常利用無線方式傳輸)。除此之外，為了實際落實這些方案，設計人員必須全面考慮設計中的每個系統級元件，包括感測器、接收器、能源和通訊工作週期。

超低功耗收發器和通訊協定

設計的第一步是選擇超低功耗又支援無線協定以傳輸資訊的RF收發器，適當的無線協定應支援並含以下特性：支援區域網路傳輸距離，室內範圍約十公尺；藉由架構實現低功耗，短訊框和低Tx功率可減少CPU和無線電功率預算；支援安全傳輸，例如加密；提供簡單的接收機制(信標)；提供易用的硬體實作，例如，感測器和收發器之間的直接介面；高整合度SiP或單晶片；提供標準化的通訊協定，例如：IEEE或SIG類型，包括感測器節點和閘道之間的互通性；低實作成本增進市場可用性。

幸運的是，藍牙技術小組(SIG)和Zigbee聯盟提供了無線通訊協定，多年來，他們都持續專注讓各自協定可以最佳化。

目前，市場上提供了藍牙5與Zigbee Green Power協定，鎖定在短訊框持續時間、安全性和發射功率等開發最佳化的解決方案，讓傳輸所需的資訊最快可以在10毫秒(ms)內連接。主要關鍵是如何用能源最佳化的元件實施這些協定，並充分利用電壓和電流資源。對此，安森美基於其在超低功耗微控制器與助聽器音訊的專業知識來設計元件，在6dBm時的功率預算低至10mW，例如：支援Zigbee協定的NCS36510，以及支援藍牙低功耗的RSL10。協定的組合與智慧電源實施要求得出以下方程式，如圖2所示。

選擇能量採集來源

圖2中的方程式提供了現代低功耗連結，以及通訊協定能源需求的指導原則，再來選擇合適的採集來源和使用範圍，但時間是另外必須考慮的因素。 然而，持續採集方案產生的功率或許很低，但目的是隨時間進行累積，因此增益因數具有重要地位。例如，採集1秒並傳輸10ms會產生100的增益。採集10秒並傳輸5ms會產生2,000的增益，電解電容器技術則完全支援數秒範圍內的能量累積。

基於太陽能能量採集

從RSL10藍牙5無線電或NCS36510 Zigbee系統單晶片(SoC)的案例來計算，在協定傳輸期間(持續最多10ms)將需要大約10mA的電流。對於每秒的傳輸，可以將增益提高100倍。如果傳輸每10秒發生一次，則增益將為1,000x，這意味著能設定太陽能採集器是10mA/100=100μA或10mA/1000=10μA的電流源。

有趣的是，如Ribes Tech的FlexRB-25-7030太陽能電池(見圖3)在200lux時，提供16A或在1,000lux時提供80A，這正滿足所需。使用Ribes Tech的FlexRB-25-7030之類的太陽能電池，能夠提供一種自主感測器，以1到10秒的工作週期發送藍牙低功耗或Zigbee。

常見照明條件

大多數太陽能電池的特徵在於兩組照明條件：200lux和1,000lux。這些條件涵蓋了廣泛的日常照明，如表1所示。

以2秒的工作週期，能夠實現一個無電池感測器節點，該節點能夠測量緩慢變化的參數，例如：濕度、溫度、大氣壓力、室內參數、光強度。 根據本文前面提到的資訊，開始研究整個採集系統的行為(如圖4)。首先，必須有一個能量預載入(Preloading)階段，促使元件在觸發第一次通訊前從太陽能電池中採集能量。一旦元件捕獲並儲存了足夠的能量，微控制器(MCU)就必須設置通訊參數、Tx功率、通道選擇和溫度測量。該活動將在MCU大部分處於活動狀態時獲得，因此緩衝的能量必須足夠高，以傳輸盡可能多的信標訊框(Beacon Frame)。

技術挑戰和實施

連接第一步是選擇通訊和資料處理IC，該IC可以支援所需的通訊協定，並具有由採集元件決定的可用能量預算。在大多數情況下，要求選定的元件支援高效能的待機和深度睡眠模式，能夠在不需要任何操作時節能。為了簡化電源傳輸，首選具有最小輸入電壓或寬輸入電壓範圍的元件，這樣可以使用簡單的降壓或線性穩壓器來調節或限制系統電壓。

類似的要求也適用於系統中使用的感測器，如果不能提供睡眠模式，則可以實施電源門控，不需要感測時禁用感測器電源。

儲能

下一部分探討儲能和能量管理，主要提供感測器和微控制器的電力。為了儲存所採集的能量，可能有多種方法，但都是取決在目標應用的需求。基本上，大部份使用基於電容器或電池的方案。由於能量密度較低，基於電容器的方案通常比電池方案在相同體積下具有較低的整體容量，這使得電池更適合於需要長時間在無光源時保持工作的感測器(見圖5)。

另外，電池系統面臨的挑戰是它們需要更複雜的能量管理系統，這包括充電和放電控制，以及針對過度充電和過度放電的電池保護，這增加了系統複雜性與材料單(BOM)成本，因為這種能量管理系統通常涉及開關穩壓器(額外的無源元件)，以及藉由所需的功能而導致更複雜的IC，晶片的複雜性與高效能、低靜態電流的要求通常導致相當昂貴的IC解決方案。

在不需要於無光照環境之下運作較長時間的應用中，基於電容器的方案可能是一種更具成本效益的方案。該儲存電容器臨時累積來自太陽能採集元件的能量，直到有足夠的能量可用於執行測量並傳輸結果為止。

當使用具有足夠額定電壓的電容器時則不需要充電電路，因為太陽能採集器暴露在預期峰值亮度下時的開路電壓，決定了最大輸入電壓，如果電容器的額定電壓超過開路電壓，則無需充電電路或保護。

基於電池和電容器的方案都需要調節輸出電壓，以為連接的電路(感測器、微控制器等)提供適當的電壓。使用基於鋰的儲存選項的系統達到的電壓高於4V，該電壓通常超出感測器和微控制器的輸入電壓範圍，為了匹配為1.8至3.3V的電源電壓，需要降壓轉換。

在基於電容器的系統中，電壓與所儲存的電荷量線性相關，這可能會導致整個放電週期的電壓變化很大，而這並不是所有感測器或微控制器都能接受的，因此需要某種穩壓器來穩定電源。

RSL10太陽能電池多感測器電路板是用於無電池IoT應用(包括智慧建築、智慧家居和工業4.0)的綜合開發平台。該電路板基於業界最低功耗的藍牙低功耗無線電(RSL10)，含用於溫度和濕度感測的多個感測器(BMA400智慧3軸加速度計，BME280智慧環境感測器和NCT203寬範圍數位溫度感測器)(圖6)。該面板還具有一個47μF的超低成本、低重量和薄型儲存電容器，一個程式設計和除錯介面以及一個連接的太陽能電池。

由於該元件從低電流源採集能量，因此在運行和採集能量時，整個系統的漏電流很小。為此選擇了幾種智慧元件，其中包括電路板載的超低靜態電流LDO(NCP170)。

有了這份元件清單，潛在的應用範圍非常廣泛，例如：

1. 智慧建築

·氣候控制(環境)

·窗戶破損檢測(3軸加速度計)

·樓宇自動化(兼具環境及3軸加速度計)

·門破損檢測(3軸加速度計)

·門窗開關狀態報告(3軸加速度計)

·會議室占用監控(兼具環境及3軸加速度計) 2. 智慧家居 ·環境控制(環境) ・屋頂和窗戶控制(兼具環境及3軸加速度計)

·窗戶破損(入侵)檢測(3軸加速度計)

3. 工業4.0/智慧城市

·空氣污染檢測(環境)

·工人安全(兼具環境及3軸加速度計)

·安防監控(3軸加速度計)

4. 行動健康偵測

·整合/可攜式感測器(3軸加速度計)

·自行車/摩托車主動式頭盔(3軸加速度計)

硬體設置和最佳化

RSL10太陽能電池多感測器使用安森美RSL10處理測量資料，並以藍牙低功耗廣播資料包傳輸結果，能使用智慧手機或任何其他支援藍牙低功耗的設備接收資料包以進行視覺化。

鋁電解電容器將用作主要的儲能，太陽能採集器的開路電壓範圍為3至6V，因此可以在電路中使用約10V的額定電容器，而無需任何輸入箝位或保護。在電路中，電容器透過太陽能採集元件直接充電，僅需串聯一個蕭特基二極體(Schottky Diode)，放置該二極體可避免採集器使電容器放電。

RSL10系統單晶片包含一個整合的DC/DC降壓穩壓器，使晶片可在寬範圍的輸入電壓(1.1至3.3V)下工作而無需額外的穩壓器。由於在非常明亮的情況下，所用的太陽能採集器可能會超過RSL10的最大額定電壓，因此將線性穩壓器用作限壓器(見圖7)。

如果輸入電壓超過3.3V，則穩壓器會產生恒定的電源電壓。如果電壓低於〜3.3V，則穩壓器將不加調節地使電容器電壓通過。由於穩壓器僅在可用能量「太多」的情況下使用，因此多餘的能量轉化為熱量是毫無問題的。如果對功率的需求增加，則電容器電壓將下降，穩壓器將不再工作並「浪費」能量。

然而，穩壓器的簡單性導致較低的靜態電流，這是必不可少的，因為它將有助於在微光情況下保持可用能量。圖7顯示了一個典型的工作場景，在較低功耗時限制電壓。當電容器電壓下降到3.3V以下(由於更高的功耗)時，LDO穩壓器不再工作，並使電壓直接通過。

當系統完全放電然後暴露在光線下時，電容器的電壓將隨著電荷的積累而緩慢上升。預設情況下，RSL10一旦達到其較低的臨界值電壓(~1V)就會啟動，但只有在太陽能採集器連續提供啟動所需的功率才起作用，以將電容器電壓維持在1V。如果採集器提供的功率少於所需的功率，則電容器電壓將下降。當電壓低於1V的臨界值時，啟動失敗，因為RLS10將關閉。當太陽能採集器的能量輸出低於啟動期間的RSL10消耗時，將重複此程序。 由於採集器通常無法在所有光照情況下產生那麼多的能量，因此需要啟動電路以確保可靠的啟動。此例的電路可確保在為RSL10和其他元件供電之前，對儲存電容器進行充分的預充電。為確保成功啟動，儲存電容器需要維持系統完全啟動所需的能量。在此案例中，啟動是從初始上電到系統可以進入其深度睡眠模式的時間點的程序，能測量執行此程序所需的能量。根據所需能量和微控制器的典型輸入電壓範圍，確定所需電容器的最小尺寸。對於提出的基於RSL10的應用，啟動需要120μJ。結合所需的1.5至3V電壓範圍，這將導致理論上的最小電容為35.6μF。實際上，應使用更大的電容器來補償由製造容限、不同的工作溫度或元件老化等因素引起的電容變化。

啟動和保持電路

要啟用和禁用RSL10的電源，使用箝位LDO穩壓器的允許訊號(Enable Signal)。允許訊號的輸入由兩個來源生成，第一個源由電壓監控器IC產生，該電壓監控器IC由電容器輸入電壓供電，一旦電容器電壓超過2.63V，它將啟用LDO穩壓器。第二個輸入用於確保允許訊號針腳保持輸出電壓足夠高。根據所需的臨界值，可以使用LDO預設的關斷臨界值(對於NCP170>1.2V；在1.5V時測量)。如此，LDO的輸出電壓被回饋到允許訊號的針腳。如果需要更高的關斷電壓，則可以添加臨界值>1.5V的附加電壓監控器，一旦LDO輸出降至電壓監控器定義的臨界值以下，將允許下拉。圖8顯示了所用啟動電路的原理圖，U3是次級電壓監控器，可根據關斷所需的臨界值電壓去選擇。

在圖9中，可以觀察到啟動電路的行為。在A點之前，電容電壓緩慢上升，直到在點A達到2.63V。電壓監控器具有內部延遲，使實際導通時間延遲tD，對於所用元件，tD在140-460ms之間。延遲後，將啟動MCU電源。當MCU供電電壓高於1.5V時，系統可以正常運行。一旦電壓降至1.5V以下(B點)，MCU供電電壓將被禁用，因為所用NCP170的允許針腳臨界值為1.5V。此後，電容器電壓需要再次升高到2.63V以上才能重新啟用MCU電源。

該電路板包含溫度、空氣品質和加速度感測器。所有感測器都支援睡眠模式，以在不需要時降低能耗。為了避免變化的電容器電壓對資料獲取產生負面影響，使用了1.8V的穩定感測器供電電壓。可以禁用感測器供電電壓，進一步減少電流消耗。感測器通過I2C匯流排與RSL10 SoC介面。 在溫度感測器和加速度計支援的工作模式下，感測器可以監測各自的物理狀況，而無需RSL10的交互。在這種模式下，如果監測值超出了預先設定的範圍或發生了其他程式設計情況，感測器將使用專用中斷線喚醒RSL10。

使用2層設計的最終PCB尺寸為24×51mm，所有元件都在頂側，以便能夠連接背面的太陽能採集元件。

可以透過以下方式連接太陽能採集器：

·在板子的左側使用100mil間距的連接器

·板右側的4針腳1毫米間距的ZIF連接器

·板兩側焊盤直接連面板或其他連接器

韌體設置和最佳化

RSL10太陽能電池板的目標行為是測量環境參數，並以藍牙低功耗廣播資料包將其傳輸。進行測量和傳輸的時間間隔取決於可用能量。韌體需要監控可用能量並調節系統電源狀態，以最佳化系統性能。

系統啟動時，RSL10初始化所有必需的外部設定，並計時資源和藍牙低功耗基頻，這些步驟對於使RSL10的所有電源狀態都可用至關重要。為了省電，所有未使用的周邊都保持禁用狀態。此外，進行實際測量前，將關斷感測器電源。

RSL10初始化後，系統需要確定它是否具有足夠的剩餘能量來執行某些測量，或者是否有必要進入超低功耗深度睡眠模式以使儲存電容器充電至更高的電壓電平。為了確定當前可用的能量，RSL10可以測量電源電壓。3.3V的電壓表示電容器已滿，並且LDO已經在限制輸出電壓。對於低於3.3V的電源電壓，RSL10直接測量電容器電壓並可以確定能量含量。

如果能量不足以執行所需的測量，則RSL10進入其深度睡眠模式。在這種模式下，RSL10消耗的功率在62.5nW的範圍內，即使在微光的情況下，儲存電容器也可以充電。

在深度睡眠模式下，RSL10的周邊被禁用。為了在深度睡眠模式下保持某些可變的系統的狀態，一部分RAM被保留。從深度睡眠喚醒的速度比完全啟動要快得多，並且所需的能量要少得多(圖10)。

在深度睡眠模式下經過一段固定的時間後，RSL10喚醒以檢查儲存電容器是否已積累了足夠的能量來執行測量和傳輸資料。決定測量是否可行的能量臨界值是通過實驗確定的。如果能量水準仍然不足，則RSL10再次進入深度睡眠模式。

如果可用能量足以進行測量，則啟用感測器的電源並初始化I2C介面。通過I2C，感測器被配置為執行其測量。一旦測量完成，就將結果讀回並複製到用於傳輸測量資料的廣播封包中。

包含測量值的廣播封包隨後被發送。發送後，RSL10在所需的最小發送間隔時間內進入深度睡眠模式。然後，從確定喚醒後的可用能量開始，重複該序列。

藍牙低功耗考量因素

選擇使用廣播封包通過藍牙低功耗，將測量的感測器資料傳輸到其他設備是最節能方式，RSL10太陽能電池板的採集器能掃描附近所有藍牙低功耗設備作為目標，而無需建立和維持連接。另外，太陽能採集器以廣播器模式發送資料，說明在每個發送的廣播封包之後它都不會啟用接收器。這節省了額外的功耗，其代價是不連接並且不能發送掃描回應資料包，該封包可將廣播資料的最大限制從31個位元組提高到62個位元組。根據應用需求，可能需要在可連接模式下進行廣播發布，以允許某些設備配置感測器節點的參數，例如首選廣播間隔和首選測量間隔。

為了克服僅允許31位元組資料的小廣播封包的限制，可以在每個廣播間隔的不同廣播有效載荷之間切換。這可用於在一個廣播封包中發送自訂感測器資料訊框，然後在下一個廣播封包中發送Eddystone Beacon URL訊框。Eddystone URL資料包可用於連結到具有其他資訊的網頁，並提供下載應用程式用於顯示感測器資料。

不同於藍牙SIG定義的環境感知服務的連接設備，並不存在針對僅使用廣播封包來傳輸各種感測器資料的標準化格式。

也就是說，藉由客製化的廣播資料訊框來將感測器資料傳輸到掃描設備。這些設備需要專用軟體或應用程式，以便解析和處理此類廣播封包內容。在整個基礎架構由單一機構管理的工業用例中，這可能不會造成問題，但是如果應用於可能需要多個供應商的設備協作的市場，則可能會導致互通性問題。

韌體實施

基於上述行為，安森美開發了RSL10太陽能電池多感測器板韌體，提供基於Eclipse的環境RSL10軟體開發套件(SDK)，應用在基於RSL10平台的軟體開發。RSL10 SDK包含全整合的開發環境，具有功能強大的編輯器、工具鏈、文件、各種示例程式碼和基於CMSIS-Pack套裝軟體。 可以使用RSL10 SDK附帶的CMSIS Configuration Wizard編輯器來韌體，如圖11所示。通過使用圖形介面提供每個參數詳細說明並檢查輸入值的正確範圍，可以更改所需參數來快速評估不同的軟體配置。對於需要更複雜的更改進行評估的情況，CMSIS包中提供了原始程式碼和示例項目。

圖12顯示了在感測器測量事件期間電路板的電流消耗，隨後是測量資料的廣播。在此事件期間，總共使用了60μJ的能量來測量感測器資料並廣播結果。如果沒有安排感測器測量，而電路板僅做訊號廣播，則能耗降低到20μJ。

接收信標資料

RSL10太陽能電池多感測器傳遞的資料作為製造商廣播封包的特定資料、藍牙低功耗標誌，以及電路版內完整本地名稱的一部分，允許存取所有設備的感測器資料，這些設備將製造商特定的資料公開給應用程式，包括Android和iOS設備。

在這種情況下，將RSL10 USB配接器(RSL10-USB-001-GEVK)連接到主機PC，以顯示捕獲的感測器資料。使用帶有Python綁定的RSL10 USB配接器和隨附的軟體藍牙低功耗Explorer來創建簡單的腳本，該腳本掃描附近的藍牙低功耗設備，並在它們具有匹配的廣播資料時顯示感測器資料。

(本文由安森美提供)