無線傳感器節點有望通過減小傳感器尺寸、簡化維護問題和最大限度地延長電池壽命來降低實施成本。然而，通過強調無電池實施，將有可能實現更大的增長。

設計無電池設備的最佳實踐是降低無線傳感器系統的平均功耗。這可以通過藍牙低功耗（BLE）等技術來實現，用于通信和能量收集。

圖1顯示了微型無線傳感器的架構。該傳感器圍繞集成了BLE無線電的微控制器（MCU）構建，該微控制器可以完全使用能量收集電源管理集成電路（IC）的電源運行。

［圖1|微型無線傳感器圍繞MCU構建，集成了BLE無線電，經過優化，僅使用來自能量收集電源管理IC的電源即可工作。這里顯示的是CYALKIT-E02太陽能供電的BLE傳感器信標RDK，它顯示了一個完整的無線傳感器。

優化低功耗藍牙

為了能夠僅使用能量收集的功率進行操作，傳感器必須優化其BLE實現，以最大限度地降低功耗。為了實現這一點，設計人員必須首先了解BLE子系統的實現細節。接下來，需要編寫固件以匹配每種工作/電源模式的要求。然后，設計人員必須分析實際功耗以確認假設并進一步提高系統的電源效率。

這些降低功耗的技術將使用賽普拉斯的 CYALKIT-E02 太陽能供電 BLE 傳感器信標參考設計套件 （RDK） 進行說明。該 RDK 包括賽普拉斯 PSoC 4 BLE 和 S6AE10xA 能量收集電源管理集成電路 （PMIC）。

首先，讓我們考慮一個沒有功耗優化的簡單BLE設計。BLE 無線電配置為不可連接廣告模式下的信標。BLE信標是一種單向通信方法，以固定的時間間隔進行廣播。它由作為通告數據包的一部分發送的小數據包（30 字節）組成。想要被發現的信標可用于各種智能手機或計算機應用程序，以觸發推送消息、應用程序操作和提示等操作。

圖2顯示了用于廣告信道的低功耗藍牙鏈路層格式的分組格式。低功耗藍牙的鏈路層具有“前導碼”、“訪問地址”、“協議數據單元（PDU）”和“循環冗余碼（CRC）”。請注意，以下信息適用于廣告通道數據包格式，不包括“數據通道數據包”。

“序言”必須設置“10101010b”

“訪問地址”必須設置為“10001110100010011111011011010101010b（0x8E89BED6）”

“PDU”具有“標頭”和“有效負載”

BLE信標的數據包結構屬于“有效載荷”中的“廣告數據”。

［圖2 |用于廣告通道數據包格式的BLE鏈路層格式。

［圖3|BLE 信標數據包格式］

表 1 顯示了設置值。

為了確定BLE設計的效率，我們可以使用電壓和電流波形計算平均消耗電流。圖4顯示了非功率優化設計的能量結果。

［圖4|BLE設計的電流消耗，無需功率優化］

平均電流約為5 mA，啟動到等待的總消耗能量為34.76 mJ。要使用環境能源進行操作，我們需要降低消耗電流。

針對低功耗優化固件

我們可以通過優化以下四個功能來降低BLE設計的平均電流消耗：

低功耗啟動

深度睡眠

國際海事組織時鐘設置

調試選擇

為此，我們需要利用看門狗計時器 （WDT） 在系統處于低功耗模式時喚醒系統。

低功耗啟動

上電復位 （POR） 后，BLE 系統通過調用各個組件各自的啟動函數來初始化它們。在初始化低功耗操作時執行以下步驟：

在 32.768 kHz 手表晶體振蕩器 （WCO） 啟動時關閉 24MHz 外部晶體振蕩器 （ECO） 以降低功耗。

使 WDT 能夠在 500 毫秒（WCO 啟動時間）后喚醒系統。

將 MCU 配置為深度睡眠模式，以獲得 500 ms 的 WCO 啟動時間。

啟用 WCO 后，重新啟動 ECO 以啟用 BLE 子系統 （BLESS） 接口。

將 WCO 設置為低功耗模式，并將低頻時鐘 （LFCLK） 源從 32-kHz 內部低速振蕩器 （ILO） 更改為 WCO。

啟用 WDT 以喚醒系統。

將 MCU 配置為深度睡眠模式。

［圖5|低功耗啟動波形］

深度睡眠

用戶設計應管理系統時鐘、系統電源模式和 BLESS 電源模式，以便在支持 BLE 的 MCU 中實現低功耗操作。

建議執行以下步驟在 BLE 間隔之間實現深度睡眠：

關閉 ECO 以降低功耗。

使 WDT 在 1.5 秒（BLE 事件間隔）后喚醒系統。

將 MCU 配置為深度睡眠模式。

1.5 秒后，重新啟動 ECO 以啟用 BLESS 接口。

傳輸 BLE 廣告數據。

從步驟 1 開始重復。

［圖6|深度睡眠波形］

國際海事組織時鐘設置

3MHz 至 48MHz 內部主振蕩器 （IMO） 是內部時鐘的主要來源。IMO 默認頻率為 48 MHz，可在 3 MHz 至 48 MHz 之間以 1 MHz 的步長進行調整。在此示例中，使用默認校準設置的 RDK 的 IMO 容差為 ±2%。圖7顯示了通過改變IMO頻率來表示總能量的示例。

［圖7|國際海事組織直流電規格和示例總能量］

調試選擇

串行線調試 （SWD） 引腳用于開發階段的運行時固件調試。配置 SWD 引腳以進行調試會增加電流消耗。因此，在生產版本中，它們應切換到通用輸入/輸出 （GPIO） 模式。這使得它們仍可用于片上復位器件編程。

為了確認我們對設計進行了多少優化，請使用電壓和電流波形計算優化的BLE設計的平均消耗電流。圖8顯示了功率優化設計的能量結果。

［圖8|具有功率優化功能的BLE設計的電流消耗］

平均電流約為1.5 μA，啟動到等待的總消耗能量為0.106 mJ。

使用能量收集進行操作

現在我們需要確認該系統可以在平均電流和總能耗水平下使用能量收集技術運行。圖9顯示了能量收集系統的框圖。該系統采用 S6AE10xA 能量收集 （EH） PMIC 系列，可使用尚爾基特-E04 S6AE102A 和 S6AE103A EVK 與 CY8CKIT-042-BLE 先鋒套件配合使用，運行一整天。

［圖9|能量收集系統框圖］

圖10中的框圖顯示了采用PSoC 4 BLE的簡單能量收集操作，S6AE102A和S6AE103A板支持該操作。

Wave1 突出顯示了使用太陽能的 BLE 操作，而 Wave2 顯示了傳輸時的 BLE 電流消耗。PMIC首先將太陽能存儲在VSTORE1（VST1）上的存儲設備中，VSTORE1是一個300μF的陶瓷電容器。當 VST1 達到 V 時斷續器，能量被發送到 MCU 進行 BLE 操作。

［圖10 |簡單的能量收集］

然而，這種簡單的能量收集在沒有備用電容器的情況下不能運行一整天（即，在沒有光的時期）。

圖 11 中的框圖和波形說明了混合存儲-控制功能。操作系統所需的能量存儲在 VST1 中，剩余能量用于為 VSTORE2 （VST2） 充電。VST2 中的能量即使在沒有環境光的情況下也能持續供應給系統。

［圖11|混合存儲控制功能］

圖12顯示了詳細說明將能量存儲到VSTORE2中的電荷曲線的波形。S6AE10xA 將能量存儲到虛擬商店1（小型電容器）和虛擬商店 2（大型電容器）。能量存儲在 VSTORE1 中以操作系統，任何剩余能量都用于為 VSTORE2 （VST2） 上的子存儲設備充電。VSTORE2中的能量持續供應給系統，因此即使沒有環境光，系統也可以繼續運行一段時間。

［圖12 |說明剩余能量存儲的波形］

圖13中的框圖顯示了混合電源輸入控制。Wave1 顯示了 PMIC 如何控制兩個電源（太陽能和電池）。PMIC將兩個電源轉換為在各種條件下運行系統。環境光源通常是恒定的，但某些位置不會有恒定的光線。PMIC可以自動轉換兩個電源，并在沒有環境光的情況下繼續提供能量。

［圖13|混合動力輸入控制］

S6AE10xA根據VSTORE1的電壓等級自動更換電源。如果 VSOTRE1 電壓達到 VVOUTL，則從 VBAT 電源提供能量，以便在沒有環境光的情況下提供能量。

以下是有關如何解決不同操作配置文件的示例。

［圖14|需要運行一整天的微型太陽能無線傳感器］

［圖15 |具有突然/頻繁操作的太陽能門傳感器］

［圖16 |太陽能無源紅外傳感器］

審核編輯：郭婷