基于環(huán)境光能量收集的低功耗藍牙傳感器

陳鵬展，祝振敏

(華東交通大學電氣與電子工程學院，江西南昌　330013)

0　引言

目前，大多無線傳感器節(jié)點均采用電池供電，由于受到體積和成本的限制，節(jié)點所攜帶的電池能量非常有限，多數(shù)情況只能維持傳感器工作數(shù)月時間[1]。同時，由于電池存在自身放電特性，即便傳感器不消耗任何能量，普通電池所攜帶的能量也能在兩三年內(nèi)泄放完畢。

若無線傳感器所攜帶的能量耗盡，則需要通過人工方法對其電池進行更換，在一些環(huán)境惡劣或人類無法到達的場合，電池的更換就變得非常困難甚至不可能，無線傳感器的電池維護工作大大提高了其應用成本。

有限的能量給無線傳感器的應用帶來了嚴重的制約，只有提供長效的能源才能降低無線傳感器維護運行成本，若傳感器節(jié)點能夠從周圍環(huán)境中獲取能量，并且能夠使用獲取的能量供給自身的能量消耗，達到能量獲取與消耗的平衡，則傳感器節(jié)點的壽命則可大大延長，甚至在使用過程中始終免于維護[1]。

環(huán)境中的能量來源較多：光照、溫差、振動、電磁信號等，相對于其他能量來源，光照能量的轉換效率較高，技術成熟，較為適合作為無線傳感器能量收集來源，但光電轉換器件的電能輸出與光照條件密切相關。為了使采用能量收集供電的無線傳感器具有較好的適應性，傳感器應具備從普通環(huán)境光照條件(如熒光燈或白熾燈光照條件)中收集能量的能力。普通環(huán)境光照條件下光傳遞的能量密度較低，同時，受成本與體積的限制，無線傳感器中能夠采用的光電轉換器件面積一般較小，小面積光電轉換器件在普通環(huán)境光照條件下的轉化電能輸出非常微弱，給進行環(huán)境光能量收集帶來挑戰(zhàn)。

該文設計了一類高效的光照能量收集管理方案，能夠對環(huán)境光照條件下的小面積光電器件轉換的微弱能量進行收集、存儲及管理，以維持無線傳感器運行。

1　環(huán)境光能量特性

1．1各類光照條件的能量密度

光照能量雖然來源廣泛，但是光照能量具有分散性和不穩(wěn)定性，不同的環(huán)境中的光照條件存在巨大差異。在樓梯、走廊、車庫等環(huán)境中，光照條件一般為70 lm，而在客廳、辦公室等環(huán)境中，光照條件一般為150 lm，在會議室、閱讀室等環(huán)境中，光照條件一般為300 lm，在商店、工廠等環(huán)境中，光照條件卻達到700 lm，而在精密加工、戶外陰天等環(huán)境中，光照條件則達到1 200 lm，而在戶外晴天的環(huán)境中，光照條件能夠達到2 000 lm．

不同的光照條件對應的能量密度存在差異[2]。為了使采用能量收集的無線傳感器具有較好的適應性，傳感器應具備在低照度環(huán)境下的能量收集能力。常見的室內(nèi)光照的功率密度僅為充足太陽光照的功率密度的1%，一般約為8～20 W/m2左右。低照度環(huán)境下的光照能量密度較低，給能量收集電路提出了更高的要求。光照通過光電轉換器件轉換為電能，為了能夠在較低能量密度的環(huán)境光環(huán)境下收集光照能量，滿足無線傳感器的能量消耗需要，必須選擇合適的光電轉換器件，并設計一種高效的能量收集方案。

1．2光電轉換器件特性

光電轉換器件在光的照射下產(chǎn)生電能輸出，將光能轉換為電能。光電轉換器件的功率輸出取決于多種因素，其輸出功率與投射到器件上的光強度、轉換器件面積以及轉換器件的效率成正比，光電轉換器件在不同的環(huán)境下的轉換能量輸出相差巨大。圖1是一種光電轉換器件在某種環(huán)境下，其輸出電流與電壓，功率與電壓的關系曲線[3]。

圖1　光電轉換器件的功率電壓曲線

圖1中，在充足的光照下，該光電轉換器件電能最大輸出功率能達到20 mW，若節(jié)點的平均功耗在20 mW以下，則該光電轉換器件的輸出功率能直接供給節(jié)點工作，若節(jié)點平均功耗大于光電轉換器件的最大轉換功率，則需重新選擇光電器件，或采用多個光電器件并聯(lián)或串聯(lián)的方式對節(jié)點進行供電。

從圖1可見。光電器件的最大功率輸出點并非在其最大電壓輸出點處，而是在約為最大電壓值80%左右的電壓輸出點處，因此，在設計環(huán)境光能量收集的無線傳感器工作過程中，為了能夠獲得光電轉換器件最大的功率輸出，應通過某種方式使光電轉換器件始終處于最大功率點附近工作。

2　無線傳感器的能量消耗計算

2．1能量消耗構成及特點

無線傳感器的能量消耗主要來源于信號檢測、數(shù)據(jù)處理和無線數(shù)據(jù)收發(fā)3個過程[4]。信號檢測過程中的能量消耗主要包括變換器、前端處理、模數(shù)轉換等操作過程中的能量消耗，數(shù)據(jù)處理過程中的主要能量消耗是指微處理器進行指令操作時的能量消耗，數(shù)據(jù)傳輸過程中的能量消耗是無線傳感器進行數(shù)據(jù)接收和發(fā)送時產(chǎn)生的能量消耗，無線傳感器的功率消耗主要包括這3個過程的能量消耗。

根據(jù)無線傳感器的運行特點，可以將無線傳感器的工作狀態(tài)分為4種：休眠、空閑、接收和發(fā)送，無線傳感器處于不同工作狀態(tài)時，其信號采集、數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)收發(fā)過程執(zhí)行情況不同，導致其在不同工作狀態(tài)下的能量消耗存在差異，其中，處于發(fā)送狀態(tài)的節(jié)點能量消耗最大，處于休眠狀態(tài)的節(jié)點能量消耗最小。為了準確評估無線傳感器的功耗特性，必須計算無線傳感器節(jié)點的平均能量消耗。

2．2能量消耗計算

根據(jù)上述分析，傳感器在每個工作循環(huán)中，傳感器信號采集環(huán)節(jié)的能量消耗為：

Ps=350 μA×3.3 V×2 ms=2.31×10-3mW·s

(1)

數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)的能量消耗為：

PD=20 mA×3.3 V×1 ms=6.6×10-2mW·s

(2)

數(shù)據(jù)發(fā)送環(huán)節(jié)的能量消耗為：

PT=30 mA×3.3 V×3 ms=2.97×10-1mW·s

(3)

休眠環(huán)節(jié)的能量消耗為：

PI=1 μA×3.3 V×10 s=3.3×10-2mW·s

(4)

檢測、數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)發(fā)送的能量消耗為：

P=Ps+PD+PT+PI=3.983 1×10-1mW·s

(5)

單次循環(huán)系統(tǒng)總耗時為：

T=10 s+5 ms+1 ms+2 ms=10.008 s

(6)

因此，此傳感器等效功率消耗為：

在建筑造型方面，余蔭山房的主要建筑遵循對稱的傳統(tǒng)語法規(guī)則。深柳堂的明間是過廳，東西次間分別是過廳和書房。盡管兩次間的使用功能不一樣，外立面仍然以對稱的手法處理了墻裙與窗戶（圖4）。臨池別館的明間東邊是庭園大門，西邊是房間，雖然無法以對稱的手法處理檐墻的立面，但是通過把西邊房間的屋頂降低，與庭園大門的屋頂形成對稱的關系，配合檐柱、花牙子和攔河等元素，使得立面的總體感覺仍然是對稱的（圖5）。

PA=P/T=3.983 1×10-1mW·s/10.008 s=39.8 μW

(7)

根據(jù)上述計算，濕度傳感器的平均功耗為39.8 μW．

若采用容量為50 mA·h，電壓為3 V的紐扣電池為該傳感器供電，通過電荷泵將紐扣電池電壓調(diào)整為傳感器供電電壓，不考慮電池自放電特性等其他因素，該無線傳感器的最大使用壽命為：

L=3 V×50 mA·h/39.8 μW=3 769 h≈150 d

(8)

根據(jù)上述分析，濕度傳感器節(jié)點按照上述工作模式運行，約10 d就需要更換一次電源。雖然增加節(jié)點休眠時間長度可以延長傳感器使用壽命，但過度延長休眠時間會降低節(jié)點數(shù)據(jù)的實時性。若通過對環(huán)境光進行能量收集對傳感器進行供電，由于存在可再生的能量來源，則可降低節(jié)點休眠時間，不僅可使該傳感器具有較長的使用壽命，還具有較好的數(shù)據(jù)實時性。

無線傳感器的功耗關聯(lián)多個因素，在傳感器設計過程中可采取多種措施對其功耗進行優(yōu)化，如選擇高性能低功耗的微處理器，采用低功耗的傳感器芯片，優(yōu)化計算指令和采樣周期，選擇合適的數(shù)據(jù)通信方案，設置正確的傳輸調(diào)制模式、數(shù)據(jù)率、發(fā)射功率和操作周期等。當無線傳感器的平均收集功率超過其平均功率消耗時，收集的環(huán)境光能量能夠維持傳感器節(jié)點功耗，從而可使無線傳感器能夠獨立長時間運行。

3　基于能量收集的無線傳感器設計

3．1能量收集電路設計

光電轉換是進行環(huán)境光能量收集的起始環(huán)節(jié)，光電轉換器件的在環(huán)境光照下的輸出功率應大于無線傳感器的平均功耗?？紤]到體積與成本，并預留一定的裕量，系統(tǒng)選用一塊尺寸為4．3 cm×1．4 cm的光電轉換板，型號為：SLMD121H04，其開路輸出電壓為2．0 V，短路電流為50 mA，工作輸出功率峰值為89．2 mW，在普通環(huán)境光照下，其輸出功率也能達到7 mW．

能量收集系統(tǒng)中還需采用能量收集管理電路對光電轉換器的電能輸出進行收集，收集電路決定了能量收集的效率。能量收集管理芯片BQ25504具有較好的性能，能將可用能量收集效率提高30%～70%[5]，采用該芯片能夠減少光電轉換器件面積，降低能量收集系統(tǒng)對光照強度的要求，因此，系統(tǒng)采用BQ25504對環(huán)境光能量收集過程進行管理，基于BQ25504的能量收集電路如圖2所示。

圖2　能量收集電路

由于實際應用中光照條件和環(huán)境溫度可以隨時發(fā)生變化，光照能量的收集結果可能是零星的或者隨時間變化的，利用能量收集電路，可以將光電轉換器件轉換的波動電壓升壓至穩(wěn)定的電壓，并對系統(tǒng)的能量進行分配管理。當光照條件充足時，收集的能量提供給傳感器工作，并對多余的能量進行儲存；當光照條件不足，光電轉換器件的能量輸出不能滿足傳感器需要時，收集電路將通過存儲元件給系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電壓輸出[5]。

為了最大限度地收集光電轉換器件的能量輸出，應使系統(tǒng)自動跟蹤光電轉換器件的最大功率點輸出，BQ25504內(nèi)置最大功率點跟蹤算法，通過在電路中調(diào)整相應的電阻值，可使能量收集系統(tǒng)工作在最大功率點附近，從而獲得最大的轉換能量。為了保證系統(tǒng)能夠正常工作，并防止損壞能量存儲元件，能量收集電路能實時對最高和最低電壓進行監(jiān)視，當儲能電池或者電容器的電壓降至低于預設臨界水平時，其會向微處理器傳遞觸發(fā)信號，防止系統(tǒng)進入欠壓狀況。

3．2能量存儲方案選擇

必須選擇合適的能量存儲方案對采集的能量進行存儲，以保障在黑暗和光照量較低導致輸入功率不足的情況下傳感器仍然能夠正常工作。

能量儲存方案的選擇很多，如薄膜電池、可充電電池及各類電容器等，在選擇存儲組件時，要考慮很多因素，包括自放電速率、充電速率和放電電流以及電池的周期壽命。自放電速率在選擇能量存儲單元過程中尤其重要，若傳感器的自放電速率較高，則可能消耗大部分來自能量收集系統(tǒng)收集的能量。另一個關鍵考慮因素是能量存儲單元的充電速率。充電速率與電池壽命存在制約，較快的充放電速率會縮短組件的工作壽命[6]。不僅如此，選擇能量存儲單元還有其他眾多考慮因素，如能量密度、使用壽命、充電方式及效率、安全性、體積、環(huán)境影響和價格等。

薄膜電池的充放電特性很好，壽命長，但其能量密度小，價格高；鋰電池能量密度高，充電效率高且自放電率低，但其充電方式復雜而且安全性要求較高；超級電容器壽命長，充電速率高，但其能量密度非常低，且自放電率非常高；鎳氫充電電池安全可靠，充電方式相對簡單和能量密度較高，而且價格較低，但鎳氫電池充電效率較低。

綜合考慮，系統(tǒng)中選用容量為45 mA·h，電壓為3 V的鎳氫充電電池ML2020-H1CN，其充電電流為3 mA，自放電電流為120 μA，能夠滿足能量收集存儲需要。

3．3數(shù)據(jù)收發(fā)方案

通過對低功耗藍牙與Zigbee的性能特點進行了分析和比較后發(fā)現(xiàn)，低功耗藍牙既具備藍牙的特點又具備Zigbee的特點，同時它也具有一些自身獨有的特點[7]。低能耗藍牙規(guī)范對藍牙規(guī)范和其他無線傳輸?shù)娜秉c進行了改進，在功耗、數(shù)據(jù)安全性、數(shù)據(jù)糾錯、身份驗證等方面都有了很大程度的改進。

考慮到與外部設備的兼容性，系統(tǒng)選用低功耗藍牙作為無線數(shù)據(jù)傳輸方案。考慮到系統(tǒng)設計過程中的體積、成本、性能等3個因素，設計選用集成芯片NRF51822作為硬件實現(xiàn)方案，在該芯片中，不僅集成了低功耗藍牙收發(fā)通道，而且集成了低功耗微處理器，從而可以降低系統(tǒng)功耗，縮小了系統(tǒng)體積，簡化了系統(tǒng)復雜程度。

3．4傳感器總體結構

基于上述選擇，所設計的環(huán)境光能量收集的無線傳感器包括以下幾個部分：光電轉換板、能量收集電路、能量儲存電路、微處理器、無線收發(fā)電路，如圖3所示。

其中，能量收集電路通過光電轉換板對環(huán)境中的光照能量進行收集，并將其儲存在電容，當環(huán)境光照強烈時，光照能量除供給信號檢測、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)收發(fā)外仍有富裕，此時，可對充電電池進行充電，將多余能量進行儲存，當環(huán)境光照微弱，收集的光照能量不能滿足傳感器需要時，充電電池向傳感器供電。

圖3　能量收集無線傳感器結構

除能量收集環(huán)節(jié)外，基于能量收集的無線傳感器與普通無線傳感器的結構相似，為了能使收集的能量能夠滿足無線傳感器的功率需求，應盡量降低無線傳感器的功率消耗。

3．5動態(tài)功耗設計

傳統(tǒng)無線傳感器由于在使用過程中無法自行補充能量，故其內(nèi)部設置的采樣頻率、數(shù)據(jù)處理算法、休眠時間均根據(jù)系統(tǒng)功耗需要在系統(tǒng)運行之初進行設定，并在滿足系統(tǒng)需要和保證節(jié)點壽命之間進行平衡，在實際應用過程中，必然會犧牲相關的技術指標來保證傳感器使用壽命。

基于能量收集的傳感器的能量供應不僅可來自內(nèi)部能量儲存單元，而且還來自外部光照的能量收集。在光照條件良好的環(huán)境下，系統(tǒng)能夠收集足夠多的光照能量，能夠滿足傳感器進行多次數(shù)據(jù)采樣、大量數(shù)據(jù)運算和快速數(shù)據(jù)發(fā)送的要求，從而可使系統(tǒng)獲得更為準確的實時數(shù)據(jù)。當外部光照較弱時，傳感器則應降低工作頻率，減少采樣次數(shù)，并增加系統(tǒng)休眠時間以降低功耗。

基于環(huán)境光能量采集的傳感器可以通過合理的軟件設計，在運行過程中動態(tài)調(diào)整相關過程，不僅使傳感器獲得較好的工作壽命，同時，還可使系統(tǒng)能夠獲得優(yōu)質的實時數(shù)據(jù)。

4　傳感器的性能評估

4．1傳感器功耗特性評估

無線傳感器的等效功率消耗不僅與傳感器的活動、休眠工作循環(huán)相關，而且還與無線傳感器的數(shù)據(jù)發(fā)射功率相關。為了能夠準確評估無線傳感器在不同功率循環(huán)和不同發(fā)射功率的狀態(tài)下的功率消耗，利用可編程電源對其等效功耗進行測試：斷開無線傳感器的電源輸入端，采用可編程電源對傳感器進行供電，設置無線傳感器的不同工作參數(shù)，使其處于不同的工作模式，并記錄其不同工作模式下電流輸出，對記錄電流輸出曲線的平均值，其結果與可編程電源的電壓輸出值乘積可視為傳感器的等效能量消耗。對所設計的傳感器每種模式下的功率消耗測量3次，其結果如表1所示。

表1　傳感器在不同工作模式時的平均功耗

從表1可以發(fā)現(xiàn)，無線傳感器的等效功率與休眠間隔與發(fā)送功率均密切相關，休眠間隔時間越長，平均功率越小，發(fā)送功率越大，傳感器平均功率越大，其上述運行狀態(tài)下最大的平均功率消耗為3．7 mW，最小的平均功率消耗為1．06 mW．因此，在傳感器能量收集功率不足時，通過增加休眠間隔時間和降低發(fā)射功率來減少傳感器功率消耗。

4．2能量收集性能評估

為了對能量收集傳感器在不同光照條件下的能量收集特性進行評估，特選擇了室外光照、閱覽室和過道3種條件進行測試。為了能夠準確測量傳感器能量收集結果，用直流電子負載對能量收集效果進行測試：斷開功率收集單元與微處理器單元的電源連接，將電子負載與傳感器的能量收集電路輸出進行連接，使電子負載來模擬信號采集、數(shù)據(jù)處理和收發(fā)單元的能量消耗，設置電子負載工作在功率消耗模式，當傳感器能量收集過程穩(wěn)定后，調(diào)節(jié)電子負載的功率消耗設定值，使能量收集電路的電壓輸出保持平衡，此時電子負載的設置值可視為能量采集電路的功率輸出。對每種光照環(huán)境下的能量收集等效功率測量3次，其結果如表2所示。

表2　能量收集單元在不同光照環(huán)境下的功率輸出

從上述結果可看出，所設計的能量收集電路在室外光照和閱覽室環(huán)境中收集的能量分別約為70 mW和45 mW，完全能夠滿足一個普通的無線傳感器功率消耗需要，在過道環(huán)境中，其收集的能量為4 mW，此時，可通過降低傳感器

發(fā)送功率和減少傳感器活動休眠循環(huán)，達到收集功率與消耗功率的平衡。

綜合表1中試驗結果，所設計的無線傳感器在工作過程中，通過環(huán)境光能量采集得到的結果能夠滿足無線傳感器工作的需要，能夠成為一個自供電、免維護節(jié)點。

5　結束語

最大程度利用外部能量及盡可能降低節(jié)點自身能量消耗是構建免維護無線傳感器節(jié)點的兩條重要途徑，該文給出了一類基于環(huán)境光能量收集的無線傳感器設計方案，文中不僅從能量收集及管理的角度給出了一種微弱能量的收集管理方案，而且從降低系統(tǒng)能量消耗的角度給出了低功耗的無線傳感器軟件方案，試驗結果證明：通過合理的設計，環(huán)境光照條件下的能量收集也能夠滿足傳感器工作需要。隨著技術的不斷發(fā)展，可以預見，高效率的能量轉換收集器件和低功耗的微處理器、傳感器及數(shù)據(jù)通信技術不斷涌現(xiàn)，基于能量收集的無線傳感器必在更多的領域獲得廣泛的應用。

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