物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)必須在不更換一次電池的情況下運(yùn)行數(shù)年才能最大程度地減少維護(hù)工作。對于某些類型的系統(tǒng)，節(jié)點(diǎn)只需要很少的電池電量，而依賴于能量采集器來滿足長期電力需求，例如太陽能電池陣列或小型蝸輪機(jī)。

能量收集設(shè)計(jì)的根本缺陷是電源不可靠，但也有一些例外情況，例如流量計(jì)，其中液體的運(yùn)動(dòng)是持續(xù)的，采集器可從這種流動(dòng)中吸收一部分動(dòng)能。

大多數(shù)情況下，采集器只能達(dá)到較低持續(xù)性水平的能量流動(dòng)。遺憾的是，這種能量供應(yīng)通常還有頂峰和低谷，很可能與系統(tǒng)高峰需求不一致。這就需要使用可充電電池或電容器等元器件，將暫時(shí)過剩的能量存儲(chǔ)在系統(tǒng)內(nèi)部的電能儲(chǔ)存器中。

如果系統(tǒng)能夠長時(shí)間保持靜態(tài)，它就可以只消耗極少的電能，讓電能積聚到足以應(yīng)對高峰需求。對于物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)而言，這種高峰需求尖峰很常見，如圖 1 所示。當(dāng)這類節(jié)點(diǎn)不工作時(shí)，可以確保其電路的很大一部分處于斷電狀態(tài)，從而達(dá)到整體低能耗目標(biāo)。借助這種低占空比特性，我們可以將系統(tǒng)設(shè)計(jì)為僅有不超過百分之一的系統(tǒng)生命周期處于高能耗狀態(tài)。

圖 1：典型物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)的功耗特征

物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)需要能夠在一定的功耗范圍內(nèi)執(zhí)行多個(gè)任務(wù)。通常，節(jié)點(diǎn)將感應(yīng)傳入的數(shù)據(jù)，例如某個(gè)管道內(nèi)的流速，或者如果是環(huán)境傳感器，則將感應(yīng)溫度或濕度水平。系統(tǒng)需要將它接收的數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵惞?jié)點(diǎn)或服務(wù)器，以便與其他節(jié)點(diǎn)的報(bào)告進(jìn)行比較，如果數(shù)據(jù)表明發(fā)生了重大變化，則需要采取措施。如果比較或篩選算法顯示了可報(bào)告的變化，則節(jié)點(diǎn)將需要激活射頻收發(fā)器，組合數(shù)據(jù)包，并將其發(fā)送到物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)。節(jié)點(diǎn)還需要偵聽確認(rèn)以及網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)更新。

很可能峰值功率就出現(xiàn)在射頻傳輸期間。但是，我們可以對活動(dòng)進(jìn)行排序，首先組合數(shù)據(jù)包并將其傳送到射頻子系統(tǒng)，讓節(jié)點(diǎn)的一部分關(guān)閉，然后再發(fā)起實(shí)際射頻傳輸。這有助于消除峰值功率，防止電容器和電池組合放電過快。

有一些簡單的電路設(shè)計(jì)技巧可從能量采集器對儲(chǔ)能電容器進(jìn)行充電，以提供足夠的電能來滿足活動(dòng)高峰的需求。一種技巧是將二極管與太陽能電池或類似采集器及電源軌串聯(lián)。電容器可以充電到采集器的開路電壓。并聯(lián)的過壓保護(hù)可以保護(hù)電容器和電源軌，防止達(dá)到過高的電壓電平。但是，只有在太陽能電池陣列能夠產(chǎn)生高于電源軌的電壓時(shí)，這種方法才適用。很多小型發(fā)電機(jī)，以及基于熱電發(fā)電等其他收集技術(shù)的發(fā)電機(jī)，永遠(yuǎn)不會(huì)接近這個(gè)水平。另外，充電到最高電壓不適合太陽能發(fā)電，因?yàn)楫?dāng)前最大功率點(diǎn) (MPP) 的電壓會(huì)隨著光照強(qiáng)度發(fā)生變化。

我們需要的是能夠管理電容器和系統(tǒng)電壓的專業(yè)器件。Texas Instruments (TI) 的 BQ25570 電源管理集成電路 (PMIC) 使得從各種收集源提取微瓦級至毫瓦級的電力成為可能，盡管大多數(shù)收集源為具有較高輸出阻抗的低電壓電源。電池管理功能可確保任何相連的充電電池或儲(chǔ)能電容器不會(huì)被這種提取的電力過度充電，從而能夠使用鋰電池安全地工作。它還能確保電池不會(huì)損耗至超出系統(tǒng)負(fù)載的安全限值。除了非常高效的升壓充電器之外，BQ25570 還提供超低功耗的降壓轉(zhuǎn)換器，以便為系統(tǒng)提供第二個(gè)電源軌。

BQ25570 通過調(diào)節(jié)充電器的輸入電壓來執(zhí)行最大功率點(diǎn)跟蹤，如圖 2 中的框圖所示，VIN_DC 可以感應(yīng)該輸入電壓。該電壓將與 VREF_SAMP 引腳處的采樣基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較。最大功率點(diǎn)跟蹤電路通過周期性禁用充電器大約 250 ms，并對一部分開路電壓進(jìn)行采樣，從而每 16 秒獲取一次新基準(zhǔn)電壓。對于太陽能采集器，最大功率點(diǎn)通常在 70% 至 80% 之間，對于熱電采集器，最大功率點(diǎn)在 50% 左右。BQ25570 通過將 VOC_SAMP 連接到儲(chǔ)能電容器 (VSTOR) 或接地，分別為太陽能和熱電能量來源編程至相應(yīng)的百分比水平。如果輸入源的最大功率點(diǎn)不是 80% 或 50%，則可通過在 VRDIV 和接地引腳之間連接外部電阻器，對這個(gè)比率進(jìn)行編程。

圖 2：采用典型太陽能供電電路的 BQ25570 框圖。

通過使用外部電阻器在 VBAT_OV 引腳上設(shè)置峰值閾值，為充電電池或儲(chǔ)能電容器提供保護(hù)，防止出現(xiàn)過壓或過充的情況。當(dāng)采集器輸入有足夠的電能來驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，此設(shè)置也適用于由充電器向系統(tǒng)提供電壓的情況。

促使人們選擇儲(chǔ)能電容器的部分原因是其整體尺寸，另外也有漏電方面的考慮。電化學(xué)“超級電容器”可提供最高的電容，電容值最高達(dá)到 50 F。但是，它們的漏電水平很高，這使其不適用于間歇性收集能量的設(shè)計(jì)。鉭電容器可能是更好的選擇，但其防火能力是一個(gè)令人擔(dān)憂的問題，在設(shè)計(jì)中需要注意。這類電容器要提供合理的高電容水平，漏電水平也需要在毫微安培的范圍內(nèi)。但如果在成本、安全性和低漏電這幾方面綜合考慮，陶瓷電容器會(huì)是相對較好的選擇，雖然它的電容只有大約半毫法拉。

為了便于進(jìn)行能耗預(yù)算管理，BQ25570 控制著“電池良好”(VBAT_OK) 標(biāo)志。當(dāng)儲(chǔ)能電池或電容器的電壓降至低于預(yù)設(shè)的臨界水平時(shí)，會(huì)向連接的微處理器發(fā)出警報(bào)信號。使用這種方法可以開始減少負(fù)載電流，以防系統(tǒng)進(jìn)入欠壓狀態(tài)。使能信號讓 MCU 能夠控制 PMIC 的狀態(tài)，在必要的情況下，可將其置于超低靜態(tài)電流的休眠狀態(tài)，以進(jìn)一步節(jié)省電能。

在很多低占空比系統(tǒng)中，MCU 能夠進(jìn)入深度休眠狀態(tài)，將功耗降低到非常低的水平。但是，在某些情況下，系統(tǒng)可能因?yàn)閮?chǔ)備能量暫時(shí)耗盡而無法繼續(xù)工作。我們可以將系統(tǒng)設(shè)計(jì)成不僅能容忍這種情況，還能將其視為正?，F(xiàn)象，并利用技術(shù)來避免完全重啟的需要。這些系統(tǒng)設(shè)計(jì)有助于將能量收集變成一種更具可行性的技術(shù)。

很多 MCU 依賴于備用存儲(chǔ)單元，在休眠期間保存關(guān)鍵數(shù)據(jù)。如果這些 MCU 采用 SRAM，則在電源中斷的情況下，備用存儲(chǔ)單元將出現(xiàn)一些漏電，將會(huì)導(dǎo)致內(nèi)容丟失。定期將數(shù)據(jù)寫入閃存，可在一定程度上解決這個(gè)問題。但是，如果收到即將發(fā)生電源故障的警告，但又沒有足夠的電力提供所需的高電流來執(zhí)行一系列閃存寫入，也會(huì)出現(xiàn)問題。為了支持閃存寫入，MCU 通常需要集成式充電泵，以完成擦除和寫入操作，這通常需要持續(xù)幾百毫秒的 5 mA 至 10 mA 的電流。

此外，也可以讓 MCU 可以完全斷電，并在電源恢復(fù)時(shí)重啟，然后嘗試從永久存儲(chǔ)器恢復(fù)其狀態(tài)，或者通過下載在關(guān)閉之前提供的狀態(tài)信息從服務(wù)器進(jìn)行恢復(fù)。但是，這種方法將會(huì)大幅增加功耗，并且在 PMIC 和電容器沒有積聚足夠電能的情況下，節(jié)點(diǎn)可能出現(xiàn)一連串的重啟失敗。通過存儲(chǔ)臨時(shí)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)無需進(jìn)行重啟。有關(guān)系統(tǒng)狀態(tài)的信息越詳細(xì)，系統(tǒng)為了確保正常工作需要執(zhí)行的恢復(fù)工作就越少。

鐵電隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 (FRAM) 提供了一種存儲(chǔ)器技術(shù)，在出現(xiàn)斷電的情況下，它能夠在系統(tǒng)中存儲(chǔ)大量的臨時(shí)數(shù)據(jù)，而且功耗非常低。FRAM 的主要優(yōu)點(diǎn)是支持超低功耗寫入?？赏ㄟ^兩種不同方式發(fā)現(xiàn)這種優(yōu)點(diǎn)。與閃存不同，寫入 FRAM 不需要預(yù)先擦除周期。寫入操作本身需要的電荷也遠(yuǎn)低于閃存。

FRAM 的構(gòu)造與 DRAM 相似，采用電容存儲(chǔ)元件。它通常與編程晶體管組合在一起。閃存使用高電場將電荷存儲(chǔ)在晶體管浮動(dòng)?xùn)诺慕^緣體內(nèi)部，而鐵電電容器則將電荷存儲(chǔ)在電容器內(nèi)部。與常規(guī)電容器不同，鐵電電容器的材料是經(jīng)過精心選擇的，在施加編程電荷時(shí)，該材料能夠在其晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成半永久性電偶極子。讀取是破壞性的，因?yàn)樗仁箚卧M(jìn)入空態(tài)。但是，寫入的功耗非常低，因而它能夠在每次成功讀取后輕松執(zhí)行，如果值為“1”則替代原始值，或者加載新的“1”。

TI MSP430FRx 系列 MCU 包括多達(dá) 128 KB 的片上 FRAM，用于數(shù)據(jù)的永久存儲(chǔ)。MCU 支持超低功耗狀態(tài)，在這種狀態(tài)下，片上存儲(chǔ)器陣列和寄存器不加電，但 FRAM 將繼續(xù)存儲(chǔ)其內(nèi)容。

計(jì)算通過功率損耗 (CTPL) 軟件實(shí)用工具為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供了一種簡便的方法，來利用 FRAM 提供永久狀態(tài)存儲(chǔ)功能。資源庫提供了很多應(yīng)用程序編程接口 (API) 以監(jiān)控電源故障等事件，并對事件做出響應(yīng)。通常，在系統(tǒng)斷電之前，軟件資源庫將狀態(tài)數(shù)據(jù)從 SRAM 和寄存器傳輸?shù)?FRAM。

電力恢復(fù)后，CPTL 資源庫可將 FRAM 內(nèi)容傳回 SRAM 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和 MCU 寄存器，以便繼續(xù)執(zhí)行。

通過構(gòu)建系統(tǒng)軟件來最大程度地減少完全喚醒周期的次數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的電源優(yōu)化。設(shè)計(jì)通常分為兩大類：響應(yīng)式和周期式。響應(yīng)式工作方式可將系統(tǒng)置于待機(jī)狀態(tài)，等待某些活動(dòng)或事件發(fā)生，然后才啟動(dòng)處理，最后再返回深度休眠狀態(tài)。

活動(dòng)可能與收集功能本身相關(guān)聯(lián)。例如，在通過收集振動(dòng)或運(yùn)動(dòng)來供電的系統(tǒng)中，任何劇烈運(yùn)動(dòng)不僅提供能量，還能激活傳感器節(jié)點(diǎn)來進(jìn)行記錄。以橋梁震動(dòng)監(jiān)控器為例，它可以利用這種活動(dòng)來驅(qū)動(dòng)其運(yùn)行，即當(dāng)大型車輛或大風(fēng)影響橋梁結(jié)構(gòu)并產(chǎn)生高應(yīng)力時(shí)，監(jiān)控器將立即進(jìn)行測量。

相反，周期式系統(tǒng)則在固定間隔之后喚醒，并且進(jìn)行測量。如果數(shù)據(jù)達(dá)到了需要引起注意的級別，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行處理，并可能通過網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，然后重新進(jìn)入休眠模式。雖然與純粹的響應(yīng)式系統(tǒng)設(shè)計(jì)相比，周期式架構(gòu)浪費(fèi)了更多電能，但在很難簡單地使用活動(dòng)閾值來確定輸入是否應(yīng)該引起注意的情況下，通常需要使用這種架構(gòu)。電感式流量感應(yīng)就是一個(gè)例子。

但是，使用像 MSP430RFx 這樣的 MCU，就可以減少能耗。像 MSP420FR413x 之類器件上的 10 位 ADC 可以觸發(fā)，獨(dú)立于 CPU 內(nèi)核工作。在定義的周期過后，實(shí)時(shí)時(shí)鐘可以開始采集操作。然后，具有上限和下限的窗口比較器能夠確定是否需要喚醒 CPU 來執(zhí)行進(jìn)一步分析。這樣可以限制傳感器節(jié)點(diǎn)生命周期中所需的完全喚醒次數(shù)。

總結(jié)

因此，MSP430 可以作為超高能效的響應(yīng)式或周期式物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)的核心使用，通過利用 BQ25570 PMIC 啟動(dòng)能量采集，將系統(tǒng)的使用壽命進(jìn)一步延長至超過使用純電池設(shè)計(jì)可能達(dá)到的極限。