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连接无线设备物联网端点的设计解决方案

gecimao 发表于 2019-04-13 15:53 | 查看: | 回复:

  物联网(IoT)的倡导者邀请我们想象一个未来,即使最小的设备是智能和连接的,旨在让生活更轻松,更舒适,并有助于拯救地球的资源。

  但是,很少有人想要想象一个未来,数百亿个远程安装的盒子需要定期更换电池。使用极低睡眠电流的超低功耗微控制器进行极端电源管理可以使IoT在设备的整个使用寿命期间从小型电池运行。假设占空比较低,这可能需要几年时间。另一种方法是在能量收集子系统中设计能够为设备供电并为电容器或小电池充电以提供备用。

  物联网应用的一个关键目标是利用连接来收集智能或控制设备在使用其他技术难以或不经济的地方。这些连接的设备可以为最终用户和服务提供商等其他利益相关者提供更多价值。它们可以使用本机IP传输技术(如以太网或Wi-Fi)进行连接,也可以使用各种有线,Bluetooth®,Bluetooth Smart)聚合到Internet网关中。或者诸如ZigBee®之类的协议或在IEEE 802.15.4无线电上运行的其他专用低功耗协议。传感器或致动器可以在远程位置单独连接,或者可以作为网状网络的一部分与其他附近设备连接。

  在许多情况下,物联网设备的便捷电源(如交流线路或网络电源,如USB主机或以太网供电源)不可用。需要独立的能源,例如主电池或能量收集子系统。为了节省现场服务访问的高成本,需要在设备的预期使用寿命内免维护运行。

  如果要使用电池,设计人员必须确保总可用能量为至少等于设备在其整个寿命期间所需的总能量。当选择电池类型时,包括电池化学的因素影响包括峰值电流输送的放电特性。当电池放电时,当电池电压低于元件所需的最小工作电压时,电路将无法工作。除非引入额外的电路,例如升压转换器,否则剩余的电池能量将变得不可访问。锂电池技术在这方面提供了良好的性能:锂亚硫酰氯电池能够保持约3.6 V的稳定电压,直到能量几乎耗尽,在其寿命终点附近迅速下降至约2.2 V的完全放电电压。还应考虑电池规定的最大放电电流。如果电池是设备唯一的预期电源,则必须能够提供负载所需的峰值电流。或者,具有高放电能力的短期存储装置,例如超级电容器,可用于在需求高峰时帮助电池。

  能量收集子系统应能够捕获足够的环境能量满足设备的需求。因为诸如光或热能之类的环境能量通常不能连续获得,所以能量收集可以与能量存储装置结合使用,该能量存储装置在传感器处于省电模式时至少能够向微控制器提供备用电力。小型可充电电池,如精工MS412FE 4.8 mm x 1.2 mm锂纽扣电池,其标称容量为1.0 Ah,最大连续放电电流为0.1 mA,可满足此要求。图1示出了MS电池的充电电路。充电电压Vc应不大于3.3 V.在这种情况下,应插入一个2M电阻来调节充电电流。或者,可以使用存储电容,但其自放电率比电池快。

  在选择能量收集或电池电量时,还必须考虑成本和尺寸限制。锂原电池有各种尺寸和容量可供选择,包括标准按钮和圆柱形外形。 Tadiran TL-5101是一款半AA尺寸3.6 V电池,采用轴向引线封装,可直接焊接到电路板或电源引线上。这样可以省去电池夹的成本,以及在最终组装过程中手动插入电池所需的额外时间。

  就能量收集而言,Microchip XLP 16位能量收集等套件开发套件可以帮助加速设计。该套件基于PIC24F微控制器和带有板载可充电薄膜储能装置的太阳能收集模块。提供的软件包括充电监控,主板采用标准PICtail扩展连接器,可简化使用IEEE 802.15.4 2.4 GHz无线电模块添加无线连接的过程。

  物联网应用中细致的能源管理日益增长的重要性推动了超低功耗设计的发展,利用灵活的微控制器睡眠模式来减少只要这可以实现净节能,电流消耗或停用未使用的电路。连接的传感器必须周期性地捕获感测数据,在本地执行少量处理动作,并将结果无线传输到接收器,其功率曲线的特征是睡眠模式下的长时间段,其中功耗最小,短时间需求较高当设备被激活以接收,处理或传输数据时。应用设计人员的技能在于尽可能长时间地确保低电平尽可能低,并且在最短的时间内峰值尽可能低。

  微控制器,如Microchip XLP(极低功率)器件,STMicroelectronics STM32L线)引入了灵活的架构,使设计人员能够比典型的传统微控制器更好地控制未使用的外设和CPU内核部分,同时继续支持重要功能。与内核无关的外设,例如能够在没有CPU干预的情况下直接接收数据包并将数据包传输到存储器的UART,有助于节省能源并节省代码空间。

  Microchip XLP器件,如16位PIC24FJ256GB410作为新型PIC24 GB4系列的一部分,它将支持超低功耗设计的功能与集成的硬件加密引擎相结合,能够从主处理器卸载重要的物联网安全任务。

  传统微控制器通常只支持有限的电源管理模式,通常可让软件设计人员选择有源,空闲或休眠,超低功耗微控制器支持更多功能复杂的电源管理方案。多种节能功能涵盖了器件的各个方面,例如时钟子系统,稳压器和特殊的低功耗外设,如MSP430GF6266的集成运算放大器。

  对STM32L0系列中的时钟和稳压器进行额外控制,使设计人员能够灵活地动态优化工作速度和电源电压,以确保在任何适用的约束条件下以尽可能低的功耗执行所有操作在执行时间。时钟控制器提供多个内部源,由逻辑控制,设计人员可用它们选择低速,中速或高速路径,以允许外设以适当的速度运行,具体取决于PCU是处于活动状态还是静态。此外,外围设备的多个门提供了一种方便和响应的方式来停用各个外围设备。当引脚状态保持有效时,可以暂停DAC或GPIO等器件。

  此外,多种稳压器模式可选择正常,低功耗或关闭,以允许多种运行和休眠状态。因此,除了正常的运行和休眠模式外,还有低功耗运行和低功耗休眠模式。还有一个8A停止模式,除低速时钟外,所有时钟都停止。在此模式下,RTC和RAM也可以关闭,将电流进一步降低至4A。器件可以在3.5s内退出停止模式,允许频繁使用停止以最大限度地节省总体功耗。可以关闭更多电路以节省能量:片上闪存可以在任何工作模式下关断,低功耗定时器和UART可以在停止模式下关闭。此外,还有待机模式,RTC打开或关闭。待机将关闭内核的电源,以及高速和中速时钟,将电流降至0.27A。图2总结了微控制器的低功耗模式。

  图2:针对功耗敏感应用(如自供电或电池供电的物联网节点)而设计的微控制器提供多种电源管理模式。

  核心电压也可以动态调整,允许选择低至1.2 V的电压范围,以便在对内核的性能要求较低时最大限度地节省能源。电压可在约3s内快速放大或缩小,从而可快速响应性能需求的快速变化。

  未来几年,数十亿智能无线设备(如遥感器)将连接到互联网。采用高效能量收集技术的无电池运行提供了极佳的环境保护。另外,物联网端点可以设计为通过精心选择电池和利用超低功耗微控制器的嵌入式设计,在预期使用期内免维护。

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