能源就在身邊，但是將傳感器和執行器連接在一起的能力是一個相當大的挑戰。由于越來越需要將這些設備連接到物聯網（IoT）以允許從智能手機進行控制以及分析云中的數據，因此這一挑戰更大。

有許多不同的連接方式這些設備都會對電力預算和能源收獲方式產生影響。不同的源可以是光，振動能，來自溫差的熱能或甚至來自傳輸的無線電能。這些都具有不同的功率產生方式的特征，并且這些必須由功率管理子系統考慮。這對于需要高峰值電流的無線鏈路尤為重要。這些高電流脈沖對電池提出了巨大的要求，如果對無線廣播反復進行，電池可能會損壞。在發射和接收模式期間，無線傳感器系統中幾十毫安的脈沖是常見的，并且電池單元的內部阻抗經常導致內部電壓降，從而阻止電池以正確的電壓傳遞脈沖電流。

阻止這種情況的一種方法是在電池兩端使用低等效串聯電阻（ESR）電容，以便電池在放電脈沖之間為電容充電，并且電容器將脈沖電流提供給電容器。加載。這也可以應用于能量采集源為電容器充電。

圖1：德州儀器（TI）的eZ430-RF2500-SEH評估套件將太陽能電池板連接到低功率微控制器和2.4 GHz無線收發器，將傳感器節點連接到物聯網。

太陽能可能是來自環境的主要電力來源。太陽能電池可以提供高達3 V的電壓和電流傳感器和無線鏈路。然而，從細胞遞送的功率在白天可以顯著變化，并且在夜間也使用人造光。最大功率點跟蹤（MPPT）算法可以跟蹤來自單元的功率轉換，以確保該過程始終處于最有效的狀態。

圖1中德州儀器的eZ430-RF2500-SEH太陽能評估套件使用2.25英寸x 2.25英寸太陽能電池陣列為MSP430微控制器和CC2500 2.4 GHz無線收發器供電，以連接傳感器物聯網。高效太陽能電池陣列經過優化，可在低強度熒光燈下在室內工作，并且無需額外電池即可提供足夠的電力來運行無線傳感器應用。該系統在一對容量為100μA的薄膜電池和1000μF電容器中存儲額外的能量，用于無線傳輸期間的高電流脈沖。它們為400多次傳輸提供足夠的功率，并充當能量緩沖器，在應用程序處于休眠狀態時存儲能量，并且可以收獲光。來自電路板的電源管理狀態和控制信號（圖2）被送入MSP430控制器，其中已寫入固件，以最大限度地延長系統的整體壽命。

圖2：來自eZ430-RF2500-SEH板的控制和電源管理信號由MSP430微控制器處理。

CC2500收發器是將能量收集節點連接到網絡的關鍵。這具有-104 dBm的高靈敏度，接收模式下的低電流消耗為13.3 mA，數據速率為2400 bit/s。這意味著從節點到網關的距離可以通過降低靈敏度與太陽能電池可用的功率進行平衡，這將降低電流需求，使其與能量收集源匹配。 eZ430套件允許開發人員測試不同的調制方案，如OOK，2-FSK，GFSK和MSK，以獲得最低功耗的最佳連接。

另一種方法是使用最新版本的Bluetooth Smart（版本4.0和4.1），這增加了低功耗操作，現在允許該技術與能量收集源一起使用以將節點連接到物聯網。新方法的關鍵要素是快速建立和拆除鏈路，盡可能快速有效地發送數據，以最大限度地減少使用的能源。

Silicon Labs的藍牙智能開發套件目前使用的BLE112藍牙模塊基于與太陽能收集板相同的CC2500設備，但藍牙智能堆棧，腳本和應用程序編程接口運行內部8051微控制器。這為開發人員提供了一種簡單的方法來實現藍牙功能，以連接到附近的智能手機或其他支持藍牙的終端。與上面的示例一樣，這也需要一個緩沖和控制的電源管理子系統，以便在設置藍牙鏈路時提供高峰值電流。

圖3：藍牙智能開發板上的接口允許能量收集源和管理器為智能手機的無線鏈路供電，作為物聯網的一部分。

這可以提供高達1 Mbit/s的數據速率，并使用最新的IPv6協議，以便數據包可以輕松轉發到Internet進行進一步分析。

BLE112智能模塊還可以承載最終用戶應用程序，這意味著無需外部微控制器來運行傳感器節點，保持斷電并允許其通過小型能量收集源供電可充電電池。在最低功耗睡眠模式下，它僅使用500 nA，并將在幾百微秒內喚醒以發送數據。

其他開發人員采取了不同的方法來降低功耗：產生自己的低功耗使用能量收集連接設備的協議。 EnOcean的低功耗技術基于需要僅100納安或更低的待機電流的電報，在其他無線方法上的改進超過10,000倍。

這是因為認識到很難使用IPv6作為通信協議實現非常低的功率，因為它在報頭中引起40字節協議數據的顯著開銷。此外，在IPv6上運行的最簡單的協議UDP（用戶數據報協議）需要額外的8個字節，因此只傳輸一個字節的數據需要48個字節的頭信息。

相反，EnOcean的協議基于ISO/IEC 14543-3-1X規范和IEEE 802.15.4的超低功耗規范，僅使用7字節的報頭信息，大大減少了數據量發送，將鏈路的能效提高到50μW，并開放使用各種能量收集技術。這甚至可以包括燈開關產生的動能，它為無線鏈路供電以發送一個字節的數據。

與節點的連接只是物聯網的一部分。為了連接到Internet，EnOcean系統使用專用IP網關在節能傳感器協議和IPv6之間進行智能數據處理之間的轉換（圖4）。網關監視每個連接的傳感器節點的狀態，并充當其在IPv6網絡中的代表，將每個物理設備再現為虛擬設備。網關還存儲可以發送到設備的所有信息和命令，通常根本不需要聯系節點。

圖4 ：EnOcean的超低功耗協議依賴于網關將無線傳感器連接到物聯網。

每當溫度傳感器或交換機等節點發送新信息時，都會將其存儲在網關中，以便于檢索而無需查詢節點。發送到節點的任何命令，例如更改通信信道，都被收集在一起并一次性發送，再次最大限度地減少功耗。

結論

使用無線連接到傳感器物聯網為使用能量收集源消除在設計中更換電池的需要帶來了重大挑戰。從開關的動能到太陽能電池陣列，高峰值電流與各種不同能源相結合，呈現出巨大的設計空間。諸如eZ430 SEH等開發套件可以幫助設計人員利用各種協議和電源管理算法探索太陽能發電空間，而藍牙套件可以探索與智能手機的連接以提供數據。為了支持更廣泛的能源選擇，EnOcean協議和基于網關的架構可以幫助設計人員將更多的無線節點連接到物聯網。