基于环境光能量收集的低功耗蓝牙传感器

陈鹏展，祝振敏

(华东交通大学电气与电子工程学院，江西南昌　330013)

0　引言

目前，大多无线传感器节点均采用电池供电，由于受到体积和成本的限制，节点所携带的电池能量非常有限，多数情况只能维持传感器工作数月时间[1]。同时，由于电池存在自身放电特性，即便传感器不消耗任何能量，普通电池所携带的能量也能在两三年内泄放完毕。

若无线传感器所携带的能量耗尽，则需要通过人工方法对其电池进行更换，在一些环境恶劣或人类无法到达的场合，电池的更换就变得非常困难甚至不可能，无线传感器的电池维护工作大大提高了其应用成本。

有限的能量给无线传感器的应用带来了严重的制约，只有提供长效的能源才能降低无线传感器维护运行成本，若传感器节点能够从周围环境中获取能量，并且能够使用获取的能量供给自身的能量消耗，达到能量获取与消耗的平衡，则传感器节点的寿命则可大大延长，甚至在使用过程中始终免于维护[1]。

环境中的能量来源较多：光照、温差、振动、电磁信号等，相对于其他能量来源，光照能量的转换效率较高，技术成熟，较为适合作为无线传感器能量收集来源，但光电转换器件的电能输出与光照条件密切相关。为了使采用能量收集供电的无线传感器具有较好的适应性，传感器应具备从普通环境光照条件(如荧光灯或白炽灯光照条件)中收集能量的能力。普通环境光照条件下光传递的能量密度较低，同时，受成本与体积的限制，无线传感器中能够采用的光电转换器件面积一般较小，小面积光电转换器件在普通环境光照条件下的转化电能输出非常微弱，给进行环境光能量收集带来挑战。

该文设计了一类高效的光照能量收集管理方案，能够对环境光照条件下的小面积光电器件转换的微弱能量进行收集、存储及管理，以维持无线传感器运行。

1　环境光能量特性

1．1各类光照条件的能量密度

光照能量虽然来源广泛，但是光照能量具有分散性和不稳定性，不同的环境中的光照条件存在巨大差异。在楼梯、走廊、车库等环境中，光照条件一般为70 lm，而在客厅、办公室等环境中，光照条件一般为150 lm，在会议室、阅读室等环境中，光照条件一般为300 lm，在商店、工厂等环境中，光照条件却达到700 lm，而在精密加工、户外阴天等环境中，光照条件则达到1 200 lm，而在户外晴天的环境中，光照条件能够达到2 000 lm．

不同的光照条件对应的能量密度存在差异[2]。为了使采用能量收集的无线传感器具有较好的适应性，传感器应具备在低照度环境下的能量收集能力。常见的室内光照的功率密度仅为充足太阳光照的功率密度的1%，一般约为8～20 W/m2左右。低照度环境下的光照能量密度较低，给能量收集电路提出了更高的要求。光照通过光电转换器件转换为电能，为了能够在较低能量密度的环境光环境下收集光照能量，满足无线传感器的能量消耗需要，必须选择合适的光电转换器件，并设计一种高效的能量收集方案。

1．2光电转换器件特性

光电转换器件在光的照射下产生电能输出，将光能转换为电能。光电转换器件的功率输出取决于多种因素，其输出功率与投射到器件上的光强度、转换器件面积以及转换器件的效率成正比，光电转换器件在不同的环境下的转换能量输出相差巨大。图1是一种光电转换器件在某种环境下，其输出电流与电压，功率与电压的关系曲线[3]。

图1　光电转换器件的功率电压曲线

图1中，在充足的光照下，该光电转换器件电能最大输出功率能达到20 mW，若节点的平均功耗在20 mW以下，则该光电转换器件的输出功率能直接供给节点工作，若节点平均功耗大于光电转换器件的最大转换功率，则需重新选择光电器件，或采用多个光电器件并联或串联的方式对节点进行供电。

从图1可见。光电器件的最大功率输出点并非在其最大电压输出点处，而是在约为最大电压值80%左右的电压输出点处，因此，在设计环境光能量收集的无线传感器工作过程中，为了能够获得光电转换器件最大的功率输出，应通过某种方式使光电转换器件始终处于最大功率点附近工作。

2　无线传感器的能量消耗计算

2．1能量消耗构成及特点

无线传感器的能量消耗主要来源于信号检测、数据处理和无线数据收发3个过程[4]。信号检测过程中的能量消耗主要包括变换器、前端处理、模数转换等操作过程中的能量消耗，数据处理过程中的主要能量消耗是指微处理器进行指令操作时的能量消耗，数据传输过程中的能量消耗是无线传感器进行数据接收和发送时产生的能量消耗，无线传感器的功率消耗主要包括这3个过程的能量消耗。

根据无线传感器的运行特点，可以将无线传感器的工作状态分为4种：休眠、空闲、接收和发送，无线传感器处于不同工作状态时，其信号采集、数据处理及数据收发过程执行情况不同，导致其在不同工作状态下的能量消耗存在差异，其中，处于发送状态的节点能量消耗最大，处于休眠状态的节点能量消耗最小。为了准确评估无线传感器的功耗特性，必须计算无线传感器节点的平均能量消耗。

2．2能量消耗计算

根据上述分析，传感器在每个工作循环中，传感器信号采集环节的能量消耗为：

Ps=350 μA×3.3 V×2 ms=2.31×10-3mW·s

(1)

数据处理环节的能量消耗为：

PD=20 mA×3.3 V×1 ms=6.6×10-2mW·s

(2)

数据发送环节的能量消耗为：

PT=30 mA×3.3 V×3 ms=2.97×10-1mW·s

(3)

休眠环节的能量消耗为：

PI=1 μA×3.3 V×10 s=3.3×10-2mW·s

(4)

检测、数据处理及数据发送的能量消耗为：

P=Ps+PD+PT+PI=3.983 1×10-1mW·s

(5)

单次循环系统总耗时为：

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

(6)

因此，此传感器等效功率消耗为：

在建筑造型方面，余荫山房的主要建筑遵循对称的传统语法规则。深柳堂的明间是过厅，东西次间分别是过厅和书房。尽管两次间的使用功能不一样，外立面仍然以对称的手法处理了墙裙与窗户（图4）。临池别馆的明间东边是庭园大门，西边是房间，虽然无法以对称的手法处理檐墙的立面，但是通过把西边房间的屋顶降低，与庭园大门的屋顶形成对称的关系，配合檐柱、花牙子和拦河等元素，使得立面的总体感觉仍然是对称的（图5）。

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

(7)

根据上述计算，湿度传感器的平均功耗为39.8 μW．

若采用容量为50 mA·h，电压为3 V的纽扣电池为该传感器供电，通过电荷泵将纽扣电池电压调整为传感器供电电压，不考虑电池自放电特性等其他因素，该无线传感器的最大使用寿命为：

L=3 V×50 mA·h/39.8 μW=3 769 h≈150 d

(8)

根据上述分析，湿度传感器节点按照上述工作模式运行，约10 d就需要更换一次电源。虽然增加节点休眠时间长度可以延长传感器使用寿命，但过度延长休眠时间会降低节点数据的实时性。若通过对环境光进行能量收集对传感器进行供电，由于存在可再生的能量来源，则可降低节点休眠时间，不仅可使该传感器具有较长的使用寿命，还具有较好的数据实时性。

无线传感器的功耗关联多个因素，在传感器设计过程中可采取多种措施对其功耗进行优化，如选择高性能低功耗的微处理器，采用低功耗的传感器芯片，优化计算指令和采样周期，选择合适的数据通信方案，设置正确的传输调制模式、数据率、发射功率和操作周期等。当无线传感器的平均收集功率超过其平均功率消耗时，收集的环境光能量能够维持传感器节点功耗，从而可使无线传感器能够独立长时间运行。

3　基于能量收集的无线传感器设计

3．1能量收集电路设计

光电转换是进行环境光能量收集的起始环节，光电转换器件的在环境光照下的输出功率应大于无线传感器的平均功耗。考虑到体积与成本，并预留一定的裕量，系统选用一块尺寸为4．3 cm×1．4 cm的光电转换板，型号为：SLMD121H04，其开路输出电压为2．0 V，短路电流为50 mA，工作输出功率峰值为89．2 mW，在普通环境光照下，其输出功率也能达到7 mW．

能量收集系统中还需采用能量收集管理电路对光电转换器的电能输出进行收集，收集电路决定了能量收集的效率。能量收集管理芯片BQ25504具有较好的性能，能将可用能量收集效率提高30%～70%[5]，采用该芯片能够减少光电转换器件面积，降低能量收集系统对光照强度的要求，因此，系统采用BQ25504对环境光能量收集过程进行管理，基于BQ25504的能量收集电路如图2所示。

图2　能量收集电路

由于实际应用中光照条件和环境温度可以随时发生变化，光照能量的收集结果可能是零星的或者随时间变化的，利用能量收集电路，可以将光电转换器件转换的波动电压升压至稳定的电压，并对系统的能量进行分配管理。当光照条件充足时，收集的能量提供给传感器工作，并对多余的能量进行储存；当光照条件不足，光电转换器件的能量输出不能满足传感器需要时，收集电路将通过存储元件给系统提供稳定的电压输出[5]。

为了最大限度地收集光电转换器件的能量输出，应使系统自动跟踪光电转换器件的最大功率点输出，BQ25504内置最大功率点跟踪算法，通过在电路中调整相应的电阻值，可使能量收集系统工作在最大功率点附近，从而获得最大的转换能量。为了保证系统能够正常工作，并防止损坏能量存储元件，能量收集电路能实时对最高和最低电压进行监视，当储能电池或者电容器的电压降至低于预设临界水平时，其会向微处理器传递触发信号，防止系统进入欠压状况。

3．2能量存储方案选择

必须选择合适的能量存储方案对采集的能量进行存储，以保障在黑暗和光照量较低导致输入功率不足的情况下传感器仍然能够正常工作。

能量储存方案的选择很多，如薄膜电池、可充电电池及各类电容器等，在选择存储组件时，要考虑很多因素，包括自放电速率、充电速率和放电电流以及电池的周期寿命。自放电速率在选择能量存储单元过程中尤其重要，若传感器的自放电速率较高，则可能消耗大部分来自能量收集系统收集的能量。另一个关键考虑因素是能量存储单元的充电速率。充电速率与电池寿命存在制约，较快的充放电速率会缩短组件的工作寿命[6]。不仅如此，选择能量存储单元还有其他众多考虑因素，如能量密度、使用寿命、充电方式及效率、安全性、体积、环境影响和价格等。

薄膜电池的充放电特性很好，寿命长，但其能量密度小，价格高；锂电池能量密度高，充电效率高且自放电率低，但其充电方式复杂而且安全性要求较高；超级电容器寿命长，充电速率高，但其能量密度非常低，且自放电率非常高；镍氢充电电池安全可靠，充电方式相对简单和能量密度较高，而且价格较低，但镍氢电池充电效率较低。

综合考虑，系统中选用容量为45 mA·h，电压为3 V的镍氢充电电池ML2020-H1CN，其充电电流为3 mA，自放电电流为120 μA，能够满足能量收集存储需要。

3．3数据收发方案

通过对低功耗蓝牙与Zigbee的性能特点进行了分析和比较后发现，低功耗蓝牙既具备蓝牙的特点又具备Zigbee的特点，同时它也具有一些自身独有的特点[7]。低能耗蓝牙规范对蓝牙规范和其他无线传输的缺点进行了改进，在功耗、数据安全性、数据纠错、身份验证等方面都有了很大程度的改进。

考虑到与外部设备的兼容性，系统选用低功耗蓝牙作为无线数据传输方案。考虑到系统设计过程中的体积、成本、性能等3个因素，设计选用集成芯片NRF51822作为硬件实现方案，在该芯片中，不仅集成了低功耗蓝牙收发通道，而且集成了低功耗微处理器，从而可以降低系统功耗，缩小了系统体积，简化了系统复杂程度。

3．4传感器总体结构

基于上述选择，所设计的环境光能量收集的无线传感器包括以下几个部分：光电转换板、能量收集电路、能量储存电路、微处理器、无线收发电路，如图3所示。

其中，能量收集电路通过光电转换板对环境中的光照能量进行收集，并将其储存在电容，当环境光照强烈时，光照能量除供给信号检测、数据处理和数据收发外仍有富裕，此时，可对充电电池进行充电，将多余能量进行储存，当环境光照微弱，收集的光照能量不能满足传感器需要时，充电电池向传感器供电。

图3　能量收集无线传感器结构

除能量收集环节外，基于能量收集的无线传感器与普通无线传感器的结构相似，为了能使收集的能量能够满足无线传感器的功率需求，应尽量降低无线传感器的功率消耗。

3．5动态功耗设计

传统无线传感器由于在使用过程中无法自行补充能量，故其内部设置的采样频率、数据处理算法、休眠时间均根据系统功耗需要在系统运行之初进行设定，并在满足系统需要和保证节点寿命之间进行平衡，在实际应用过程中，必然会牺牲相关的技术指标来保证传感器使用寿命。

基于能量收集的传感器的能量供应不仅可来自内部能量储存单元，而且还来自外部光照的能量收集。在光照条件良好的环境下，系统能够收集足够多的光照能量，能够满足传感器进行多次数据采样、大量数据运算和快速数据发送的要求，从而可使系统获得更为准确的实时数据。当外部光照较弱时，传感器则应降低工作频率，减少采样次数，并增加系统休眠时间以降低功耗。

基于环境光能量采集的传感器可以通过合理的软件设计，在运行过程中动态调整相关过程，不仅使传感器获得较好的工作寿命，同时，还可使系统能够获得优质的实时数据。

4　传感器的性能评估

4．1传感器功耗特性评估

无线传感器的等效功率消耗不仅与传感器的活动、休眠工作循环相关，而且还与无线传感器的数据发射功率相关。为了能够准确评估无线传感器在不同功率循环和不同发射功率的状态下的功率消耗，利用可编程电源对其等效功耗进行测试：断开无线传感器的电源输入端，采用可编程电源对传感器进行供电，设置无线传感器的不同工作参数，使其处于不同的工作模式，并记录其不同工作模式下电流输出，对记录电流输出曲线的平均值，其结果与可编程电源的电压输出值乘积可视为传感器的等效能量消耗。对所设计的传感器每种模式下的功率消耗测量3次，其结果如表1所示。

表1　传感器在不同工作模式时的平均功耗

从表1可以发现，无线传感器的等效功率与休眠间隔与发送功率均密切相关，休眠间隔时间越长，平均功率越小，发送功率越大，传感器平均功率越大，其上述运行状态下最大的平均功率消耗为3．7 mW，最小的平均功率消耗为1．06 mW．因此，在传感器能量收集功率不足时，通过增加休眠间隔时间和降低发射功率来减少传感器功率消耗。

4．2能量收集性能评估

为了对能量收集传感器在不同光照条件下的能量收集特性进行评估，特选择了室外光照、阅览室和过道3种条件进行测试。为了能够准确测量传感器能量收集结果，用直流电子负载对能量收集效果进行测试：断开功率收集单元与微处理器单元的电源连接，将电子负载与传感器的能量收集电路输出进行连接，使电子负载来模拟信号采集、数据处理和收发单元的能量消耗，设置电子负载工作在功率消耗模式，当传感器能量收集过程稳定后，调节电子负载的功率消耗设定值，使能量收集电路的电压输出保持平衡，此时电子负载的设置值可视为能量采集电路的功率输出。对每种光照环境下的能量收集等效功率测量3次，其结果如表2所示。

表2　能量收集单元在不同光照环境下的功率输出

从上述结果可看出，所设计的能量收集电路在室外光照和阅览室环境中收集的能量分别约为70 mW和45 mW，完全能够满足一个普通的无线传感器功率消耗需要，在过道环境中，其收集的能量为4 mW，此时，可通过降低传感器

发送功率和减少传感器活动休眠循环，达到收集功率与消耗功率的平衡。

综合表1中试验结果，所设计的无线传感器在工作过程中，通过环境光能量采集得到的结果能够满足无线传感器工作的需要，能够成为一个自供电、免维护节点。

5　结束语

最大程度利用外部能量及尽可能降低节点自身能量消耗是构建免维护无线传感器节点的两条重要途径，该文给出了一类基于环境光能量收集的无线传感器设计方案，文中不仅从能量收集及管理的角度给出了一种微弱能量的收集管理方案，而且从降低系统能量消耗的角度给出了低功耗的无线传感器软件方案，试验结果证明：通过合理的设计，环境光照条件下的能量收集也能够满足传感器工作需要。随着技术的不断发展，可以预见，高效率的能量转换收集器件和低功耗的微处理器、传感器及数据通信技术不断涌现，基于能量收集的无线传感器必在更多的领域获得广泛的应用。

参考文献：

[1]乔钢柱．基于无线传感器网络的煤矿安全综合监控系统设计与关键技术研究：[学位论文]．兰州：兰州理工大学，2013．

[2]IXYS KOREALTD．IXOLARTM High Efficiency SolarBIT．Milpitas：IXYS Corporation，2011．

[3]刘阳，胡芃，张谦．基于LT3652的太阳能充电器设计方法．电子设计工程，2011，17(19)：167-170．

[4]邵汝峰，张彪，张矢，等．无线传感器网络节能技术的研究．传感器世界，2007(7)：40-43．

[5]TI．Ultra Low Power Boost Converter with Battery Management for Energy Harvester Applications．Dallas：TI，2012．

[6]赵清华．无线传感器节点能量管理系统的研究：[学位论文]．太原：太原理工大学，2010．

[7]张瑞吟．低功耗蓝牙技术市场应用前景广阔．集成电路应用，2012(10)：32-33．