引爆IoT——“微”能量采集的“大”用途

超大规模的物联网市场带动了对于传感器应用的巨大需求，这些无线传感节点（WSN）需要完成数据的采集、存储和传输。随着IoT应用遍地开花，越来越多的WSN将投入使用。由此也产生了一系列问题：什么样的WSN能够满足IoT未来的发展需求？在强调节能环保的今天，如何实现系统的低功耗运行？ WSN带动微能量采集技术大规模应用 根据On World 2014年的市场调查，WSN器件将从2015年的50亿个增长到2020年的500亿个以上。它们与互联网上的服务器进行通信，它们负责监测楼宇、设备或环境状态，并将监测数据上传，在整个IoT应用中的作用举足轻重。那么，何谓成功的WSN系统？ 首先要解决供电问题。采用电力线供电成本昂贵，且随着WSN节点的增多，铺设太多的线路也变得不切实际；如果采用电池供电，就需要定期更换电池，人工成本很高，且在很多应用场合，电池供电也存在一定的安全隐患。 基于这两方面限制，有些设计开始采用光伏板为WSN供电，从而实现低功耗的能量收集系统（EHS）。但是，有些WSN的设置场所有尺寸限制，制约了光伏板面积和输出功率；而有些WSN的设置地点得不到足够的光能，因此制约了向EHS负载的供电功率以及能量收集PMIC的启动。 正是这两方面限制因素，使得微能量采集技术焕发出了全新的魅力，它可以使WSN具备自我供电能力，且能被安置在任何地方场所，寿命长达十年以上，能够保证部署和维护成本的最小化。 【分页导航】 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 {pagination} 如何设计一款优秀的能量收集供电WSN？ 设计一款优秀的能量收集供电WSN面临哪些技术挑战？它需要高度的模拟技术，昂贵的低静态电流模拟芯片，并且需要非常仔细地设计能量收集、转换以及存储，计算随时变化的EHS负载，要求灵活的低功耗芯片去执行EHS负载的传感、处理以及通信功能。 赛普拉斯（Cypress）半导体最近推出了一系列单芯片能量收集电源管理集成电路（PMIC），可用于IoT中太阳能供电的微小无线传感器。新器件号称具有全球最低的功耗，可使用面积仅有1cm2的太阳能电池板。 同时推出的还有一款49美元的开发套件，其中包括了一个用于低功耗蓝牙连接的EZ-BLE PRoC模块，从而为这一新系列中的S6AE101A PMIC配套提供了完整的免电池能量收集解决方案。Cypress通过将光伏板、S6AE101A PMIC以及EZ-BLE PRoC三层叠加的形式，实现了1cm2光伏板供电的WSN样机。 据Cypress资深市场工程师李冬冬介绍，WSN的布设可能会有尺寸及可获得的光能量限制，因而对太阳能模块的尺寸和功率输出以及能量收集PMIC的启动功耗有所限制。Cypress最新的能量收集PMIC器件成功地应对了这些挑战，其启动功耗仅为1.2uW， 比最强的竞争方案低4倍，并且工作电流可低至250nA，从而将目标应用中用于传感、处理和通讯功能的功率最大化。完全通过认证的小尺寸EZ-BLE PRoC 模块基于Cypress的PRoC可编程片上射频解决方案，可配合PMIC器件，共同构成低功耗、易用型能量收集系统解决方案。

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S6AE101A能量收集PMIC目前处于样片阶段，计划今年第四季度实现量产。此外，结合Cypress在线的仿真工具Easy DesignSim，可以验证能量收集系统的设计，它可提供材料清单、电路图和目标应用中感应、处理、通讯功能所消耗的功耗。这款仿真工具能够快捷地将收集到的能量与系统所需的能量进行验证，甚至根据设计好的电路跑一个原理图，就可以进行打板，堪称省时、省力。

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至于具备哪些特征才能称得上是一款优秀的能量收集方案？李冬冬表示：“将系统运行的功耗降到足够低的程度，能够充分利用能量采集维持运转，简单、易于设计，且具备十年以上的运行寿命，这样才是一款有竞争力的产品。Cypress最新的芯片具备低功耗、高集成度的特征，结合低功耗蓝牙连接的EZ-BLE PRoC模块以及在线设计工具能够满足上述需求。” 【分页导航】 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 {pagination} 能量采集PMIC如何实现低功耗、高集成度？ 如前所述，Cypress最新的能量采集PMIC在静态电流、启动功率方面都优于竞争对手，实现了超低的功耗，并具备极高的集成度。

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据李冬冬介绍，Cypress自2012年进入能量采集市场后，一直在不断优化产品架构和性能。以最新的S6AE101A为例，Cypress突破性地集成了电力门控开关和多路复用。这主要因为竞争对手是通过DC/DC的方式来进行实现的，而Cypress却采用了线性的芯片架构，因此更容易进行集成。他进一步解释，考虑太阳能的特性，太阳能面板的输出值虽然变化，但变化很微弱，并不需要DC/DC整流，因此可用线性的多路开关来实现。这样带来的好处是更易于集成、成本更低。 传统方案中，负载传感器、RF都不是完全关断的，而即使是休眠状态也在消耗能量。在能量采集方案中，由于收集到的能量本身就很微弱，因此需要非常细致地进行优化，将不工作的传感器和RF关断，只有在能量存储到一定过程中再将它们启动。这个过程可通过MOS管进行控制，通过比较器来判定启动值，将这两部分集成可以使系统设计更加简化。这款PMIC芯片可用于太阳能与电池结合的方案中，其内部已经做好了时序控制电路，支持多路复用。 【分页导航】 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 {pagination} 能量采集供电WSN未来有哪些应用场景？ 借助能量采集供电的传感器以及其周围的IoT网络，可以在任何地方安装传感器来进行全方位监视，目前主要的应用场景包括智能楼宇、智能家居以及工厂自动化。用途则五花八门，可以监控家庭温湿度变化，根据室内环境判断什么时候开灯；或是进行道路、桥梁、铁轨的检测，来保证行车安全；或是用于工厂中的安全监控，传统上都是人工测量温度、粉尘等参数，现在可以通过传感器实现自动侦测，避免安全隐患；或是医疗应用中，为植入式电子设备提供能量……

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Cypress自2013年推出第一颗能量收集PMIC以来，目前产品线已扩展至包括光能、动能、热能在内的多系列产品。在日本也有了成功的应用案例：在东京机场、大阪机场的500个WSN中，为旅客推送航班信息；用于千叶市永旺购物中心的100个WSN中，为顾客推送购物信息。 李冬冬表示，IoT其实并不像想象中的那么遥远，已经从很多方面切实地走进了我们的生活中。以前很多行业还只处于搭建基础设施的阶段，但是下一步都需要添加IoT应用。中国正处于IoT大发展的时代，顺应这个趋势，能量采集恰好处于合适的时间点，并且会进一步推动IoT市场的发展。

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由于目前太阳能采集技术应用较多，因此Cypress最新推出的S6AE101A/102A/103A都是配合太阳能能量收集的PMIC产品。这三款产品属于同一个家族，它们针对不同的应用场景进行了功能区分：其中101A用于可穿戴设备和住宅，功耗最低、功能较为简单；102A增加了LDO，可用于楼宇中更为精准的传感器中；103A在102A的基础上又增加了定时器功能，支持更复杂的判定场景。 如果一个传感器仅仅能够采集大量的数据而无法将这些数据或基于数据所做的决策传输出去，这样的传感器是毫无意义的。那么，对于下一代IoT应用来说，什么样的无线技术最为合适？ Cypress系统应用工程师经理国仲贞治最为看好低功耗蓝牙技术，他认为低功耗蓝牙在功耗方面最有优势，且成本低，目前智能手机都有蓝牙，未来市场也会主要围绕蓝牙来开发相关的应用。 他同时表示，微能量太阳能采集技术在中国正在起步，IoT会推动技术的加速发展，随之而来，也会有越来越多的厂商投入市场竞争中，百家争鸣也更有利于产品方案的进一步提升。 【分页导航】 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载