基于自供電開關(guān)實(shí)現(xiàn)ZigBee的傳輸

設(shè)計(jì)與能量收集源一起使用的ZigBee應(yīng)用程序帶來了許多挑戰(zhàn)。使用最困難的收割機(jī)之一是自供電開關(guān)，因?yàn)楫a(chǎn)生的能量很少。利用超低功耗的Jennic JN5148微控制器，可以設(shè)計(jì)一個(gè)由SPS供電的工作應(yīng)用程序，只需100 uJ的能量即可實(shí)現(xiàn)三個(gè)基于ZigBee的傳輸。

能量收集作為無線傳感器的發(fā)電方法，為可持續(xù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)解決方案帶來了潛力，使關(guān)鍵問題成為持續(xù)的維護(hù)成本和電池處理的環(huán)境問題。使用高性能32- JN5148內(nèi)部的RISC CPU內(nèi)核用于快速處理，結(jié)合器件在睡眠狀態(tài)和工作時(shí)的超低功耗，使設(shè)計(jì)人員能夠使用通常被認(rèn)為無足輕重的能量水平來產(chǎn)生足夠的功率來激活超級(jí) - 低功耗Jennic微控制器。

Jennic最近與多家能源采集供應(yīng)商合作，致力于為基于標(biāo)準(zhǔn)的W標(biāo)準(zhǔn)提供可持續(xù)電源。無源傳感器網(wǎng)絡(luò)。

自供電開關(guān)

一種特別感興趣的能量收集源是自供電開關(guān)(SPS)，它通?？梢允褂秒娮訖C(jī)械或壓電傳感器來產(chǎn)生一個(gè)小電壓脈沖。按下開關(guān)的物理動(dòng)作。

這類收割機(jī)可用于門激活觸點(diǎn)，落地式壓力開關(guān)和燈開關(guān)等應(yīng)用。無線開關(guān)不需要電池，由于環(huán)境內(nèi)涵使其對(duì)消費(fèi)者具有吸引力，并且維護(hù)成本低。缺少電線使得它們?cè)谌魏伪砻嫔习惭b都很容易且成本低廉。

SPS產(chǎn)生的能量脈沖通常是明確定義和可重復(fù)的，但是，產(chǎn)生的能量可能非常小(低至150 uJ in在某些情況下并且由于在開關(guān)的連續(xù)致動(dòng)之間可能存在很長(zhǎng)時(shí)間，因此在壓力機(jī)之間通常不存儲(chǔ)可用的能量。由于這些原因，SPS是利用和實(shí)現(xiàn)工作解決方案的最困難的能量收集源之一，即使使用JN5148，也存在許多設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

典型的ZigBee傳輸簡(jiǎn)介

圖1顯示了典型的基于ZigBee的傳輸使用JN5148。設(shè)備喚醒并從外部閃存將程序加載到RAM中，然后初始化MAC軟件層。然后程序運(yùn)行一些校準(zhǔn)程序以優(yōu)化無線電性能。這些通常在每次芯片喚醒時(shí)執(zhí)行，以防芯片處于睡眠狀態(tài)時(shí)環(huán)境溫度發(fā)生顯著變化。該程序使用ADC和數(shù)字I/O進(jìn)行一些測(cè)量，處理數(shù)據(jù)并生成要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的有效載荷，然后設(shè)備執(zhí)行CCA(清除信道評(píng)估)以檢查信道是否不忙以便改進(jìn)接待的機(jī)會(huì)。接下來，它將有效載荷作為ZigBee分組發(fā)送，然后進(jìn)入接收模式以等待幀確認(rèn)。如果CCA失敗或未收到確認(rèn)，則可以通過進(jìn)一步的延遲和重傳來增加簡(jiǎn)檔。最后，設(shè)備進(jìn)入休眠狀態(tài)，如果有數(shù)據(jù)要保留，則RAM可以通過休眠保持。但是，如果睡眠時(shí)間很長(zhǎng)，那么將數(shù)據(jù)寫入閃存可能更有效(此配置文件中未顯示)。

基于自供電開關(guān)實(shí)現(xiàn)ZigBee的傳輸

圖1：典型ZigBee傳輸?shù)呐渲梦募?。雖然圖1中討論的能量曲線很小(2 V時(shí)為300 uJ)，但這仍然可能超過自供電開關(guān)的能量曲線，這意味著典型的ZigBee應(yīng)用程序可能不適合與此源一起使用。這一事實(shí)得到了ZigBee聯(lián)盟的認(rèn)可，該聯(lián)盟有一個(gè)工作組來制定ZigBee綠色電力標(biāo)準(zhǔn)。 Jennic是ZigBee聯(lián)盟的成員。

在撰寫本文時(shí)，該標(biāo)準(zhǔn)仍在開發(fā)中。對(duì)于一類具有降低功能的設(shè)備提出了建議，以滿足一些收獲源可用的最小能量預(yù)算。這些提議包括諸如減少的網(wǎng)絡(luò)報(bào)頭和傳輸被發(fā)送至少三次的方面，使得可以在不需要CCA或幀確認(rèn)的情況下實(shí)現(xiàn)成功傳輸?shù)牧己酶怕?。這不僅降低了能量需求，而且使其更加明確，這對(duì)于只有有限脈沖能量的應(yīng)用非常重要。此外，建議不要求設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)關(guān)聯(lián)，但允許設(shè)備漫游，僅執(zhí)行廣播傳輸。

考慮到這些提議，設(shè)計(jì)了具有絕對(duì)最小功率要求的應(yīng)用程序。適用于SPS等信號(hào)源。

超低功耗應(yīng)用

Jennic JN5148 SPS應(yīng)用的能量曲線如圖2所示。設(shè)備喚醒，加載程序，校準(zhǔn)無線電，以全輸出功率(2.5 dBm)發(fā)射，然后進(jìn)入短暫休眠狀態(tài)，然后再喚醒兩次以執(zhí)行兩次后續(xù)傳輸。由于沒有能量存儲(chǔ)，因此設(shè)備必須在第一次傳輸之前進(jìn)行完全初始化和校準(zhǔn)。然而，它然后能夠與保留在RAM中的寄存器值一起休眠，以便對(duì)于后續(xù)傳輸，喚醒和初始化時(shí)段非常小。由于睡眠周期很短，因此可以假設(shè)沒有溫度變化，因此可以重復(fù)使用初始無線電校準(zhǔn)的值。

圖2：自供電開關(guān)應(yīng)用的配置文件。

由于設(shè)備正在執(zhí)行僅傳輸操作，因此IEEE 802.15.4 MAC初始化顯著減少。這與1千字節(jié)的小代碼大小相結(jié)合意味著初始程序負(fù)載和設(shè)置減少到最低限度。傳輸之前的CCA已被刪除，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包現(xiàn)在長(zhǎng)度為21個(gè)字節(jié)，包含減少的ZigBee報(bào)頭和6個(gè)字節(jié)的有效載荷。由于代碼大小現(xiàn)在非常小，因此低成本EEPROM用于保存應(yīng)用程序代碼，并且還存儲(chǔ)MAC序列號(hào)，每次按下開關(guān)時(shí)，MAC序列號(hào)遞增并寫回EEPROM。

完整的解決方案是使用50μA電荷(在2v下100uJ)實(shí)現(xiàn)。 Jennic解決方案已經(jīng)通過市售的自供電開關(guān)進(jìn)行了演示，以實(shí)現(xiàn)至少三次成功的變速箱。