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使用RF能量为远程传感器供电

作者:时间:2012-08-23来源:网络收藏

捕获

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/160044.htm

  采集技术随着多年来的迅猛发展,已能借助多种技术,将许多日常能源(如光、风、温度、振动、无线电波,甚至PH)巧妙地转化为可用(见图1)。而今摆在人们面前的挑战是如何转换经由这些技术产生的微小能量并使其发挥出实用功能,如可靠地为环境

  图1 各种能量采集方法的功率密度

  解决方案的关键在于采集来源和采集元件的选择,以及对功率预算的精密分析。相对于一般采集技术,将能量作为能量源的优势是,可以从周围环境中获取能量,或专用发射机进行控制。采集能量的设备不受场地限制,几乎可工作在任何环境下。

  作为能量源

  RF能量可以从多种来源采集,如广播电视台和无线电台、移动电话和基站,以及非授权频段(包括915 MHz、868 MHz或2.4 GHz)中的发射机,这使得RF采集在全世界范围内都具有商业可行性。RF较其他能量源具有许多优势。它不受时间限制,不需要暴露于高温或有风的环境,可以在传输源的范围内自由移动。它完全可控,这意味着能量可根据计划或需求连续传输。可以利用可充电电池或超级电容存储转换的RF能量,供用电高峰期

  例如,Powercast的RF能量采集接收机可将接收到的RF信号转换成直流电、调节输出功率,并直接对次级能量存储单元或充电。这些接收机还可以恢复随功率信号一起广播的低速率数据。

  低功率元件选择

  方便可靠的能量源只是解决方案的一部分。另一部分是适当的系统设计,旨在最大限度地利用所获得的微小能量。有两种方式可应对此限制。其一是使用超低功耗元件,其二是实现功率平衡。

  幸运的是,低功耗电子元件正获得普遍的推广应用。这源于消费者对便携式产品的需求,从而掀起新一轮的可完美支持RF采集的低功耗单片机、模拟元件、射频技术以及通信协议的发展浪潮。单片机已发展至超低功耗级别。以Microchip采用超低功耗(XLP)技术的PIC24F器件为例,其休眠电流仅为20 nA,而执行代码时的电流可低至8 μA.

  要组成一套完整的环境,还需要模拟元件和射频技术。射频技术对功率预算有很大影响。这与两个因素有关,即使用的协议和发射/接收(Tx/Rx)电流。最新的射频技术已着手解决Tx/Rx电流问题,目前可实现低至3mA的接收电流。这必然有助于降低功耗,但产生影响的主导因素通常是无线通信协议。

  功率平衡

  当使用通过能量采集产生的微小能量时,冗长的执行时间和臃肿的无线协议将蚕食功耗预算。控制协议执行时间的关键是选择可根据需求进行功能扩展的协议。去掉不必要的开销和信号交换可显著降低功耗。目前有多家公司可提供支持最低限度实现的专有协议,例如Microchip的MiWi协议栈。射频传输时间已降低至5 ms,这可以大幅降低功耗。

  通过使用以下两种功耗管理技术还可进一步改善功耗:基于充电的执行和充电状态监视。

  如采用基于充电执行的技术,可完全去掉系统的电源。仅当RF采集器采集到足够的能量时,传感器才会启用。这项技术的主要好处是器件在补充能量库时的功耗为零。传感器的执行频率取决于能量库的充电速率,而充电速率受RF能量源的距离、接收天线和障碍物(如墙体)的影响。如果传感器的安装位置适当,其运行频率符合整体系统需求,则这种方式可以良好运作。RF采集器还可以使用接收的信号强度(RSSI)作为控制数据传输速率的机制,以避免不必要的数据包涌入网络。图2显示了基于充电的系统的示例。


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