采用片上系統(tǒng)解決方案設(shè)計(jì)下一代低功耗自動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn)

　　傳感器

　　傳感器是最先接觸到物理環(huán)境的部件。MEMS 技術(shù)不僅可以縮小傳感器尺寸而且還能提高感應(yīng)數(shù)值的精確度。基于 MEMS 的傳感器能監(jiān)控溫度、電壓、濕度、光、振動(dòng)、氣體等，是無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)板上傳感器的組成部分。這些傳感器能產(chǎn)生模擬信號(hào)。然后，需要將產(chǎn)生的模擬信號(hào)進(jìn)行放大，以便對(duì)其進(jìn)行處理和去噪聲?？赏ㄟ^(guò) SPI、I2C 等串行接口對(duì)外部傳感器進(jìn)行配置或控制。

　　能源要求和來(lái)源

　　模擬傳感器通常是能耗大戶。舉例來(lái)說(shuō)，基于金屬氧化物的氣體傳感器等有源傳感器在工作時(shí)需要進(jìn)行加熱，這會(huì)消耗大量能量。接下來(lái)是通信鏈路，需要定期突發(fā)大量數(shù)據(jù)包，也會(huì)消耗能量。最后是數(shù)字處理器，它需要在數(shù)據(jù)傳輸之前完成信號(hào)的感應(yīng)或轉(zhuǎn)換以及低級(jí)處理任務(wù)。

　　典型的節(jié)點(diǎn)包括用于捕捉外部現(xiàn)象的傳感器、帶信號(hào)處理電路的 ADC(將傳感器信息轉(zhuǎn)換為可靠的數(shù)字形式)以及用于數(shù)據(jù)通信的無(wú)線電。通常而言，能耗大小取決于無(wú)線電。但是根據(jù)感應(yīng)活動(dòng)占空比的不同，有時(shí)傳感器也會(huì)成為最大的耗能部件。研究發(fā)現(xiàn)，一個(gè)節(jié)點(diǎn)工作時(shí)所需的電能通常介于 1uW 到 20uW 之間。需要通過(guò)一系列節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)協(xié)作處理，這樣才能完成計(jì)算密集型任務(wù)。

　　環(huán)境能源的收集

　　環(huán)境中的許多能源都可作為無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)整個(gè)使用周期內(nèi)工作所需的電力來(lái)源。我們將重點(diǎn)介紹 RF 能源、機(jī)械能以及太陽(yáng)能收集。有關(guān)文獻(xiàn)資料已經(jīng)充分證明，這些都是無(wú)線節(jié)點(diǎn)的可行能源。

　　RF 能源是指公共電信系統(tǒng)產(chǎn)生的能量。距離基站 30 到 100 米，GSM 提供的 RF 能量大小約為 0.1 到 1mW/m2。這不足以支持任何可行的能量收集機(jī)制。另一方面，WLAN 提供的 RF 能源比 GSM 還要小很多。收集 GSM 能量一種可能的辦法就是采用大面積天線，或者采用一個(gè)專用的 RF 能量源。不過(guò)需要指出的是，信號(hào)發(fā)射水平不得超出所允許的最大值。

　　如果要收集機(jī)械運(yùn)動(dòng)或振動(dòng)產(chǎn)生的能量，我們可以采用靜電、壓電和電磁傳導(dǎo)技術(shù)。對(duì)于靜電換能器而言，極化電容器兩個(gè)電極之間的距離變化會(huì)產(chǎn)生電壓變化。對(duì)于壓電換能器而言，材料形狀的變化會(huì)產(chǎn)生電壓變化。而電磁換能法的原理則是通過(guò)磁性物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)促使線圈磁鏈發(fā)生變化。

　　熱發(fā)生器基于塞貝克效應(yīng)(Seebeck Effect)，即不同材料的兩個(gè)接點(diǎn)會(huì)保持不同溫度。這就會(huì)在接點(diǎn)開(kāi)放端生成電壓。光伏能是另一個(gè)重要的能量來(lái)源，其效率為 5% 到 30%，這要取決于采用什么樣的材料。

　　我們從表 1 可以看出，這里給出的都是單位面積功率，因?yàn)槠骷穸认鄬?duì)于面積而言并不起主要作用。不同能量源所產(chǎn)生能量的多少很大程度上取決于節(jié)點(diǎn)的環(huán)境。我們假定平均能收集數(shù)十微瓦的能量，也就是說(shuō)微型傳感器節(jié)點(diǎn)功耗為 10 到 40uW 就能實(shí)現(xiàn)能量收集了。因此，將能量收集與某種形式的能量?jī)?chǔ)存相結(jié)合，理論上就能無(wú)限延長(zhǎng)系統(tǒng)工作壽命。　　

       
             表 1：環(huán)境能量與收集能量的分析