能源採集與 Bluetooth® Low Energy：設計免電池信標

常開且無需維護的數據傳輸器總覽

智慧型手機為日常生活帶來重大改變， 已經成為我們隨時取得健康、環境甚至購物相關資訊的管道。 可惜的是，目前在大多數情況下，使用者還是要採取動作才能取得資料。 這樣做效率不彰，因為使用者可能不知道如何搜尋資訊（例如，商店中某個商品的銷售方案）。

解決方案就是打造一種系統，能將情境專屬的資料提供給智慧型手機，如此一來，便能將正確的資訊呈現給使用者。 這種資料可以來自感測器，也可以是和物件或位置相關的唯一識別碼。 信標便由此而生。

在無線術語中，信標是一種能夠廣播數據，再由鄰近區域內其他裝置接收的元件。 在理想情況下，廣播數據無需使用者干預即可接收，因此能達到無縫傳輸。 Bluetooth^® Low Energy 具有此功能，因此是信標通訊的普遍選擇。

針對需要在相對較小半徑（通常在 10 公尺內）傳輸資料的應用，低功耗藍牙 (BLE) 廣泛用於此類應用的低功耗無線通訊上。 以無線感測器節點 (WSN) 為例。 WSN 可以收集資料，然後傳送到智慧型手機。 圖 1 顯示這類感測器節點的典型應用流程：

圖 1：BLE 感測器裝置的典型流程圖。

信標和感測器需要有電源才能持續運作，同時還需維持整體裝置的外形尺寸。 但這些裝置不是隨身攜帶就是擺放在遠端，因此使用線路供電幾乎不可行。 因此，任何需要透過線路供電的使用情境通常都不合理。 採用電池供電方式會帶來其他問題，例如工作續航力有限、電池經常需要充電，以及最終棄置電池時對環境造成的負面影響。

如果真的想要信標無需任何維護，則需要充分利用週遭環境未利用的能源，例如光、動作、壓力或熱。 如此一來就可達到「安裝即忘 (install and forget)」，信標和感測器就能在自身壽命期間持續獲得供電。

能源採集

能源採集是一種從週遭環境收集未利用的微量能源並加以儲存的方法。 一旦儲存足夠的能源，感測器便可以執行任務，例如收集資料並透過 BLE 將資料傳輸到另一個裝置。

圖 2：能源採集型 WSN 裝置的方塊圖。

能源採集系統 (EHS) 是一種內含能源採集裝置 (EHD) 、能源採集電源管理積體電路 (PMIC) 和儲能裝置 (ESD) 的電路。 PMIC 可使用太陽能電池、振動感測器或壓電元件等 EHD 提供的能源，為儲能裝置（通常是電容）進行「涓流」充電。 EHS 接著會用儲存的電力供電給另一個嵌入式元件。 EHS 的輸出功率依感測器的狀態而有所不同。 在運作時會消耗能源，EHS 輸出的電壓會開始下降。 處於低功率狀態時，EHS 輸出的電壓會上升，因為儲能裝置的充電速度大於耗用速度。 圖 3 的範例顯示，在一段時間內，EHS 的輸出電壓會隨著嵌入式元件的活動而變化。

圖 3：一段時間內，EH 輸出隨裝置活動而變化。

對由 EHS 供電的裝置而言，在運作狀態下所消耗的能源不能超過 EHS 可提供的能源。 圖 4 顯示 EHS 供電式系統，其運作狀態下的能源消耗量大於 EHS 可提供的能源。 EHS 的輸出電壓因消耗而慢慢下降，直到完全無輸出為止。

圖 4：WSN 因電力不足而關閉。

若要設計採用能源採集供電的健全系統，必須從能源的角度對嵌入式系統的每個層面進行最佳化，唯有這樣才能夠運用 EHS 提供的能源順暢運作。 這種系統還可能包含許多能耗大的子系統，也都必須進行最佳化以確保不會降低 EH 的輸出。 以下是達到電力最佳化所要注意的一些重點：

1.CPU 時脈頻率

系統時脈頻率會決定特定常式的處理速度，以及處理期間將消耗的能源量。 時脈越快，處理速度越快，但電流消耗量也越大。 此外，每個裝置都有最小與最大時脈頻率要求，不可違反這些要求。

對於 EHS 架構設計而言，必須依據以下兩個因素選擇最佳化時脈頻率：

• 平均電流消耗
• 峰值電流消耗

EHS 蓄電量必須考量這兩個因素。 平均電流指在特定運作狀態期間所需電流的時間平均值。 峰值電流則是指運作狀態下所需的瞬間最大電流，通常大幅高於平均電流。 所需的平均電流有可能維持在 EHS 蓄電量之內，但峰值電流卻會造成 EHS 突然耗盡能源，導致電壓降至截止電壓以下。 請注意，處理時間也是計算平均電流消耗量時的一個因素。

圖 5 是以 48 MHz 系統頻率處理特定常式時的電力與時間關係圖，圖 6 是以 12 MHz 處理相同常式時的電力與時間關係圖。

圖 5：以 48 MHz 處理常式時的電流消耗。

圖 6：以 12 MHz 處理常式時的電流消耗。

在此範例中，以 48 MHz 處理常式需耗時約 300 μs 才可完成，此期間消耗的峰值電流大約為 10 mA。 以 12 MHz 處理常式時，耗時 1.1 ms 完成，但僅消耗 4 mA 峰值電流。 儘管以 12 MHz 處理期間消耗的平均電流較大，但峰值電流需求較低。 視 EHS 蓄電量而定，使用者可以採用較短的 48 MHz 時脈設定、較長的 12 MHz 時脈設定，或將兩者混合，在不同處理期間切換至不同的時脈頻率。 在選擇最佳化系統頻率時，應將此電流設定納入考量。

2.低功率裝置開機

嵌入式裝置啟動時，必須完成開機程序才能夠執行應用程式碼。 典型的開機順序包括：

1. 初始化記憶體
2. 設定中斷向量
3. 設定周邊裝置與共用暫存器
4. 初始化外部時脈（若有）

以上每一個步驟都需要 CPU 處理時間來完成，因此會消耗能源。 能源消耗量取決於所用的裝置類型、系統時脈頻率、初始化的記憶體／暫存器組合大小，以及設定外部時脈所需的時間。 因此，開機程序是電力密集的活動，應進行最佳化以免過度消耗 EH 輸出的能源。 以下是撰寫開機程式碼時必須考量的因素：

1. 僅初始化要使用的記憶體與暫存器區塊。 其他區塊維持預設值。

大多數的無線系統都需要高準確度的外部時脈。 這些時脈（例如外部時脈振盪器或手錶晶體振盪器）在啟動之後還需要一段很長的穩定時間。 與其在運作模式下等待時脈穩定，應讓系統進入低功率模式（睡眠／深眠），並在時脈備妥可使用時才將系統喚醒。 可運用內部計時器達成此目標。

3.低功率系統開機

裝置開始執行應用程式碼後，通常還需要啟動系統內的個別周邊裝置。 這些周邊裝置可能是裝置內部元件（例如 ADC），也可能是外部元件（例如感測器）。 個別周邊裝置的啟動時間或許不會很長，但整體的設定時間加總卻有可能需要很長的處理時間，足以耗盡 EHS 內儲存的能源。 首先，根據指定的 CPU 頻率計算個別周邊裝置的啟動時間。 然後判斷能源預算是否足夠同時啟動所有周邊裝置（快速），或者是否需要分階段執行啟動程序（慢速）。

4.分階段應用處理

裝置內含各種應用程式常式，各別需要 CPU 頻寬進行處理。 這些常式包括設定周邊裝置、從感測器接收資料、執行計算以及管理事件和中斷等工作。 確保進行此項處理所需的能源不會超過 EHS 蓄電量。 如果會，則將常式分成多個小常式並分階段管理。 這樣做可以將 EHS 的負載分解成可管理的電流脈衝，以便 EHS 在各個作用的 CPU 程序之間重新充電。

此外，在每個階段之間，可讓系統進入低功率模式，並運用計數器或監控設備計時器當作喚醒來源，以中斷低功率模式。 由於系統在大部分時間都處於低功率模式，因此這些模式期間的電流需求必須盡可能降到最低。 系統在這些模式下效率越高，在各個階段之間要求充電的時間就越短，執行工作的速度也會越快。

5.無線傳輸

資料收集後必須透過 BLE 傳輸。 傳輸方法包括 BLE 連線或 BLE 廣播。 請注意，能源採集支援的信標僅限使用 BLE 廣播。 這是因為建立 BLE 連線必須耗費大量能源，然後才可能用其傳輸資料。 一般而言，在無線裝置中，無線電活動，無論傳輸 (TX) 還是接收 (RX) ，都是消耗能源最多的作業。 請確保 BLE 活動是以獨立程序執行，而且只有在 EH 輸出可以提供足夠峰值電流的情況下才和另一個程序結合。

使用 Cypress PMIC 和 BLE 解決方案的高效設計

Cypress Semiconductor 的能源採集電源管理 IC (PMIC) 能達到免電池的無線感測器和網路解決方案， 這些 IC 能透過高效電源轉換即可精確控制輸出功率，因此是小型低功率 BLE 應用（例如信標和無線感測器節點）的理想選擇。 這些 IC 可用於免電池解決方案，也可以搭配電池（如鋰離子電池）做為備份電源一起使用。 經過最佳化的 PMIC，例如 S6AE101A（最佳化的太陽能或光 EHD），能提供極低的啟動和靜態電力消耗，因此能使用微型太陽能電池來縮小整體外型尺寸。 MB39C831 等 EH PMIC 能夠以低電壓啟動，同時可使用最大功率點追蹤 (MPPT) 功能，因應應用的電源需求。 MPPT 會追蹤輸入功率，藉此讓內部 DC/DC 轉換器控制輸出充電，因此能達到最大的功率輸出。

Cypress 的能源採集 PMIC 適合多種應用。 舉例而言，MB39C8xx 系列 PMIC 可支援太陽能、振動以及熱能式 EH 裝置。 若是更複雜的系統，S6AE10xA 系列太陽能最佳化 PMIC 可控制多個輸出和儲能裝置。

免電池無線信標的另一個考量層面就是選擇 MCU。 整合為可編程系統的 MCU 是這種應用的良好選擇，例如支援多種低功率模式的系統單晶片 (SoC) 裝置。 舉例來說，Cypress 的可編程系統單晶片 (PSoC) 能緊密整合多種可用來介接感測器的周邊裝置。 值得一提的是 PSoC 4 BLE，其包含低功率周邊裝置、BLE 無線電以及整合式 BLE 堆疊，因此能達到單晶片 BLE 感測器節點的設計。 不僅如此，由於支援超低功率模式，所以系統能使用能源採集器和鈕扣型電池等受限的電源便能可靠運作。 事實證明，此類採集器搭配 PSoC 是免電池 BLE 感測器節點應用的最佳化設計。

若要進一步瞭解如何針對能源採集應用設計高效無線系統，請參閱應用說明低功耗藍牙入門。 若要進一步瞭解如何針對能源採集應用達到 BLE 子系統的最佳化，請參閱低功率設計以及預估 BLE 應用的電池續航力。 此外，按一下此處取得電源管理積體電路簡介。

附錄

A1：EH 供電式 BLE 感測器節點執行多種作業時的示波器擷取畫面

此圖顯示一段時間內 EHS 輸出電壓相對於 CPU 處理活動的變化。 黃色訊號是 EHS 輸出電壓，綠色訊號是嵌入式元件消耗的電流。 綠色波峰是 CPU 運作處理期間的電流消耗。 當裝置處於低功率模式時，會出現扁平訊號。 請注意，由於 CPU 會消耗能源，因此每一個 CPU 活動（綠色訊號的波峰）都會導致 EHS 輸出電壓下降。 另外也請注意，由於 EHS 會為儲能裝置充電，因此電壓會在低功率狀態期間復原。

此圖顯示，在 EHS 的儲能裝置未再次充電時，EHS 輸出電壓相對於 CPU 活動的變化。 請注意，當能源耗盡時，電壓會降至截止電壓以下，EHS 輸出會在此時關閉。

裝置開機時的電流消耗（綠色訊號）：

能源採集供電式信標的 BLE 傳輸活動：