面向绿色IoT,玩的就是高大上——基于能量收集的BLE开发套件评测
发布时间:2016-01-20
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面向绿色IoT,玩的就是高大上——基于能量收集的BLE开发套件评测
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随着低功耗物联网设备的规模越来越多,人们又开始尝试一种新颖的绿色物联网模式——基于能量收集的无电池环保方案,所谓的能量收集,是指通过外部源,如太阳能或者光能、热能、动能等无污染的可再生资源收集、存储用于低功耗的电子系统供电,就如前段时间爱板网拆解过的一个自发电无线门铃产品,其在不借助外部电源的情况下通过电磁感应的原理采集能量实现无线通信的方式让人眼前一亮,一劳永逸的解决了需要更换电池的缺陷。可以预见,在今后的低功耗设备中,能量收集方案将扮演着极其重要的角色,所以今天笔者就抛砖引玉,借助手头正好有一套赛普拉斯的S6SAE101A00SA1002 Solar-Powered IoT Device Kit,跟大家一起来探讨下这一种非常常见的太阳能能量收集方案。

从S6SAE101A00SA1002 Solar-Powered IoT Device Kit开发套件的命名不难发现,这是一套基于太阳能的能量收集方案,而套件本身又是以低功耗蓝牙通信方式为主,算起来是一个不折不扣的基于能量收集的物联网方案。

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套件本身并没有多复杂,主要包括一个主板、一个USB Dongle板以及一块太阳能面板,不过配件倒是有些其它套件中很少会配有的电阻电容元件,估摸着是用来测试太阳能面板的功率之类的。

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套件中的太阳能面板是连接主板的,用于主板的供电,当然主板另外也配备了5V的miniUSB接口供电,可以通过板载的跳帽切换不同的供电方式,而USB Dongle板则是连接PC端,配合PC端的软件可以与主板进行蓝牙通信,在之前的PSoC 4 BLE开发套件中就有USB Dongle板的相关介绍,有兴趣的可以先去看看。

整个S6SAE101A00SA1002 Solar-Powered IoT Device Kit套件的能量收集方案主要是布局在主板上,其能量收集的核心芯片采用了赛普拉斯的S6SAE101A PMIC,这是一款集能量收集、存储、输出的电源管理芯片,大小只有3mm*3mm,采用SON-10封装,在整个主板的供电系统中扮演着极其重要的角色,参见如下的主板的硬件系统框图。

从上图中我们可以看到,主板所搭载的能量收集芯片S6SAE101A不但支持太阳能的收集,同时也支持电池供电或者压电式能量收集(这和自发电门铃的能量收集方式类似)。

应用于物联网开发板推荐:

赛普拉斯能量采集PMIC S6SAE101A可以说本身的集成度非常强大,集成了输出功率控制电路,输出电容存储电路以及电源开关电路,只要接一个能量收集前端(如太阳能面板、压电式开关等)、输出负载(如低功耗的无线通信方案)就组成了一个完整的能量收集系统(EHS),就以此套开发套件为例,太阳能面板持续或者间接性的接收微弱的能量,通过PMIC S6SAE101A转换能量存储在电容中,然后输出端被连接到系统的负载部分,从而为硬件系统提供操作所需的功率。其系统框图如下所示。

赛普拉斯S6SAE101A特性:

  • 输入功率源选择:太阳能或者电池
  • 输入电压范围:2.0V~5.5V
  • 输出电压可调节,输出电压范围1.1V~5.2V
  • 低耗电流:250nA
  • 最小启动输入功率:1.2uW
  • 过压保护电压:5.4V

另外我们也来看下板卡上的一些其它资源,不得不说,主板的设计的十分紧凑,大小只有45mm*25mm,和我们平时所看到的一些开发板的模块那般大小。板卡采用miniUSB线或者太阳能面板供电,核心通信方案是采用了赛普拉斯自家的CYBLE-022001-00 低功耗蓝牙模块,大致看下来这就是一个物联网的网络节点方案。而这其中的关键是用到了太阳能替换了传统的电池供电,这个设计有效的解决了传感器节点难以更换电池导致寿命有限的缺陷。

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主板的板载资源:

  • 能量收集电源管理IC(S6AE101A)
  • EZ-BLE的PRoC模块(CYBLE-022001-00)
  • USB串口转换器IC(CY7C65213)
  • LDO为USB总线电源(MB39C022G)
  • 温度和湿度传感器(Si7020-A10)
  • 二极管桥的振动能量输入(1SS383)
  • miniUSB连接器
  • 选择电源供给的跳帽
  • MiniProg3 EZ-BLE编程调试接口
  • 能量收集电源管理IC 10pin扩展接口
  • EZ-BLE模块10pin扩展接口
  • USB电源指示灯,状态指示灯
  • EZ-BLE复位按键

值得一提的是主板的背面也预留了纽扣电池以及太阳能面板接口的焊盘,方便工程师直接对主板进行原型开发或者加入现有的项目中去。

应用于物联网开发板推荐:

除了能量收集系统电路外,主板另一个比较重要的电路是赛普拉斯自家的低功耗蓝牙模块EZ-BLE PRoC Module CYBLE-022001-00。从表面来看,给人最深的印象是这个蓝牙模块十分小巧,只有10mm*10mm,差不多仅为目前1毛硬币的1/3,模块基于ARM Cortex-M0处理器,支持1.9V~5.5V宽电压供电。

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EZ-BLE PRoC Module CYBLE-022001-00特性:

  • 32位ARM Cortex-M0微控制器,最高支持48MHz主频
  • 128 KB闪存、16KB SRAM
  • 宽电压供电1.9V~5.5V
  • 支持蓝牙4.1标准,接收灵敏度:-91dBm,发射功率:高达+ 3dBm
  • CapSense触摸控制器
  • 两个串行通信模块,可配置为UART、I2C、SPI,I2S,最高支持23GPIOs
  • 一个12位1 Msps SAR ADC,4个定时器/计数器/PWMs
  • 板载24MHz、32.768KHz晶振、2.4~2.5GHz天线

再来看下此次套件中的另一块开发板USB Dongle,这块板卡主要是配合PC端的软件实现与主板上的蓝牙模块进行配对通信的,在赛普拉斯的其他开发套件中,也时常都有这位“仁兄”的身影,这里就不再重复介绍了,想了解的可以点击CY8CKIT-042-BLE评测文章

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USB Dongle收发器硬件框图如下:

上电开发

基本了解了整个套件的硬件电路以及工作原理后,我们实际上电来看看。套件默认的出厂程序是主板通过太阳能供电传输采集到的信息数据(温湿度)给USB Dongle板,类似物联网中的节点采集数据传输应用。

首先要做的是去赛普拉斯的官网下载一个本次能量收集BLE开发套件的资料软件包安装。

资料包中带有一个PMIC软件程序,可以通过USB Dongle接收来自主板节点的传感器数据。

应用于物联网开发板推荐:

在上电前,先来测测太阳能面板的功率有多大,正常的日光灯下测得的电压大概为5.5V左右。solar-iot-psoc-7

如果用东西遮住太阳能面板后,电压会大幅下降。solar-iot-psoc-8

用套件中提供的电阻(10Ω)测试了下电流,正常日光灯下的电流大概为87.7uA。如果直接用手机摄像头上的闪光灯照射,能达到几百mA,当然,这种情况就比较特殊了,不算是真实环境的体验。

solar-iot-psoc-9

然后太阳能面板的功率MPP(Maximum Power Point)应该计算为80%的最大电压和80%的最大电流乘积,所以用上面再日光灯下测得的数据应该是等于80%*5.49*80%*87.8=308.5uW。

OK,测完之后我们将太阳能面板接上主板,主板与太阳能面板的连接注意引脚的信号定义,标示着SOLAR+的信号连接太阳能面板的正极(红线)。

搭建好整个硬件系统即可工作,需要注意的是主板在使用太阳能面板供电时要切换对应的电源选择跳帽。

S6SAE101A00SA1002-review-19

打开PMIC软件,设置好相应的串口,软件即能显示相应的从主板采集过来的数据,包括温湿度数据、信号强度、距离,下表则为采集的温度数据。

湿度数据。

主板与USB Dongle的距离数据。其实这个数据的测量就是通过RSSI信号指标来判断的,我们平时接触的蓝牙防丢器等智能产品终端的距离判断就是这么来的,是不是很简单。

整个的实验中,我们看到主板完全是通过太阳能面板供电的,依靠赛普拉斯的PMIC S6SAE101A+低功耗蓝牙模块EZ-BLE PRoC Module CYBLE-022001-00可以进行完整蓝牙通信。作为一个评估套件,这已经是一个不可多得的学习开发平台,而且套件的主板也兼容纽扣电池座,如果加上备用的电池供电方式,就与能量收集方案相得益彰,即使基于主板原型开发产品都是非常不错的。

应用于物联网开发板推荐:

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withoneheart ·  2016-02-02
第二十九代丐帮帮主 ·  2016-01-27
brother万 ·  2016-01-27
你获得了特等奖 ·  2016-01-20