能量采集原理
建議的示例
PIC12LF1840T48A器件上的RF發送器提供了最高為200 kHz的頻率偏差。這可實現最大為100 Kbps的比特率。如果我們使用由一個16位前導碼、一個16位同步模式和一個32位有效負載組成的小數據包，只需要640 μs即可發送一個完整的數據包。已知能量的度量單位稱為焦耳（J），并且：
1J = 1W * 1s = 1V * 1A * 1s
我們可以使用以下公式輕松計算發送一個數據包所消耗的能量：
E = 10.5 mA * 640 μs à 10.5 mA * 3.0v * 640 μs = 31.5 mW * 640 μs = 20.16 μJ
對于我們的PIC12LF1840T48A設計示例，我們知道晶振起振時間典型值為650 μs，并且晶振起振時消耗的電流約為5 mA。因此起振功耗為：
E1 = 5 mA * 3.0v * 650 μs = 9.75 μJ
我們的示例中使用的實際數據傳輸包含16位前導符（101010....）、16位同步模式和32位數據。如果選擇100 Kbps的比特率，則傳輸周期為640 μs。對于868 MHz FSK調制下的+0 dB RF傳輸，消耗的電流為12 mA。
E2 = 12 mA * 3v * 640 μs = 23.04 μJ
如果我們使用簡單的10 Kbps傳輸，那么所用能量為：
E2 = 7.5 mA * 3v * 6.40 ms = 144 μJ
這種對比只是為了說明使用高數據速率的重要性。
發送最后一個數據位后，PIC12F1840T48A發送器將自動超時并恢復至低功耗關斷狀態。此超時周期的最小值為2 ms。增加的能耗為：
E3 = 12 mA * 3v * 2 ms = 72 μJ
因此，發送一個數據包的總能耗為：
E = E1 + E2 + E3 = 9.75 μJ + 23.04 μJ + 72 μJ =104.79 μJ
不過，電流輸出為4.5 μA/3V的微型太陽能電池需要工作多少秒才能獲得僅夠一次數據發送的能量。例如，使用可產生3V/6 mA（最佳情況為3V/40 μA）的低成本太陽能電池，產生的功率僅為：
3v * 40 μA = 140 μW
現在我們可以計算出采集到足夠進行一次數據發送的能量所需的時間：
T = 104.79 μJ/ 140 μW = 0.74s
這意味著，傳感器單元在連續的兩次數據發送之間必須等待不到一秒的時間。此外，還必須注意，上述計算公式適用于太陽能電池無限擁有持續光源的情況。當然，這在大多數情況下是不可能實現的，因為主要能量來源是白天才有的自然光。在這種情況下，必須對計算進行擴展，以考慮到能量采集系統需要在白天存儲能量供沒有自然光的夜晚使用。此外，本示例中未計算實際傳感器測量所需的能量。
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可能的實現選項
根據實際的系統要求，實現能量采集功能時有多種能量存儲方案可選。其中包括：
- 將能量采集到超級電容中。
- 可充電電池。鎳氫可充電電池可直接通過太陽能電池進行涓流充電。無需任何充電穩壓器。另外，鎳氫可充電電池的成本非常低。
- 直接由能量采集器供電。在主要的能量來源（如光或熱）連續可用并且生成的能量足以為無線傳感器電路供電的情況下，無需將能量存儲到單獨的設備中。當然，此選項的適用性非常有限。
為什么使用能量采集
當開發低功耗無線傳感器節點時，使用能量采集解決方案的主要好處不是節省無線解決方案的單位成本，而是節省無線傳感器系統的部署和維護成本。您曾經有多少次需要在凌晨1點爬梯子更換煙霧探測器的電池？監視和更換無線傳感器網絡電池的維護成本大大高于設備本身的成本，尤其是無線傳感器系統安裝在遠端或難以觸及的區域時。當需要定期維護服務時，無線系統的規模（傳感器數）也會成為一個較大因素。借助能量采集技術，我們可以采集“免費的”能量并存儲該能量以供確實需要時使用，而無需對無線系統的功耗施加明顯的限制即可確保5年以上的電池壽命，這樣客戶便不再需要更換電池。
結論
現在能夠以更具競爭力的價格點設計能量采集無線傳感器節點，尤其是業務上不需要支持某些更復雜的無線網絡標準（例如ZigBee或Wi-Fi?）時。大多數新無線傳感器設計甚至不需要電池，而是可以從不同的主要能量來源（如光、無線電波、機械能和熱能）采集能量。更多類型的能量采集源每天都在開發中（例如基于血糖的采集源）。
在正常情況下，低功耗能量采集無線傳感器幾乎可無限期工作，并且從不需要任何人工干預。這會是一個巨大的優勢，并且可以節省大量維護成本，尤其是傳感器位于難以或者無法觸及的位置時。通過更加細心地選擇通信協議和數據傳輸速率，并更好地利用新型RF器件（如新的PIC12F1840T48A）上的功耗管理功能，我們可以顯著降低總功率需求，從而減少無線傳感器解決方案的成本。
