无源物联网关键技术：微能量采集与低功耗蓝牙Mesh组网方案
自2010年以来，无线物联网研究的核心方向，不仅包括提升通信效率、拓展应用场景，也日益聚焦于降低终端节点的功耗。为此，各大标准组织相继推出了多项低功耗技术与标准。3GPP推出了LTE CAT 1、LTE CAT-M、NB-IoT等标准，并进一步通过RedCap（降低能力终端）来降低5G物联网终端的功耗。LoRa联盟在LoRaWAN协议中定义了Class A/B/C三类终端设备类型，以支持低功耗设备的快速场景部署。此外，Wi-Fi和蓝牙技术联盟也分别推出了各自的低功耗方案，以满足物联网设备间“一对一”、“一对多”及“多对多”的通信需求。
当前，大量无线通信终端节点仍依赖电池或电源线供电。这种供能方式在多种应用场景中逐渐显露出局限性，制约了物联网向更广阔领域的渗透。微能量采集技术的出现，为突破这一瓶颈提供了新的路径。
1. 微能量采集技术
无源物联网的实现主要依托三大核心技术：微能量采集、电源管理及低功耗计算。自然环境中存在多种能量源，如光能、热能、振动能、射频能量等。微能量采集技术的核心，在于捕获这些环境中的微小能量，并将其转换为可用的电能。
2. 电源管理技术
由于采集到的能量通常非常微弱且具有随机性，大多处于微瓦级别，因此高效的电源管理至关重要。该系统不仅负责能量的采集，还需对能量进行存储与管理。采集到的电能可直接为负载供电，也可存入储能单元（如电池或超级电容）以备后续使用。电源管理部分通过稳压电路实现，能够根据系统需求稳定电压，并进行电压转换与分配。
3. 低功耗通信组网
在无线通信方面，ZigBee、Thread、Wi-Fi及BLE Mesh等都是常见的低功耗组网方式。其中，蓝牙技术联盟（SIG）推出的蓝牙Mesh标准支持网络内节点间相互通信。在SIG Mesh网络中，设备通过消息广播与中继实现通信：设备A广播消息，邻近设备B接收后再次广播，使消息在无线覆盖范围内逐跳传递。相比其他物联网组网技术，蓝牙Mesh具备低功耗、低成本的优势，并具有以下特点：
网络具备自愈能力，单一节点故障不影响整体通信，节点可自由加入或脱离，组网灵活且抗干扰性强；
采用对等网络结构，所有节点地位平等，避免了中心节点连接瓶颈；
所有节点均可接入与控制，适用于各类智能设备部署场景；
支持信息加密，保障数据传输安全。
因此，在无源物联网设备中采用低功耗蓝牙Mesh通信，既能满足对多节点的管控需求，也适应微能量采集系统提供的微瓦级供电环境。
4. 系统方案设计与分析
本文采用的微能量采集方案基于米德方格的MF9006芯片。系统通过光伏板采集环境光能，MF900芯片从光伏板输入端获取能量，为储能元件（电池或超级电容）充电，并通过两个LDO稳压器为低功耗蓝牙模组提供稳定电源。
系统启动时，若光伏板输入电压达到400mV冷启动阈值且具备15μW可用功率，MF9006即执行冷启动。启动后，输入端在150mV-5V电压范围内均可从储能元件提取能量。当储能元件电压过低时，LDO稳压器将关闭以保护系统免受过度放电影响。此外，若储能元件耗尽且系统连接有备用主电池，芯片将自动切换至备用电源为储能单元充电，之后恢复使用环境能源，从而确保系统在恶劣条件下持续运行。该方案可实现超过90%的能量转换效率。
5. 功耗与供能可行性评估
对低功耗蓝牙模组的能耗进行估算：每日工作20次，每次持续0.3秒，发射功耗为1.2mA，对应能耗约2μAh；日间16小时处于浅睡眠模式（功耗0.04mA），能耗约640μAh；夜间8小时处于深睡眠模式（功耗0.4μA），能耗约32μAh。据此，模组每日总能耗约为645.2μAh。
在供能方面，假设光伏板在日间500 lux照度下采集16小时，可收集能量约944μAh；在夜间200 lux照度下采集8小时，可收集约248μAh。日总收集能量约为1.192mAh，可满足蓝牙模组每日约645.2μAh的能耗需求，表明该能量供给方案在给定条件下具有可行性。