物聯網無線傳感器節點設計
發布時間：2018-3-29 10:16
發布者：eechina
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賽普拉斯半導體供稿 無線傳感器節點（WSN）在促進物聯網（IoT）發展方面發揮著關鍵作用。WSN的優點在于，它的功耗極低，尺寸極小，安裝簡便。對很多物聯網的應用而言，譬如安裝在室外的應用，WSN 可使用太陽能供電。當室內有光，系統就由太陽光供電，同時為微小紐扣電池或超級電容器充電，以在沒有光的情況下為系統供電。 在一般情況下，無線傳感器節點是以傳感器為基礎的設備，負責監測溫度、濕度或壓力等環境。節點從任何類型的傳感器收集數據，然后以無線方式傳遞數據到控制單位，譬如計算機或移動設備，并在此處理、評估數據，并采取行動。理想情況下，節點可以由能量收集機制獲得作業電源，成為獨立運作的設備。從一般意義上講，能量收集的過程是捕捉并轉換來自光、振動，或熱等來源的微量能量為電能的過程。 
圖 1：能量收集系統設計示例 圖 1 顯示了能量收集系統的框圖。能量是由能量收集系統 （如太陽能板）收集，并由電源管理集成電路（PMIC）轉換成穩定的能量，再使用低漏、低阻抗的電容器儲存。這些能源能供給傳感器接口負載（譬如微控制器MCU），用來無線傳輸傳感器數據。本圖中，能量收集系統（EHS）是無線傳感器節點。
圖 2：無線傳感器節點系統示例 圖2顯示了無線傳感器節點的框圖。在這里，已處理的傳感器數據會透過低功耗藍牙（BLE）以無線方式傳輸。BLE 是用于短距離、低功耗無線應用的標準，應用于通信狀態或控制信息。BLE 在2.4 GHz ISM 頻帶及二進制頻移鍵控（GFSK）調制下運作，支持1 Mbps 的數據速率。 而電源管理芯片（PMIC）是用來穩定能量收集設備所收集的能量，并需要支持其本身的超低功耗的運行。打個比方，賽普拉斯S6AE103A PMIC 器件的電流消耗低至280 nA，啟動功率為 1.2 uW（見圖3）。因此，在約100 lx的低亮度的環境中，依然可以從緊湊型太陽能面板獲得少量的能量。
圖 3：用于能量收集的S6AE103A PMIC 器件框圖 高效的無線傳感器節點設計 讓我們考慮一下設計無線傳感器節點所涉及的步驟： 第 1 步：選擇硬件： 在硬件方面，你需要適當的傳感器，一個最終能用能量收集設備供電的MCU，以及 PMIC。你可能需要額外的無源組件，視設計而定。 傳感器可以是模擬或數字傳感器�，F今市面上很多傳感器是使用基于集成電路總線（I2C）、串行外設接口（SPI）或異步收發傳輸器（UART）界面為標準的數字傳感器。功耗極低的傳感器在市面上亦有售。為了保持設備低成本和小型化，配有集成BLE的MCU能夠簡化設計，并縮短推出市場的時間。為了進一步加快設計，許多廠商都使用高度集成，完全通過認證的可編程模塊，例如賽普拉斯EZ-BLE Modules。模塊由一個主要MCU、兩個晶體、芯片或板載天線、外殼及無源組件組成。由于這些模塊已經擁有必須的BLE認證，產品可以快速推出市場。
圖 4：BLE模塊示例：太陽能供能的低功耗藍牙傳感器信標CYALKIT-E02 第 2 步：設計固件和估計功耗 選擇了可編程的MCU 后，下一步就是編寫適當的固件。固件需要具備的基本功能是收集傳感器數據的接口，用無線傳送數據的BLE組件或堆棧，和能夠負責固件處理的CPU。 由于超低耗運作是關鍵，電流消耗總和需要由一開始納入考慮�？偰芰肯氖莻鞲衅魉牡哪芰考癕CU 所消耗的能量總和。由于傳感器通常不會消耗太多的總能量，其重點應該放在如何將 MCU 所消耗的能量減至最低。在優化電流之前，要考慮在MCU內在消耗能量的三個主要的組件：CPU、傳感器接口模塊（如 I2C、SPI 等）和 BLE 子系統。這里，當無線電收音機開動（例如 BLE Tx 及 Rx），能量的主要消費者會是BLE電收音機。 嵌入式 MCU 提供各種低功耗模式，以減少電流消耗。固件設計人員需要考慮這些低功耗模式和設計代碼，這樣，平均電流的消耗就能減至最低。例如，傳感數據并不是瞬速變更的，固件需要間中掃瞄傳感數據（例如每隔 5 至 10 秒鐘，時間間隔視乎傳感器而定）。傳感器的已讀數據通過 BLE， 以無線方式傳輸。 就 BLE 固件而言，傳感器可以連同 BLE 廣播包將數據發送。我們建議不要連同廣播包轉送太多其他數據，因為這樣會進一步增加電流。在廣播間隔與傳感器掃描間隔之間，MCU 需進入低功耗模式，譬如是「休眠功能」。低電耗定時器就如看門狗定時器，可以在定時器倒數完畢時，喚醒設備。為了使用低功耗操作，MCU進行了優化，提供一個 BLE 內部定時器，當廣播間隔結束，可喚醒進入了休眠功能的設備。圖 5顯示了操作的固件流程。
圖 5：為高效無線傳感器節點設計而設立的固件流程 只要設計好固件，您可以測量電流。你可以使用原型電路板測量電流。請注意，MCU 的啟動及低耗模式的電流需要獨立量度。只要你知道 MCU 分別以啟動及低耗模式操作的時間，平均的電流消耗是： (Iactivex Tactive) + (ILowPower x TLowPower) Tactive+TLowPower Tactive+TLowPower 有了平均電流的數字，你就可以將它乘以 PMIC 電壓，從而找出平均功率。 第 3 步：優化固件，最大限度地降低平均電流消耗 情況有可能是，初始計算出的設計功率的太高，能量收集 PMIC 無法支持。如果是這樣，你就需要優化固件。這里有幾個有效方法來執行此操作： 執行優化 MCU 的啟動代碼：當 MCU 正在啟動，你不需要使用如24 MHz晶產時鐘的高頻外部時鐘，以操作 BLE。首先，關掉此時鐘，以便節約能源。其次，時鐘晶體可以利用這些時間穩定下來，而其亦是啟動的其中一個部件。這些時鐘漸漸穩定下來，MCU 可以再次調至低耗模式，內部低頻時鐘可以在時鐘預備好的時候喚醒設備。簡言之，啟動代碼的執行時間可以很長，并且固件設計人員需要盡量減少啟動電流消耗。 a. 降低主 CPU 運行頻率 b. 在進入低功率模式前，控制驅動模式，以防止MCU引腳泄漏電流。 c. 關閉調試接口。 這些步驟有助降低平均電流消耗。 第 4 步：設計硬件 有了功耗優化的固件，是時候基于PMIC設計硬件 。圖 6 顯示了一個簡單以能量收集基礎的 PMIC 設計。
圖 6：簡單的能量收集設計 首先，PMIC儲存太陽能到存儲設備 VSTORE1（VST1），此例中為一個 300-μF 的陶瓷電容器。當 VST 1 達到 VOUTH V，能量就可以傳輸到 MCU 。但這個簡單的能量收集設計不能全日運作，原因是沒有備份電容器。讓我們來看看，備份電容器如何加配到 PMIC 設備，和電容器能夠如何支持 MCU。
圖 7：能量收集與備份電容器 運行 WSN 所需的能量首先存儲在 VST 1 ，剩余的能量用于 VST 2 充電 。存儲在 VST 2 的能量可于沒有光線照射的情況下持續提供予 WSN 。此外，還可以連接一個額外的紐扣電池到 PMIC，以增加可靠性，如圖8所示 。
圖 8：多個電源輸入的能量收集 PMIC 轉換兩種能量來源，以便 WSN 可以在所有條件下（即使沒有燈光的情況）運行。轉換自動產生，使能源在有需要時供應給 WSN 。因此，這應該是 WSN 最適當的硬件設計。 第 5 步：設計用戶界面 連接到無線傳感器節點的用戶界面設計可以是從WSN 接收數據的手機應用。由于傳感器的數據可能會在廣播包固定位置出現，BLE 應用可以設計到能夠從這些位置提取相關數據，并將數據顯示到你的手機上。這種技術可用于管理多個 WSN 構成的復雜網絡。 |
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