低功耗物聯(lián)網(wǎng)無線連接技術(shù)方案

　　物聯(lián)網(wǎng)有望為我們管理家庭和辦公室以及與他們互動的方式帶來重大變化。預(yù)計它還將改變企業(yè)提供服務(wù)的方式，特別是在商業(yè)和工業(yè)部門，以前資本密集型設(shè)備可以作為出租服務(wù)提供給客戶。雖然這個概念很容易理解，但對考慮這一點的組織的影響將在很大程度上取決于對許多不同數(shù)據(jù)元素的持續(xù)和可靠的數(shù)據(jù)收集。對于大量無線連接的基于微控制器的傳感器來說，這將是一項工作，許多電池供電并長時間留在原地。提供此類傳感器數(shù)據(jù)將要求設(shè)計使用超低功耗無線收發(fā)器微控制器，這些微控制器不僅具有極低的待機(jī)電流，而且還采用節(jié)能技術(shù)來延長單個紐扣電池的使用壽命。此類技術(shù)可以在硬件或軟件或兩者的混合中實現(xiàn)，但顯然在準(zhǔn)備選擇單個設(shè)備之前，設(shè)計人員需要考慮許多其他更廣泛的因素。

　　選擇的無線協(xié)議是關(guān)鍵因素之一。這將主要由一次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量決定。雖然 Wi-Fi 是移動大量數(shù)據(jù)的自然選擇，但它耗電量大，對于典型的傳感應(yīng)用，它將取決于藍(lán)牙智能和 ZigBee 等方法以及其他 802.15.4 sub-GHz 技術(shù)，這些技術(shù)將成為首選。在選擇器件時，工程師還應(yīng)了解構(gòu)成器件整體功耗曲線的各個方面。計算性能和功率分布之間存在平衡。您可能會使用功能更強(qiáng)大的設(shè)備來提供更多計算資源，即使它可能會消耗更多功率，只是為了更快地完成計算和傳輸任務(wù)。還，

　　圖 1：超低傳感器控制器獨立于設(shè)備的其余部分運(yùn)行。

　　德州儀器 （TI） 的SimpleLink CC26xx 器件系列就是提供這種廣泛的通信方法選擇的器件系列之一。TI CC2650結(jié)合了符合 2.4 GHz 藍(lán)牙低功耗 （BLE） v 4.1 標(biāo)準(zhǔn)的無線收發(fā)器、ARM Cortex-M3 32 位處理器和超低功耗 16 位傳感器控制器器件在 RTC 運(yùn)行和 RAM 保持時提供低至 1 μA 的待機(jī)功耗，在關(guān)斷模式下可低至 100 nA，可通過外部事件的觸發(fā)將其喚醒。CoreMark 基準(zhǔn)分?jǐn)?shù)為 141.85，CoreMark/MHz 為 2.955（CC2650-7ID 器件在 3.0 V 和 48 MHz 下運(yùn)行），MCU 在活動模式下消耗 61 μA/MHz，而活動模式發(fā)射器電流在 +5 dBm 時為 9.1 mA輸出。16 位傳感器控制器負(fù)責(zé)使無線電收發(fā)器盡可能長時間地處于睡眠狀態(tài)。通過與模擬比較器或 ADC 等外部傳感器相結(jié)合，傳感器控制器（圖 1）設(shè)計為完全自主運(yùn)行，允許無線電和 32 位 MCU 保持在極節(jié)能的待機(jī)模式，直到需要它發(fā)送數(shù)據(jù)。這種方法每秒能夠執(zhí)行多達(dá) 10 次 ADC 讀取，平均消耗小于 3 μA，例如，可以在心率傳感器應(yīng)用中使用。為此，您每秒最多可以執(zhí)行十次測量，然后同時發(fā)送所有十次測量。這種實現(xiàn)節(jié)能的硬件方法意味著不必為每次測量喚醒無線電和 MCU，相當(dāng)于節(jié)省了 10 倍的功耗（圖 2）。

　　圖 2：在傳輸數(shù)據(jù)之前讀取傳感器 10 次。

　　另一種節(jié)省電力的方法是在電源中增加某種程度的能量收集。Silicon Labs的 Si1010 系列超低功耗 sub-GHz 無線微控制器采用了這種方法。Si1012 _例如，使用高速 25 MIPS 8051 MCU 與 EZRadioPro 收發(fā)器相結(jié)合，可在 0.9 至 3.6 V 范圍內(nèi)工作，在深度睡眠模式下消耗低至 0.1 μA。在保留 RTC 和無線電狀態(tài)的情況下，它需要大約 1 μA。從深度睡眠中醒來的時間在 2 μs 內(nèi)。它配備一個 ADC、三個 GPIO 引腳和四個 GP 計數(shù)器/定時器，是物聯(lián)網(wǎng)傳感器應(yīng)用的理想設(shè)備。能夠從能量收集源供電，預(yù)計物聯(lián)網(wǎng)傳感器可以設(shè)計為具有 15 年的預(yù)期壽命，而無需更換薄膜電池。為了使用這種方法加快設(shè)計速度，Silicon Labs 提供了能量收集參考板用于在實踐中完全原型化和演示超低功耗傳感器設(shè)計（圖 3）。除 Si1012 器件外，該板還配備了印刷天線、電源管理 IC 和太陽能電池板。

　　圖 3：Silicon Labs 能量收集傳感器評估板。

　　當(dāng) Si1012 不傳輸數(shù)據(jù)時，它可以保持在相當(dāng)于大約 50 nA 的極低功耗狀態(tài)。只需 50 勒克斯的光來補(bǔ)償太陽能電池板的泄漏電流并開始為薄膜電池充電。僅薄膜電池就提供了足夠的能量來為無線收發(fā)器和傳感器供電大約 7 天。室內(nèi)光通常提供高達(dá) 200 勒克斯，而室外條件將提供高達(dá) 10，000 勒克斯，足以保持電池充電和供電。圖 4 說明了每秒傳輸數(shù)據(jù)的示例 IoT 傳感器應(yīng)用程序與能耗的可能占空比。

　　圖 4：Si1012 能耗曲線。

　　管理傳感器的節(jié)能無線通信也可以是微調(diào)軟件的工作。這種方法需要隨時詳細(xì)了解 MCU 和無線收發(fā)器中正在進(jìn)行的過程。還應(yīng)注意，在某些情況下，開發(fā)人員還應(yīng)檢查是否應(yīng)充分利用任何編譯器優(yōu)化選項，例如“優(yōu)化時間”。代碼序列執(zhí)行得越快，設(shè)備保持睡眠模式的時間就越長。IDE 工具鏈越來越多地提供在調(diào)試期間監(jiān)控能耗的功能，進(jìn)一步幫助設(shè)計具有盡可能小的能耗配置文件。愛特梅爾ATmega256RFR2ZigBee/802.15.4 無線收發(fā)器系列就是一個例子，其中一組已發(fā)布的軟件技術(shù)可用于將功耗自適應(yīng)地降低到正常規(guī)定限值以下。該器件將 Atmel 8 位 AVR MCU 內(nèi)核與專為 ZigBee/802.15.4 使用定制的低功耗 2.4 GHz 收發(fā)器相結(jié)合，采用 1.8 至 3.6 V DC電源供電，深度睡眠功耗低于 700 nA。MCU 和收發(fā)器的最大發(fā)送電流為 18.6 mA。圖 5 說明了可用模式的不同總功耗。

　　圖 5：Atmel ATmega2564RFR2 無線 MCU 電源/睡眠模式配置文件。

　　Atmel 的智能降低功耗技術(shù)應(yīng)用筆記記錄了一組降低功耗 （RPC） 軟件技術(shù)，它們是獨立的、自我校準(zhǔn)的自適應(yīng)功耗降低方案。其中一種方案是PLL節(jié)能模式。該模式通過在校準(zhǔn) PLL 后立即自動切換到省電模式來幫助降低功耗。這種方法在應(yīng)用筆記中有更深入的介紹，可以將器件消耗從 5.2 mA 降低到 450 μA。另一種技術(shù)是智能接收技術(shù) （SRT），其中收發(fā)器可以在偵聽傳入數(shù)據(jù)幀時定期啟用和禁用。根據(jù)環(huán)境條件、數(shù)據(jù)流量和信道噪聲，SRT 模式可節(jié)省高達(dá) 50% 的電流消耗，

　　物聯(lián)網(wǎng)的好處將依賴于無數(shù)電池供電的無線傳感器，這些傳感器通常部署在偏遠(yuǎn)地區(qū)或大型工廠內(nèi)難以進(jìn)入的位置。當(dāng)您考慮定期訪問該地點的時間時，更換便宜的紐扣電池的成本要高得多，更不用說在此期間它可能對物聯(lián)網(wǎng)分析和控制系統(tǒng)造成破壞。

　　實施節(jié)能技術(shù)（無論是硬件、軟件還是兩者兼而有之）所花費(fèi)的時間將延長電池更換之間的使用壽命，并使制造商的傳感器成為市場上最具成本效益的傳感器。