物聯(lián)網(wǎng)無線傳感器節(jié)點設(shè)計說明

無線傳感器節(jié)點（ WSN ）在促進物聯(lián)網(wǎng)（ IoT ）發(fā)展方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。WSN的優(yōu)點在于，它的功耗極低，尺寸極小，安裝簡便。對很多物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用而言，譬如安裝在室外的應(yīng)用，WSN可使用太陽能供電。當室內(nèi)有光，系統(tǒng)就由太陽光供電，同時為細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(tǒng)供電。

在一般情況下，無線傳感器節(jié)點是傳感器為基礎(chǔ)的設(shè)備，負責(zé)監(jiān)察溫度、濕度或壓力等條件。節(jié)點從任何類型的傳感器收集數(shù)據(jù)，然后以無線方式傳遞數(shù)據(jù)到控制單位，譬如計算機或移動設(shè)備，并在此處理、評估數(shù)據(jù)，并采取行動。理想情況下，節(jié)點可以由能量收集機制獲得作業(yè)電源，成為獨立運作的設(shè)備。從一般意義上講，能量收集的過程是捕捉并轉(zhuǎn)換來自光、振動，或熱等來源的極少量能量為電能的過程。

圖 1：能量收集系統(tǒng)設(shè)計示例

圖 1 顯示了能量收集系統(tǒng)的框圖。能量是由能量收集系統(tǒng) （如太陽能板）收集，并由電源管理集成電路 （IC） （PMIC） 轉(zhuǎn)換成穩(wěn)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），而MCU是用無線方式來傳送數(shù)據(jù)的傳感器。本圖中，能量收集傳感器（ EHS ）是無線傳感器節(jié)點。

圖 2：無線傳感器節(jié)點系統(tǒng)示例

圖2顯示了無線傳感器節(jié)點的框圖。在這里，已處理的傳感器數(shù)據(jù)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(yīng)用的標準，以交流狀態(tài)或控制信息。BLE 在2。4 GHz ISM 頻帶及二進制頻移鍵控（GFSK）調(diào)制下運作，此支持1 Mbps 的數(shù)據(jù)速率。

而電源管理 IC是用來穩(wěn)定能量收集設(shè)備所要求的功秏，以支持其超低功耗的運作。 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。2uW（見圖3）。因此，在約100勒克斯（lx） 的低亮度的環(huán)境中，緊湊型太陽能電池依然可以獲得少量的能量。

圖 3：用于能量收集的S6AE103A PMIC 器件框圖

高效的無線傳感器節(jié)點設(shè)計

讓我們考慮一下設(shè)計無線傳感器節(jié)點所涉及的步驟：

第 1 步：選擇硬件：

在硬件方面，你需要適當?shù)膫鞲衅?，一臺最終能用能量收集設(shè)備供電的MCU及 PMIC。你可能需要額外的無源組件，此視乎設(shè)計而定。

傳感器可以是仿真或數(shù)字形式。現(xiàn)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(shè)接口 （SPI）或異步收發(fā)傳輸器（UART）界面為標準的數(shù)字傳感器。電耗極低的傳感器在市面上亦有售。為了保持設(shè)備成本維持低水平，外形小巧，配有綜合BLE的MCU能夠簡化設(shè)計，并縮短推出市場的時間。為了進一步加快設(shè)計，許多廠商都使用完全綜合，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、兩塊結(jié)晶、芯片或跟蹤天線、擴展板及無源組件組成。由于這些模塊已經(jīng)擁有必須的BLE認證，產(chǎn)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(shè)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?shù)墓碳?。固件需要具備的基本功能是收集傳感器?shù)據(jù)的接口，用無線傳送數(shù)據(jù)的BLE組件或堆棧，和能夠負責(zé)固件處理的CPU。

由于超低耗運作是關(guān)鍵，電流消耗總和需要由一開始納入考慮。總計電流消耗是傳感器所消耗的電流及MCU 所消耗的電流總和。由于傳感器通常不會消耗太多的總電流，其重點應(yīng)該放在如何將MCU所消耗的電流減至最低。在優(yōu)化電流之前，要考慮在MCU內(nèi)在消耗電流的三個主要的組件：CPU、傳感器接口模塊（如 I2C 、SPI 等）和BLE子系統(tǒng)。這里，當無線電收音機開動（例如BLE Tx及Rx），電流的主要消費者會是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(shè)計人員需要考慮這些低功耗模式和設(shè)計代碼，這樣，平均電流的消耗就能減至最低。例如，傳感數(shù)據(jù)并不是瞬速變更的，固件需要間中掃瞄傳感數(shù)據(jù)（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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)發(fā)送。我們建議不要連同廣播包轉(zhuǎn)送太多其他數(shù)據(jù)，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(shù)完畢時，喚醒設(shè)備。 為了使用低功耗操作，MCU進行了優(yōu)化，提供一個 BLE 內(nèi)部定時器，當廣播間隔結(jié)束，可喚醒進入了休眠功能的設(shè)備。圖 5顯示了操作的固件流程。

圖 5：為高效無線傳感器節(jié)點設(shè)計而設(shè)立的固件流程

只要設(shè)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：

有了平均電流的數(shù)字，你就可以將它乘以PMIC電壓，從而找出平均功率。