低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)過程探討

　　系統(tǒng)級喚醒事件的另一個絕佳示例，可采用通過串行接口連接到處理器的外部RF芯片進行演示。不使用處理器時，可將其置于某個低功耗狀態(tài)下，僅保持 RF芯片運行。由于新一代 RF芯片的邏輯僅負(fù)責(zé)查找進入的RF數(shù)據(jù)包，因此在工作狀態(tài)下消耗的電流很小。一旦接收到與所分配給該單元的地址相關(guān)的有效數(shù)據(jù)包，就將喚醒單片機開始處理信息。此類功耗模式機制較常用于基于射頻網(wǎng)絡(luò)的解決方案中，諸如那些基于ZigBee .無線協(xié)議的解決方案。

　　時鐘頻率

　　單片機從外部或內(nèi)部時鐘源獲取系統(tǒng)時鐘頻率。單片機采用該時鐘頻率并將其分頻以得到應(yīng)用程序軟件所需的工作時鐘頻率。較低的頻率通常等同于較低的功耗。有時，單片機還可以采用鎖相環(huán)（Phase Locked Loop,PLL）將外部時鐘頻率倍頻。外部時鐘信號通常來自晶振或稱為晶體振蕩器。

　　當(dāng)器件進入低功耗模式時，單片機還可以禁止輸入晶體放大器電路，這樣也許可節(jié)省幾毫安的電流，但會以恢復(fù)正常工作狀態(tài)時延長振蕩器的導(dǎo)通時間（由于外部晶振的起振延時）為代價。然而，有些單片機具有采用雙速啟動模式的能力，在這種模式下，單片機將使用內(nèi)部振蕩器立即開始運行，并在更精確的外部時鐘源有足夠時間穩(wěn)定后，自動切換至外部時鐘源。

　　單片機控制自身時鐘頻率的能力允許軟件工程師在保證總電流消耗最少的情況下，選擇適合于特定任務(wù)的時鐘速度。因此，工程師需要評估能量公式中的時間×電流元素，以確定哪種方案比較好：在較短時間段內(nèi)全速運行，在較長時間段內(nèi)較慢運行，或者選個中間速度。

　　實時時鐘

　　在本文所述的遠(yuǎn)程無線傳感器應(yīng)用示例中，系統(tǒng)需要保持精確的時間觀念。除了系統(tǒng)時鐘外，還可采用實時時鐘和日歷（RTCC）外設(shè)輕松實現(xiàn)這一點。RTCC的主要功能是跟蹤日期和時間。在本文的情形中，RTCC對于控制功耗模式非常有用。RTCC還有助于單片機安排精確的喚醒事件、觸發(fā)采樣測量或發(fā)起與中央控制臺的 RF同步。

　　在系統(tǒng)中實現(xiàn)RTCC有多種方法?？蓪Ｓ?RTCC芯片連接至單片機；采用集成 32 kHz晶振及基本計時軟件；以及使用單片機內(nèi)的專用 RTCC外設(shè)。對系統(tǒng)成本的限制通常第一時間就排除了第一種選擇。對后兩種的選擇通常由單片機應(yīng)用的其他需求以及一定程度的成本限制決定。本次討論將采用第二種方法，即 32 kHz振蕩器與一些非?；镜能浖?。

　　外部 32 kHz晶振驅(qū)動電路與 16位定時器配合使用，來每秒喚醒一次處理器。每秒喚醒一次處理器來更新 RTCC定時器，也可能測量當(dāng)前溫度。然后處理器返回到相應(yīng)的低功耗模式。此方法提供了一種導(dǎo)通占空比非常小的機制，器件運行的大多數(shù)時間僅消耗 600 nA的電流。

　　構(gòu)建RF無線傳感節(jié)點

　　高集成度的單芯片通用 ISM帶寬 FSK收發(fā)器解決方案與低功耗單片機配合工作，簡化了無線傳感應(yīng)用的實現(xiàn)。在本例中，單片機采用 SPI接口作為與射頻設(shè)備連接的串行通信端口。還要使用單片機來初始化收發(fā)器設(shè)備的射頻配置設(shè)置。配置完成后，收發(fā)器設(shè)備將通過來自單片機的非?；镜拇忻钔瓿纱蠖鄶?shù) RF數(shù)據(jù)發(fā)送和接收操作。簡單地組合這兩種技術(shù)，即可構(gòu)建一種基本網(wǎng)絡(luò)，遠(yuǎn)程監(jiān)視各種數(shù)字或模擬無線傳感器節(jié)點，如本文中的遠(yuǎn)程溫度傳感器。

　　考慮無線系統(tǒng)的總功耗預(yù)算，我們最關(guān)注的數(shù)據(jù)手冊參數(shù)為射頻系統(tǒng)的發(fā)送功耗、接收功耗、待機功耗以及啟動時間。了解了這些參數(shù)后，我們將能確定系統(tǒng)通過無線 RF通道發(fā)送和接收數(shù)據(jù)所消耗的電流。開發(fā) RF解決方案時還需注意的關(guān)鍵因素還有發(fā)送的數(shù)據(jù)長度和安全性。以下部分將簡要說明這兩個因素。

　　RF發(fā)送時間

　　常常被忽視的一個重要參數(shù)是需要發(fā)送的RF數(shù)據(jù)包的長度。事實上，RF發(fā)送時間對無線解決方案的性能、質(zhì)量和功耗影響很大。較短的數(shù)據(jù)包有助于減少對電源的能源需求，甚至可以縮小電池體積。在定義新的低功耗RF協(xié)議時，必須牢記這一點。

　　我們已針對無線溫度傳感器設(shè)計，評估了當(dāng)今可用的各種 RF通信協(xié)議。諸如 ZigBee、ZigBee Pro、Microchip的 MiWi.和 MiWi P2P（點對點）協(xié)議均已一一評估。由于本應(yīng)用的低功耗需求，我們決定采用非?；镜臅r分多址（Time Divisional Multi Access,TDMA）時間片協(xié)議機制。

　　通過在RF數(shù)據(jù)幀中分配預(yù)定義時隙并使用第一個時隙作為中央單片機發(fā)送的幀起始標(biāo)記，即可方便地確保整個傳感器監(jiān)視系統(tǒng)的精確時序，同時降低功耗。采用這種基本時間片機制，單片機和RF收發(fā)器可在生命周期的大多數(shù)時間內(nèi)處于低功耗待機模式。

　　安全性

　　意識到無線網(wǎng)絡(luò)所涉及的安全性問題，大多數(shù)RF系統(tǒng)均采用了強大的算法來保護其數(shù)據(jù)。具有128位密鑰的高級加密標(biāo)準(zhǔn)（Advanced Encryption Standard,AES）確保了數(shù)據(jù)完整性以及系統(tǒng)抵抗黑客的能力，這兩者對于商業(yè)應(yīng)用至關(guān)重要?？赏ㄟ^軟件實現(xiàn) AES安全性。對于需要使工作時間最短的無線傳感器節(jié)點，能夠盡快執(zhí)行 AES計算非常重要，因為節(jié)點工作時的功耗最大。單片機可按需動態(tài)更改處理功耗以幫助實現(xiàn)上述目標(biāo)。別說是電池供電設(shè)備就是采用有線電源的系統(tǒng)，要使 AES計算盡可能快也同樣是不爭的事實。功耗對所有系統(tǒng)（有線或無線）的溫度、體積及成本均有影響。

　　系統(tǒng)成本

　　眾所周知，系統(tǒng)的總成本在設(shè)計任何系統(tǒng)（如無線溫度傳感器）的過程中始終起著非常重要的作用。確定無線單片機成本的關(guān)鍵因素是所需程序和數(shù)據(jù)儲存區(qū)的數(shù)量。傳感器網(wǎng)絡(luò)和相關(guān)產(chǎn)品的開發(fā)人員希望采用存儲空間最佳的一系列單片機來滿足應(yīng)用程序的需求。開發(fā)基于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層（如ZigBee）的較大應(yīng)用程序時，需要較大的存儲空間--在有些情況下，大于250 KB.若要實現(xiàn)較為簡單的傳輸協(xié)議，尤其是在對成本極度敏感的設(shè)計中，可使用單片機的許多功耗控制功能來最大程度降低成本和功耗。

　　硬件/軟件

　　本文中的設(shè)計示例組合使用了一片高集成度通用 ISM帶寬 FSK收發(fā)器芯片和一片超低功耗單片機。超低功耗 PIC16LF1827單片機用在傳感器單元中，用于每秒測量一次模擬溫度傳感器，將結(jié)果存入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，運行復(fù)雜的噪聲濾波算法，然后采用 RF收發(fā)器發(fā)送結(jié)果數(shù)據(jù)。出于安全性考慮，此信息采用 AES算法保護并在已分配的預(yù)定時隙內(nèi)發(fā)送。此外，單片機在上電后初始化 RF收發(fā)器射頻配置設(shè)置，并按需控制射頻設(shè)備的功耗模式。

　　結(jié)論

　　本文探討了輕松實現(xiàn)非?；镜牡凸臒o線傳感器網(wǎng)絡(luò)的過程。更好地理解超低功耗單片機的各種功耗管理功能，有助于系統(tǒng)工程師開發(fā)綠色無線解決方案。只需選擇合適的超低功耗單片機和 RF射頻產(chǎn)品，理清所有系統(tǒng)級任務(wù)的需求，然后使用單片機的功耗管理設(shè)置，即可使系統(tǒng)處于低功耗休眠狀態(tài)，這樣就構(gòu)成了低成本的超低功耗解決方案，從而完成任務(wù)。