物聯(lián)網(wǎng)無線傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

　　無線傳感器節(jié)點(diǎn)(WSN)在促進(jìn)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(diǎn)在于，它的功耗極低，尺寸極小，安裝簡便。對(duì)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(dāng)室內(nèi)有光，系統(tǒng)就由太陽光供電，同時(shí)為微小紐扣電池或超級(jí)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(diǎn)是以傳感器為基礎(chǔ)的設(shè)備，負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)溫度、濕度或壓力等環(huán)境。節(jié)點(diǎn)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(jì)算機(jī)或移動(dòng)設(shè)備，并在此處理、評(píng)估數(shù)據(jù)，并采取行動(dòng)。理想情況下，節(jié)點(diǎn)可以由能量收集機(jī)制獲得作業(yè)電源，成為獨(dú)立運(yùn)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(dòng)，或熱等來源的微量能量為電能的過程。

　　圖 1：能量收集系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(PMIC)轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的能量，再使用低漏、低阻抗的電容器儲(chǔ)存。這些能源能供給傳感器接口負(fù)載(譬如微控制器MCU)，用來無線傳輸傳感器數(shù)據(jù)。本圖中，能量收集系統(tǒng)(EHS)是無線傳感器節(jié)點(diǎn)。

　　圖 2：無線傳感器節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)示例

　　圖2顯示了無線傳感器節(jié)點(diǎn)的框圖。在這里，已處理的傳感器數(shù)據(jù)會(huì)透過低功耗藍(lán)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(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用于通信狀態(tài)或控制信息。BLE 在2.4 GHz ISM 頻帶及二進(jìn)制頻移鍵控(GFSK)調(diào)制下運(yùn)作，支持1 Mbps 的數(shù)據(jù)速率。

　　而電源管理芯片(PMIC)是用來穩(wěn)定能量收集設(shè)備所收集的能量，并需要支持其本身的超低功耗的運(yùn)行。打個(gè)比方，賽普拉斯S6AE103A PMIC 器件的電流消耗低至280 nA，啟動(dòng)功率為 1.2 uW(見圖3)。因此，在約100 lx的低亮度的環(huán)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(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

　　讓我們考慮一下設(shè)計(jì)無線傳感器節(jié)點(diǎn)所涉及的步驟：

　　第 1 步：選擇硬件：

　　在硬件方面，你需要適當(dāng)?shù)膫鞲衅?，一個(gè)最終能用能量收集設(shè)備供電的MCU，以及 PMIC。你可能需要額外的無源組件，視設(shè)計(jì)而定。

　　傳感器可以是模擬或數(shù)字傳感器?，F(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(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字傳感器。功耗極低的傳感器在市面上亦有售。為了保持設(shè)備低成本和小型化，配有集成BLE的MCU能夠簡化設(shè)計(jì)，并縮短推出市場的時(shí)間。為了進(jìn)一步加快設(shè)計(jì)，許多廠商都使用高度集成，完全通過認(rèn)證的可編程模塊，例如賽普拉斯EZ-BLE Modules。模塊由一個(gè)主要MCU、兩個(gè)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(jīng)擁有必須的BLE認(rèn)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(lán)牙傳感器信標(biāo)CYALKIT-E02

　　第 2 步：設(shè)計(jì)固件和估計(jì)功耗

　　選擇了可編程的MCU 后，下一步就是編寫適當(dāng)?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(fù)責(zé)固件處理的CPU。

　　由于超低耗運(yùn)作是關(guān)鍵，電流消耗總和需要由一開始納入考慮。總能量消耗是傳感器所消耗的能量及MCU 所消耗的能量總和。由于傳感器通常不會(huì)消耗太多的總能量，其重點(diǎn)應(yīng)該放在如何將 MCU 所消耗的能量減至最低。在優(yōu)化電流之前，要考慮在MCU內(nèi)在消耗能量的三個(gè)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(dāng)無線電收音機(jī)開動(dòng)(例如 BLE Tx 及 Rx)，能量的主要消費(fèi)者會(huì)是BLE電收音機(jī)。

　　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(jì)人員需要考慮這些低功耗模式和設(shè)計(jì)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(shí)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?yàn)檫@樣會(huì)進(jìn)一步增加電流。在廣播間隔與傳感器掃描間隔之間，MCU 需進(jìn)入低功耗模式，譬如是「休眠功能」。低電耗定時(shí)器就如看門狗定時(shí)器，可以在定時(shí)器倒數(shù)完畢時(shí)，喚醒設(shè)備。為了使用低功耗操作，MCU進(jìn)行了優(yōu)化，提供一個(gè) BLE 內(nèi)部定時(shí)器，當(dāng)廣播間隔結(jié)束，可喚醒進(jìn)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(diǎn)設(shè)計(jì)而設(shè)立的固件流程

　　只要設(shè)計(jì)好固件，您可以測(cè)量電流。你可以使用原型電路板測(cè)量電流。請(qǐng)注意，MCU 的啟動(dòng)及低耗模式的電流需要獨(dú)立量度。只要你知道 MCU 分別以啟動(dòng)及低耗模式操作的時(shí)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(shù)字，你就可以將它乘以 PMIC 電壓，從而找出平均功率。

　　第 3 步：優(yōu)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(jì)算出的設(shè)計(jì)功率的太高，能量收集 PMIC 無法支持。如果是這樣，你就需要優(yōu)化固件。這里有幾個(gè)有效方法來執(zhí)行此操作：

　　執(zhí)行優(yōu)化 MCU 的啟動(dòng)代碼：當(dāng) MCU 正在啟動(dòng)，你不需要使用如24 MHz晶產(chǎn)時(shí)鐘的高頻外部時(shí)鐘，以操作 BLE。首先，關(guān)掉此時(shí)鐘，以便節(jié)約能源。其次，時(shí)鐘晶體可以利用這些時(shí)間穩(wěn)定下來，而其亦是啟動(dòng)的其中一個(gè)部件。這些時(shí)鐘漸漸穩(wěn)定下來，MCU 可以再次調(diào)至低耗模式，內(nèi)部低頻時(shí)鐘可以在時(shí)鐘預(yù)備好的時(shí)候喚醒設(shè)備。簡言之，啟動(dòng)代碼的執(zhí)行時(shí)間可以很長，并且固件設(shè)計(jì)人員需要盡量減少啟動(dòng)電流消耗。

　　a. 降低主 CPU 運(yùn)行頻率

　　b. 在進(jìn)入低功率模式前，控制驅(qū)動(dòng)模式，以防止MCU引腳泄漏電流。

　　c. 關(guān)閉調(diào)試接口。

　　這些步驟有助降低平均電流消耗。

　　第 4 步：設(shè)計(jì)硬件

　　有了功耗優(yōu)化的固件，是時(shí)候基于PMIC設(shè)計(jì)硬件 。圖 6 顯示了一個(gè)簡單以能量收集基礎(chǔ)的 PMIC 設(shè)計(jì)。

　　圖 6：簡單的能量收集設(shè)計(jì)

　　首先，PMIC儲(chǔ)存太陽能到存儲(chǔ)設(shè)備 VSTORE1(VST1)，此例中為一個(gè) 300-μF 的陶瓷電容器。當(dāng) VST 1 達(dá)到 VOUTH V，能量就可以傳輸?shù)?nbsp;MCU 。但這個(gè)簡單的能量收集設(shè)計(jì)不能全日運(yùn)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(shè)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(yùn)行 WSN 所需的能量首先存儲(chǔ)在 VST 1 ，剩余的能量用于 VST 2 充電 。存儲(chǔ)在 VST 2 的能量可于沒有光線照射的情況下持續(xù)提供予 WSN 。此外，還可以連接一個(gè)額外的紐扣電池到 PMIC，以增加可靠性，如圖8所示 。

　　圖 8：多個(gè)電源輸入的能量收集

　　PMIC 轉(zhuǎn)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(yùn)行。轉(zhuǎn)換自動(dòng)產(chǎn)生，使能源在有需要時(shí)供應(yīng)給 WSN 。因此，這應(yīng)該是 WSN 最適當(dāng)?shù)挠布O(shè)計(jì)。

　　第 5 步：設(shè)計(jì)用戶界面

　　連接到無線傳感器節(jié)點(diǎn)的用戶界面設(shè)計(jì)可以是從WSN 接收數(shù)據(jù)的手機(jī)應(yīng)用。由于傳感器的數(shù)據(jù)可能會(huì)在廣播包固定位置出現(xiàn)，BLE 應(yīng)用可以設(shè)計(jì)到能夠從這些位置提取相關(guān)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)顯示到你的手機(jī)上。這種技術(shù)可用于管理多個(gè) WSN 構(gòu)成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。