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物聯(lián)網(wǎng)無線傳感器節(jié)點設計

2018-04-08 14:39:26 sohu 電子工程世界  點擊量: 評論 (0)
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...

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(nèi)有光,系統(tǒng)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(tǒng)供電。

在一般情況下,無線傳感器節(jié)點是以傳感器為基礎的設備,負責監(jiān)測溫度、濕度或壓力等環(huán)境。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,或熱等來源的微量能量為電能的過程。

圖 1:能量收集系統(tǒng)設計示例

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(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),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。

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、低功耗無線應用的標準,應用于通信狀態(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,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(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)點設計

讓我們考慮一下設計無線傳感器節(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(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。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(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(yōu)化電流之前,要考慮在MCU內(nèi)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(tǒng)。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(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:

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(yōu)化固件。這里有幾個有效方法來執(zhí)行此操作:

執(zhí)行優(yōu)化 MCU 的啟動代碼:當 MCU 正在啟動,你不需要使用如24 MHz晶產(chǎn)時鐘的高頻外部時鐘,以操作 BLE。首先,關掉此時鐘,以便節(jié)約能源。其次,時鐘晶體可以利用這些時間穩(wěn)定下來,而其亦是啟動的其中一個部件。這些時鐘漸漸穩(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(zhí)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(qū)動模式,以防止MCU引腳泄漏電流。

c. 關閉調(diào)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(yōu)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?shù)?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(xù)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(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)運行。轉(zhuǎn)換自動產(chǎn)生,使能源在有需要時供應給 WSN 。因此,這應該是 WSN 最適當?shù)挠布O計。

第 5 步:設計用戶界面

連接到無線傳感器節(jié)點的用戶界面設計可以是從WSN 接收數(shù)據(jù)的手機應用。由于傳感器的數(shù)據(jù)可能會在廣播包固定位置出現(xiàn),BLE 應用可以設計到能夠從這些位置提取相關數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)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(wǎng)絡。

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責任編輯:售電衡衡

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