如何高效的實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的無線連接

物聯(lián)網(wǎng)承諾為我們管理家庭和辦公室并與之互動的方式帶來重大變化。此外，預(yù)計還將改變企業(yè)提供服務(wù)的方式，特別是在商業(yè)和工業(yè)部門，以前可以將資本密集型設(shè)備作為服務(wù)提供給客戶。雖然這個概念很容易理解，但考慮到這一點的組織的影響將在很大程度上取決于許多不同數(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，許多電池操作并長時間保留在原位。提供這樣的傳感器數(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，其不僅具有極低功率的待機(jī)電流，而且還采用節(jié)能技術(shù)來延長單個紐扣電池的工作壽命。這些技術(shù)可以用硬件或軟件或兩者的混合來實現(xiàn)，但很明顯，在準(zhǔn)備選擇單個設(shè)備之前，設(shè)計師還需要考慮許多其他更廣泛的因素。

其中一個關(guān)鍵因素將是所選的無線協(xié)議。這主要是由一次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量決定的。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)用而言，它將采用藍(lán)牙智能和ZigBee等方法以及其他802.15.4 sub-GHz技術(shù)。首選。在選擇器件時，工程師還應(yīng)了解構(gòu)成器件總體功耗曲線的各個方面。計算性能和功率配置文件之間存在平衡。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，以便更快地完成計算和傳輸任務(wù)。此外，不要忘記一些通信堆棧要求無線電設(shè)備在給定數(shù)據(jù)包的運行時間更長，因此不僅僅是組合無線MCU的耗電量。

圖1：超低傳感器控制器獨立于器件的其余部分運行。

德州儀器的SimpleLink CC26xx器件系列提供了多種通信方法選擇。 TI CC2650器件結(jié)合了2.4 GHz藍(lán)牙低功耗(BLE)v 4.1兼容無線收發(fā)器，ARM Cortex-M3 32位處理器和超低功耗16位傳感器控制器，可提供低至2的待機(jī)功耗RTC運行和RAM保持時為1μA，在關(guān)斷模式下低至100 nA，可通過外部事件觸發(fā)喚醒。 CoreMark基準(zhǔn)評分為141.85，CoreMark/MHz為2.955(CC2650-7ID設(shè)備運行在3.0 V和48 MHz)，MCU在工作模式下消耗61μA/MHz，而有源模式發(fā)送器電流為9.1 mA，+ 5 dBm輸出。 16位傳感器控制器負(fù)責(zé)盡可能長時間地使無線電收發(fā)器保持睡眠狀態(tài)。通過與模擬比較器或ADC等外部傳感器相結(jié)合，圖1中的傳感器控制器設(shè)計為完全自主運行，允許無線電和32位MCU保持極其高效的待機(jī)模式，直到需要它為止發(fā)送數(shù)據(jù)。能夠每秒執(zhí)行多達(dá)10次ADC讀取，平均功耗小于3μA，這種方法可用于例如心率傳感器應(yīng)用。為此，您可以每秒執(zhí)行多達(dá)十次測量，然后同時發(fā)送所有十個測量值。這種實現(xiàn)節(jié)能的硬件方法意味著無需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。

節(jié)省電力的另一種方法是在電源中增加一定程度的能量收集。 Silicon Labs采用這種方法，采用Si1010系列超低功耗sub-GHz無線微控制器。例如，Si1012采用高速25 MIPS 8051 MCU和EZRadioPro收發(fā)器，可在0.9至3.6 V范圍內(nèi)工作，在深度睡眠模式下功耗低至0.1μA。保留RTC和無線電狀態(tài)需要大約1μA。深度睡眠喚醒時間在2μs以內(nèi)。它配備了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)用的理想器件。能夠從能量收集源供電，期望物聯(lián)網(wǎng)傳感器可以設(shè)計具有15年的預(yù)期壽命，而無需更換薄膜電池。為了加快使用這種方法的設(shè)計，Silicon Labs提供了一個能量收集參考板，用于在實踐中完全原型化并演示超低功耗傳感器設(shè)計(圖3)。除了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。[!--empirenews.page--]

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)。只需要50勒克斯的光來補(bǔ)償太陽能電池板漏電流并開始為薄膜電池充電。僅薄膜電池就能為無線收發(fā)器和傳感器提供足夠的能量大約七天。室內(nèi)燈通常提供高達(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提供電力。圖4顯示了每秒傳輸數(shù)據(jù)的示例IoT傳感器應(yīng)用的可能占空比與能耗。

圖4：能耗曲線Si1012。/p>

管理傳感器的節(jié)能無線通信也可以成為精細(xì)調(diào)整軟件的工作。這種方法需要隨時詳細(xì)了解MCU和無線收發(fā)器內(nèi)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”。可以更快地執(zhí)行一系列代碼，設(shè)備可以保持在睡眠模式的時間越長。 IDE工具鏈越來越多地提供在調(diào)試期間監(jiān)視能耗的功能，進(jìn)一步幫助設(shè)計盡可能地降低能耗。 Atmel ATmega256RFR2系列ZigBee/802.15.4無線收發(fā)器就是一個例子，其中提供了一套已發(fā)布的軟件技術(shù)，旨在自適應(yīng)地降低功耗低于正常規(guī)定的限值。該器件采用Atmel 8位AVR MCU內(nèi)核和專為ZigBee/802.15.4設(shè)計的低功耗2.4 GHz收發(fā)器，采用1.8至3.6 VDC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顯示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智能降低功耗技術(shù)應(yīng)用筆記記錄了一組降低的功耗消耗(RPC)軟件技術(shù)是獨立的，自校準(zhǔn)的自適應(yīng)功率降低方案。其中一種方案是PLL節(jié)能模式。此模式有助于在PLL校準(zhǔn)后立即自動切換到省電模式，從而降低功耗。在應(yīng)用筆記中更深入地記錄了這種方法，可以將器件功耗從5.2 mA降低到450μA。另一種技術(shù)是智能接收技術(shù)(SRT)，其中可以在監(jiān)聽輸入數(shù)據(jù)幀的同時周期性地啟用和禁用收發(fā)器。根據(jù)環(huán)境條件，數(shù)據(jù)流量和信道噪聲，SRT模式可以節(jié)省高達(dá)50%的電流消耗，但這會導(dǎo)致少量的靈敏度損失。

物聯(lián)網(wǎng)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)或難以進(jìn)入大型工廠內(nèi)的位置。當(dāng)您考慮定期訪問該位置時，更換廉價紐扣電池的成本會大大增加，更不用說在此期間可能對物聯(lián)網(wǎng)分析和控制系統(tǒng)造成的干擾。

實施節(jié)能技術(shù)的時間，無論是硬件，軟件還是兩者的混合，都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。