低功耗物聯(lián)網(wǎng)無線連接技術(shù)方案

低功耗物聯(lián)網(wǎng)無線連接技術(shù)方案物聯(lián)網(wǎng)有望為我們管理家庭和辦公室以及與他們互動(dòng)的方式帶來重大變化。預(yù)計(jì)它還將改變企業(yè)提供服務(wù)的方式，特別是在商業(yè)和工業(yè)部門，以前資本密集型設(shè)備可以作為出租服務(wù)提供給客戶。雖然這個(gè)概念很容易理解，但對(duì)考慮這一點(diǎn)的組織的影響將在很大程度上取決于對(duì)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(duì)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(xiàng)工作，許多電池供電并長時(shí)間留在原地。提供此類傳感器數(shù)據(jù)將要求設(shè)計(jì)使用超低功耗無線收發(fā)器微控制器，這些微控制器不僅具有極低的待機(jī)電流，而且還采用節(jié)能技術(shù)來延長單個(gè)紐扣電池的使用壽命。此類技術(shù)可以在硬件或軟件或兩者的混合中實(shí)現(xiàn)，但顯然在準(zhǔn)備選擇單個(gè)設(shè)備之前，設(shè)計(jì)人員需要考慮許多其他更廣泛的因素。選擇的無線協(xié)議是關(guān)鍵因素之一。這將主要由一次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量決定。雖然Wi-Fi是移動(dòng)大量數(shù)據(jù)的自然選擇，但它耗電量大，對(duì)于典型的傳感應(yīng)用，它將取決于藍(lán)牙智能和ZigBee等方法以及其他802.15.4sub-GHz技術(shù)，這些技術(shù)將成為首選。在選擇器件時(shí)，工程師還應(yīng)了解構(gòu)成器件整體功耗曲線的各個(gè)方面。計(jì)算性能和功率分布之間存在平衡。您可能會(huì)使用功能更強(qiáng)大的設(shè)備來提供更多計(jì)算資源，即使它可能會(huì)消耗更多功率，只是為了更快地完成計(jì)算和傳輸任務(wù)。還，

圖1：超低傳感器控制器獨(dú)立于設(shè)備的其余部分運(yùn)行。德州儀器（TI）的SimpleLinkCC26xx器件系列就是提供這種廣泛的通信方法選擇的器件系列之一。TICC2650結(jié)合了符合2.4GHz藍(lán)牙低功耗（BLE）v4.1標(biāo)準(zhǔn)的無線收發(fā)器、ARMCortex-M332位處理器和超低功耗16位傳感器控制器器件在RTC運(yùn)行和RAM保持時(shí)提供低至1μA的待機(jī)功耗，在關(guān)斷模式下可低至100nA，可通過外部事件的觸發(fā)將其喚醒。CoreMark基準(zhǔn)分?jǐn)?shù)為141.85，CoreMark/MHz為2.955（CC2650-7ID器件在3.0V和48MHz下運(yùn)行），MCU在活動(dòng)模式下消耗61μA/MHz，而活動(dòng)模式發(fā)射器電流在+5dBm時(shí)為9.1mA輸出。16位傳感器控制器負(fù)責(zé)使無線電收發(fā)器盡可能長時(shí)間地處于睡眠狀態(tài)。通過與模擬比較器或ADC等外部傳感器相結(jié)合，傳感器控制器（圖1）設(shè)計(jì)為完全自主運(yùn)行，允許無線電和32位MCU保持在極節(jié)能的待機(jī)模式，直到需要它發(fā)送數(shù)據(jù)。這種方法每秒能夠執(zhí)行多達(dá)10次ADC讀取，平均消耗小于3μA，例如，可以在心率傳感器應(yīng)用中使用。為此，您每秒最多可以執(zhí)行十次測(cè)量，然后同時(shí)發(fā)送所有十次測(cè)量。這種實(shí)現(xiàn)節(jié)能的硬件方法意味著不必為每次測(cè)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。另一種節(jié)省電力的方法是在電源中增加某種程度的能量收集。SiliconLabs的Si1010系列超低功耗sub-GHz無線微控制器采用了這種方法。Si1012_例如，使用高速25MIPS8051MCU與EZRadioPro收發(fā)器相結(jié)合，可在0.9至3.6V范圍內(nèi)工作，在深度睡眠模式下消耗低至0.1μA。在保留RTC和無線電狀態(tài)的情況下，它需要大約1μA。從深度睡眠中醒來的時(shí)間在2μs內(nèi)。它配備一個(gè)ADC、三個(gè)GPIO引腳和四個(gè)GP計(jì)數(shù)器/定時(shí)器，是物聯(lián)網(wǎng)傳感器應(yīng)用的理想設(shè)備。能夠從能量收集源供電，預(yù)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)傳感器可以設(shè)計(jì)為具有15年的預(yù)期壽命，而無需更換薄膜電池。為了使用這種方法加快設(shè)計(jì)速度，SiliconLabs提供了能量收集參考板用于在實(shí)踐中完全原型化和演示超低功耗傳感器設(shè)計(jì)（圖3）。除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：SiliconLabs能量收集傳感器評(píng)估板。當(dāng)Si1012不傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，它可以保持在相當(dāng)于大約50nA的極低功耗狀態(tài)。只需50勒克斯的光來補(bǔ)償太陽能電池板的泄漏電流并開始為薄膜電池充電。僅薄膜電池就提供了足夠的能量來為無線收發(fā)器和傳感器供電大約7天。室內(nèi)光通常提供高達(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供電。圖4說明了每秒傳輸數(shù)據(jù)的示例IoT傳感器應(yīng)用程序與能耗的可能占空比。

圖4：Si1012能耗曲線。管理傳感器的節(jié)能無線通信也可以是微調(diào)軟件的工作。這種方法需要隨時(shí)詳細(xì)了解MCU和無線收發(fā)器中正在進(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(xiàng)，例如“優(yōu)化時(shí)間”。代碼序列執(zhí)行得越快，設(shè)備保持睡眠模式的時(shí)間就越長。IDE工具鏈越來越多地提供在調(diào)試期間監(jiān)控能耗的功能，進(jìn)一步幫助設(shè)計(jì)具有盡可能小的能耗配置文件。愛特梅爾ATmega256RFR2ZigBee/802.15.4無線收發(fā)器系列就是一個(gè)例子，其中一組已發(fā)布的軟件技術(shù)可用于將功耗自適應(yīng)地降低到正常規(guī)定限值以下。該器件將Atmel8位AVRMCU內(nèi)核與專為ZigBee/802.15.4使用定制的低功耗2.4GHz收發(fā)器相結(jié)合，采用1.8至3.6VDC電源供電，深度睡眠功耗低于700nA。MCU和收發(fā)器的最大發(fā)送電流為18.6mA。圖5說明了可用模式的不同總功耗。

圖5：AtmelATmega2564RFR2無線MCU電源/睡眠模式配置文件。Atmel的智能降低功耗技術(shù)應(yīng)用筆記記錄了一組降低功耗（RPC）軟件技術(shù)，它們是獨(dú)立的、自我校準(zhǔn)的自適應(yīng)功耗降低方案。其中一種方案是PLL節(jié)能模式。該模式通過在校準(zhǔn)PLL后立即自動(dòng)切換到省電模式來幫助降低功耗。這種方法在應(yīng)用筆記中有更深入的介紹，可以將器件消耗從5.2mA降低到450μA。另一種技術(shù)是智能接收技術(shù)（SRT），其中收發(fā)器可以在偵聽傳入數(shù)據(jù)幀時(shí)定期啟用和禁用。根據(jù)環(huán)境條件、數(shù)據(jù)流量和信道噪聲，SRT模式可節(jié)省高達(dá)50%的電流消耗，物聯(lián)網(wǎng)的好處將依賴于無數(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)或大型工廠