物联网无线传感器节点设计

shuszhao

在一般情况下，无线传感器节点是传感器为基础的设备，负责监察温度、湿度或压力等条件。节点从任何类型的传感器收集数据，然后以无线方式传递数据到控制单位，譬如计算机或移动设备，并在此处理、评估数据，并采取行动。

无线传感器节点（ WSN ）在促进物联网（ IoT ）发展方面发挥着关键作用。WSN的优点在于，它的功耗极低，尺寸极小，安装简便。对很多物联网的应用而言，譬如安装在室外的应用，WSN可使用太阳能供电。当室内有光，系统就由太阳光供电，同时为细小纽扣电池或超级电容器充电，以在没有光的情况下为系统供电。
在一般情况下，无线传感器节点是传感器为基础的设备，负责监察温度、湿度或压力等条件。节点从任何类型的传感器收集数据，然后以无线方式传递数据到控制单位，譬如计算机或移动设备，并在此处理、评估数据，并采取行动。理想情况下，节点可以由能量收集机制获得作业电源，成为独立运作的设备。从一般意义上讲，能量收集的过程是捕捉并转换来自光、振动，或热等来源的极少量能量为电能的过程。

                               
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图 1：能量收集系统设计示例
图 1 显示了能量收集系统的框图。能量是由能量收集系统 （如太阳能板）收集，并由电源管理集成电路 (IC) (PMIC) 转换成稳定的能量，再使用低漏、低阻抗的电容器储存。这些能源能供给传感器接口负载 （譬如微控制器MCU），而MCU是用无线方式来传送数据的传感器。本图中，能量收集传感器（ EHS ）是无线传感器节点。

                               
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图 2：无线传感器节点系统示例
图2显示了无线传感器节点的框图。在这里，已处理的传感器数据会透过低功耗蓝牙（ BLE ）以无线方式传输。BLE 是用于短距离、低功耗无线应用的标准，以交流状态或控制信息。BLE 在2.4 GHz ISM 频带及二进制频移键控（GFSK）调制下运作，此支持1 Mbps 的数据速率。
而电源管理 IC是用来稳定能量收集设备所要求的功秏，以支持其超低功耗的运作。 打个比方，赛普拉斯S6AE103A PMIC 器件的电流消耗低至280 nA，启动功率为 1.2uW（见图3）。因此，在约100勒克斯（lx） 的低亮度的环境中，紧凑型太阳能电池依然可以获得少量的能量。

                               
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图 3：用于能量收集的S6AE103A PMIC 器件框图


高效的无线传感器节点设计

让我们考虑一下设计无线传感器节点所涉及的步骤：
第 1 步：选择硬件：
在硬件方面，你需要适当的传感器，一台最终能用能量收集设备供电的MCU及 PMIC。你可能需要额外的无源组件，此视乎设计而定。
传感器可以是仿真或数字形式。现今市面上很多传感器是使用基于集成电路总线（I2C）、串行外设接口 （SPI）或异步收发传输器（UART）界面为标准的数字传感器。电耗极低的传感器在市面上亦有售。为了保持设备成本维持低水平，外形小巧，配有综合BLE的MCU能够简化设计，并缩短推出市场的时间。为了进一步加快设计，许多厂商都使用完全综合，完全通过认证的可编程模块，例如赛普拉斯EZ-BLE Modules。模块由一个主要MCU、两块结晶、芯片或跟踪天线、扩展板及无源组件组成。由于这些模块已经拥有必须的BLE认证，产品可以快速推出市场。

                               
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图 4：BLE模块示例：太阳能供能的低功耗蓝牙传感器信标CYALKIT-E02
第 2 步：设计固件和估计功耗
选择了可编程的MCU 后，下一步就是编写适当的固件。固件需要具备的基本功能是收集传感器数据的接口，用无线传送数据的BLE组件或堆栈，和能够负责固件处理的CPU。
由于超低耗运作是关键，电流消耗总和需要由一开始纳入考虑。总计电流消耗是传感器所消耗的电流及MCU 所消耗的电流总和。由于传感器通常不会消耗太多的总电流，其重点应该放在如何将MCU所消耗的电流减至最低。在优化电流之前，要考虑在MCU内在消耗电流的三个主要的组件：CPU、传感器接口模块（如 I2C 、SPI 等）和BLE子系统。这里，当无线电收音机开动（例如BLE Tx及Rx），电流的主要消费者会是BLE电收音机。
嵌入式 MCU 提供各种低功耗模式，以减少电流消耗。固件设计人员需要考虑这些低功耗模式和设计代码，这样，平均电流的消耗就能减至最低。例如，传感数据并不是瞬速变更的，固件需要间中扫瞄传感数据（例如每隔 5 至 10 秒钟，时间间隔视乎传感器而定）。传感器的已读数据通过 BLE， 以无线方式传输。
就 BLE 固件而言，传感器可以连同 BLE 广播包将数据发送。我们建议不要连同广播包转送太多其他数据，因为这样会进一步增加电流。在广播间隔与传感器扫描间隔之间， MCU需进入低功耗模式，譬如是「休眠功能 」。低电耗定时器就如看门狗定时器，可以在定时器倒数完毕时，唤醒设备。 为了使用低功耗操作，MCU进行了优化，提供一个 BLE 内部定时器，当广播间隔结束，可唤醒进入了休眠功能的设备。图 5显示了操作的固件流程。

                               
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图 5：为高效无线传感器节点设计而设立的固件流程
只要设计好固件，您可以测量电流。你可以使用原型电路板测量电流。请注意，MCU的启动及低耗模式的电流需要独立量度。只要你知道MCU分别以启动及低耗模式操作的时间，平均的电流消耗是：

                               
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有了平均电流的数字，你就可以将它乘以PMIC电压，从而找出平均功率。
第 3 步优化固件，最大限度地降低平均电流消耗
情况有可能是，初始计算出的设计功率的太高，太阳能 PMIC 无法支持。如果是这样，你就需要优化固件。这里有几个有效方法来执行此操作：
执行优化 MCU 的启动代码：当MCU 正在启动，你不需要使用如24MHz晶产时钟的高频外部时钟，以操作BLE。最初就关掉此时钟，能够节约能源。再者，时钟晶体可以利用这些时间稳定下来，而其亦是启动的其中一个部件。这些时钟渐渐稳定下来，MCU 可以再次调较至低耗模式，内部低频时钟可以在时钟预备好的时候唤醒设备。简而言之，启动代码的执行时间可以很长，并且固件设计人员需要尽量减少启动电流消耗。
a.    降低主 CPU 运作频率
b.    在进入低功率模式前，控制驱动模式，以防止MCU引脚泄漏电流。
c.    如果MCU支持任何调试接口，要将它们废除。
这些步骤有助降低平均电流消耗。
第 4 步：设计硬件
有了功耗优化的固件，是时候基于PMIC设计硬件 。图 6 显示了一个简单以能量收集基础的 PMIC 设计。

                               
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图 6：简单的能量收集设计
在 PMIC 首先储存太阳能到储存的设备 VSTORE1 (VST1)，此事例为一个300-μF 的陶瓷电容器。当 VST 1 达到 VOUTH V，能量就可以发送到 MCU 。但这个简单的能量收集设计不能全日运作，原因是没有备份电容器。让我们来看看，备份电容器如何加配到PMIC设备，和电容器能够如何帮忙MCU。

                               
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图 7：能量收集与备份电容器
操作WSN 所需的能量首先存储在 VST 1 ，剩余的能量用于 VST 2充电 。存储在 VST 2 的能量可于没有光线照射的情况下持续提供予 WSN 。此外，还可以连接一个额外的纽扣电池到 PMIC，以增加可靠性，如图8所示 。

                               
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图 8：多个电源输入的能量收集
PMIC 转换两种电源来源，以便 WSN 可以在所有条件下（即使没有灯光的情况）运行。转换自动产生，使能源在有需要时供应给WSN 。因此，这可能是 WSN的 最适当的硬件设计。
第 5 步：设计用户界面
连接到无线传感器节点的用户界面设计可以是用WSN传输，以接收数据的手机应用，就是这么简单。由于传感器的数据可能会在广播包固定位置出现，BLE应用可以设计到能够从这些位置提取相关数据，并将数据显示到你的手机上。这种技术可用于管理多个 WSNs 构成的复杂网络。

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