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用于物联网的超低功耗叫醒无线电产物 

宣布时间:2014年03月07日 14:03    宣布者:李宽
要害词: 物联网 , 叫醒无线电 , 叫醒
作者: Synergy Microwave,美高森美Microsemi)公司

用于物联网(Internet of Things, IoT)的浩荡通讯装备都体积小巧而且请求应用小型电池长时间使命,是以有功率方面的限制。本文将探讨这样的低功耗系统的某些请求,如关于低功耗叫醒无线电产物的需求,并枚举应用示例和较量种种竞争手艺。

低功率通讯需求

物联网的传感器或控制节点通常有体积限制,只能应用纽扣电池、小型电池,以致应用能量群集源进走运作。在许多工业应用中,须要人工替换电池的资源,特殊是在难以靠近的地方替换所需的资源,使得人们加倍看重降低匀称电流消耗和延伸电池寿命。

极低功耗传感看主要经由历程在睡眠形式下运作来节俭功率,仅仅在须要阻拦丈量或数据传输时才从睡眠形式叫醒。这些传感器对人们或机械互动的照顾性请求凭证应用而变换。其些应用好比安然应用,能够须要快速的通讯启动,而其它应用则能够须要不频密的非时间要害性启动。

低功率叫醒无线电应用

叫醒无线电的示例应用之一是医疗移植通讯。医疗移植通讯通常网罗天天或每周向临床医生申报装备状态和运作。例如,这类通讯应用网罗用于植入身段内的除颤器(cardioverter defibrillator, ICD)的电池状态或ECG波形。可是,在器件已被移植入时代或在医务职员办公室的使命时代,便须要速率加速许多的通讯照顾,所需的装备叫醒请求时间少于1秒。

被移植装备事后着实不会知道通讯请求甚么时间将发生,是以须要一个侦听通讯请求的无线电产物。这类无线电必须具有极低的匀称电流,同时依然知足规模(迅速度)和抗滋扰性能(滤波和可靠性)请求。

美高森美的Zarlink开发了医疗植入通讯手艺,ZL70102系列网罗公用叫醒无线电手艺[参考文献1,2]。

其它的运用具有类似的请求,例如在工业传感器和控制领域,和安保应用领域。

叫醒无线电要害请求

叫醒无线电请求与现适用例亲近相关,许多因素网罗电池特点、再充电或能量群集才干、应用电力需求,所需的启动和通讯迟滞、通讯应用、迅速度和滋扰处置赏罚赏罚都影响着事实尺度。

例如,想象一个将50%的电力装备给通讯的220mAh CR2032纽扣电池,在可供通讯应用的110 mAh电能中,可以将其中的一半用于叫醒,即具有年夜约55 mAh的功率预算。假定这个传感器节点具有五年的应用寿命,叫醒所消耗的匀称电流必须不逾越55mAh/(5×365×24)= 1.3 A。

叫醒系统的尺度匀称电流应在2A-4A规模,在保持低电流的同时供应媲美主无线电通讯的迅速度和公正的滋扰榨取。

叫醒无线电处置赏罚赏罚妄图的较量

实验低电流叫醒无线装配有两个经常应用战略。

一直在线的无线电:一个做法是设计一直在线的极低功率收发器,保持在低于10A规模的低电流预算中使命,这样的无线电在>-40 dbm规模的迅速度极差。这关于许多应用是不够的,叫醒规模应当与经常应用的通讯运作规模(<-90 dBm)类似。

监听无线电: 在这一做法中,通常电池为低功率无线电供电,其周期性使命或以低于所需迟滞的监听距离来监听所需的通讯,这类措施的主要优势在于同时到达很好的迅速度和低功耗特点。

总的来讲,假定所需的功率极低,一直在线的无线电有能够在能量群集供电应用中应用,而具有更具寻衅性迅速度请求的监听无线电,则用于电池供电应用。较宽的可完成迅速度规模使得监听叫醒成为更普遍应用的措施。

2012年Roberts[参考文献3]研究了一系列文献中的器件,而且天生一个与图1所示类似的图,针对应用能量群集泉源供电的一直在线无线电和应用电池泉源供电的监听无线这两种类型的无线电装配显示迅速度和功耗的较量。低功率电池供电无线电 (在100%占空比下运作时能够消耗1000 W) 经由历程duty cycle 要领来完成所需的<-90 dBm规模的叫醒迅速度尺度,和到达低于10 W的匀称功率水平(年夜约50W被视为RF电路正常使命并发生增益的最小值)。滋扰处置赏罚赏罚等其它性能目的也是很主要的,这使许多现实系统逾越了图1所示的红线。所有尺度协定,好比Zigbee和蓝牙均在这条线之上运作。这个图显示须要年夜于1/100的占空比因数,以便将功耗降到低于10 W的规模。

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图1:针对低功率无线电的功耗和迅速度较量

例如,假定吸收器运作电流(IRX) 5mA,监听时间(Tsniff)为1ms的低功率无线电,在Tp=1s 时代用于单一信道监听的匀称电流(Isniff)为:

Isniff = IRX ×(Tsniff/Tp)

= 5 mA ×0.001/1

= 5 A.

许多现有的无线电尺度并缺乏以知足叫醒无线电的请求,针对Wi-Fi手艺,关于每5分钟传输数据,而且阻拦从1s 至1000s的可变时间监听的传感器节点应用,将尺度的Wi-Fi无线电装配的耗电量培植一个模子,图2所示为AAA电池的预期应用寿命,其中80%的功率用于应用。此图显示,关于距离少于20s的较短距离时间监听应用,应用寿命较差。关于某些应用,替换电池的人力资源能够太高,或许传感器难以靠近,在须要1s-2s短迟滞时间的情形中,这个系统的运作性能特殊差。

表1较量了Wi-Fi、低功耗蓝牙,和美高森美开发的公用2.45 GHz叫醒手艺。低功耗蓝牙将通告形式(advertising mode)用于启动时的电流消耗作为模子并应用同级最好功耗器件培植耗电量模子。美高森美的公用叫醒器件用于显着降低叫醒应用的功耗,同时保持优胜的迅速度。

虽然低功耗蓝牙显着优于Wi-Fi,但其叫醒性能关于某些应用来讲照样不够,例如,一个220 mAh CR2032纽扣电池将一半的电能用于通讯,而可用的110mAh电能预算的其中一半用于叫醒操作,即具有年夜约55mAh预算。从表1看出,阻拦每秒监听,低功耗蓝牙匀称消耗20μA电流,得出了2800小时或117天应用寿命。业界通常须要应用寿命以年为单元的系统,请重视低功耗蓝牙是专门设计用于低频率通讯,而不是这类特定的异步叫醒。

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图2:Wi-Fi应用寿命较量监听距离

表1:叫醒性能较量
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刷新的叫醒无线电处置赏罚赏罚妄图

公用的叫醒无线电手艺可以赞助显着增添种种无线电系统的耗电量,特殊是关于Wi-Fi等较高功率的系统,美高森美超低功耗通讯产物医疗产物团队在其医疗移植叫醒无线电使命的基础上,开发了2.45GHz叫醒无线电手艺。新手艺有显着刷新,到达了优胜的迅速度、极低的匀称电流和优良的滋扰处置赏罚赏罚。

图3所示为一个低功率无线节点中的系统装备示例,这个系统应用了一个极质朴的低资源吸收器,吸收发送器天生的希奇的防止弱点报警的FSK。在叫醒无线电设计中,必须在弱点报警和检测时间/电流之间阻拦协调权衡,由于具有希奇的传输图形特点,这个设计可以快速扫除弱点报警,叫醒吸收器在用户编程的时间(好比每秒)阻拦监听,而且在检测到有用的叫醒图形时启动主系统和主系统无线电。

该器件具有极小的占位面积(<8 mm2),而且可以便利地添加到节点和传输中枢上,如图4所示,它对系统应用寿命的提升是异常显着的。

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图3:美高森美2.45GHz叫醒 – 节点系统示例

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图4:应用公用叫醒无线电产物,刷新Wi-Fi应用寿命

总结

现有的传感器通讯协定(特殊是Wi-Fi)会快速地消耗电池能量,高启动/监听电流和过量的泄泄电流会招致节点应用寿命的减短和频仍的电池替换。这在须要(0.2s-30s)规模的快速用户照顾用例中特殊显着,在这样的用例中,公用的叫醒无线电能够是在超低功率节点中保持低匀称电流的优胜处置赏罚赏罚妄图。

文中简介了1秒迟滞时匀称电流为3.5 μA无线叫醒性系统,依然保持优胜的迅速度和干预干与干与榨取特点。经由历程对现有设计阻拦质朴的升级,针对1s的照顾时间(应用L92-AAA battery),这个系统可以将Wi-Fi应用的电池寿命前进逾越50倍,从23天延伸到3.5年。这样的低功耗手艺是完成物联网 (Internet of Things, IoT) 增添的推动实力 。

参考文献


[1] P.D. Bradley, “用于可移植装备的超低功率、高性能医疗移植通讯系统(MICS)收发器”,生物医学电路和系统聚会聚会会议,BioCAS 2006.

[2] Microsemi/Zarlink, ZL70102,网站,

[3] N. Roberts, D. Wentzloff, “用于无线体域群集的98 nW叫醒无线电”,2012 IEEE射频集成电路研究会

美高森美(Microsemi)公司
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premax 揭晓于 2014-3-13 10:31:49
1秒迟滞时匀称电流为3.5 μA无线叫醒。很不错。
biguozi 揭晓于 2014-3-20 11:35:23
着实着实不错
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