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物联网无线传感器节点设计

宣布时间:2018年03月29日 10:03    宣布者:eechina
要害词: 物联网 , 无线传感 , 传感器节点 , WSN
赛普拉斯半导体供稿

无线传感器节点(WSN)在促进物联网(IoT)生长方面施展着要害作用。WSN的优点在于,它的功耗极低,尺寸极小,装配轻盈。对许多物联网的应用而言,例如装配在室外的应用,WSN 可应用太阳能供电。当室内有光,系统就由太阳光供电,同时为眇小纽扣电池或超级电容器充电,以在没有光的情形下为系统供电。

在浅易情形下,无线传感器节点是以传感器为基础的装备,担负监测温度、湿度或压力等情形。节点从任何类型的传感器群集数据,然后以无线要领转达数据到控制单元,例如盘算机或移动装备,并在此处置赏罚赏罚、评价数据,并接纳行动。理想情形下,节点可以由能量群集机制取得作业电源,成为自力运作的装备。从浅易意义上讲,能量群集的历程是捕捉并转换来自光、振动,或热等泉源的微量能量为电能的历程。

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图 1:能量搜小我私人系设计示例

图 1 显示了能量搜小我私人系的框图。能量是由能量搜小我私人系 (如太阳能板)群集,并由电源治理集成电路(PMIC)转换成稳固的能量,再应用低漏、低阻抗的电容器贮存。这些动力能供应传感器接口负载(例如微控制器MCU),用来无线传输传感器数据。本图中,能量搜小我私人系(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,已处置赏罚赏罚的传感器数据会透太低功耗蓝牙(BLE)以无线要领传输。BLE 是用于短距离、低功耗无线应用的尺度,应用于通讯状态或控制信息。BLE 在2.4 GHz ISM 频带及二进制频移键控(GFSK)调制下运作,支持1 Mbps 的数据速率。

而电源治理芯片(PMIC)是用来稳固能量群集装备所群集的能量,并须要支持其自己的超低功耗的运转。打个例如,赛普拉斯S6AE103A PMIC 器件的电流消耗低至280 nA,启动功率为 1.2 uW(见图3)。是以,在约100 lx的低亮度的情形中,依然可以从紧凑型太阳能面板取得年夜批的能量。

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图 3:用于能量群集的S6AE103A PMIC 器件框图

高效的无线传感器节点设计

让我们推敲一下设计无线传感器节点所触及的法式模范:

第 1 步:选择硬件:

在硬件方面,你须要适当的传感器,一个事实能用能量群集装备供电的MCU,和 PMIC。你能够须要特此外无源组件,视设计而定。

传感器可以是模拟或数字传感器。当今市情上许多传感器是应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)界面为尺度的数字传感器。功耗极低的传感器在市情上亦有售。为了保持装备低资源和小型化,配有集成BLE的MCU能够简化设计,并延伸推出市场的时间。为了进一步加速设计,许多厂商都应用高度集成,完全经由历程认证的可编程模块,例如赛普拉斯EZ-BLE Modules。模块由一个主要MCU、两个晶体、芯片或板载天线、外壳及无源组件组成。由于这些模块曾经具有必须的BLE认证,产物可以快速推出市场。

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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:设计固件和预计功耗

选择了可编程的MCU 后,下一步就是编写适当的固件。固件须要具有的基本功效是群集传感器数据的接口,用无线传送数据的BLE组件或客栈,和能够担负固件处置赏罚赏罚的CPU。

由于超低耗运作是要害,电流消耗总和须要由一泉源归入推敲。总能量消耗是传感器所消耗的能量及MCU 所消耗的能量总和。由于传感器通常不会消耗太多的总能量,其重点应当放在若何将 MCU 所消耗的能量减至最低。在优化电流之前,要推敲在MCU内在消耗能量的三个主要的组件: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),能量的主要破费者会是BLE电收音机。

嵌入式 MCU 供应种种低功耗形式,以增添电流消耗。固件设计职员须要推敲这些低功耗形式和设计代码,这样,匀称电流的消耗便可以减至最低。例如,传感数据着实不是瞬速厘革的,固件须要间中扫瞄传感数据(例如每隔 5 至 10 秒钟,时间距离视乎传感器而定)。传感器的已读数据经由历程 BLE, 以无线要领传输。

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,由于这样会进一步增添电流。在广播距离与传感器扫描距离之间,MCU 需进入低功耗形式,例如是「休眠功效」。低电耗准时器就如看门狗准时器,可以在准时器倒数终了时,叫醒装备。为了应用低功耗操作,MCU阻拦了优化,供应一个 BLE 外部准时器,当广播距离阻拦,可叫醒进入了休眠功效的装备。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

只需设计好固件,您可以丈量电流。你可以应用原型电路板丈量电流。请重视,MCU 的启动及低耗形式的电流须要自实力度。只需你知道 MCU 划分以启动及低耗形式操作的时间,匀称的电流消耗是:

(Iactivex Tactive) + (ILowPower x TLowPower)
Tactive+TLowPower
Tactive+TLowPower

有了匀称电流的数字,你便可以将它乘以 PMIC 电压,从而找出匀称功率。

第 3 步:优化固件,最年夜限制地降低匀称电流消耗

情形有能够是,初始盘算出的设计功率的太高,能量群集 PMIC 没法支持。假定是这样,你就须要优化固件。这里有几个有用措施来推行此操作:

推行优化 MCU 的启动代码:当 MCU 正在启动,你不须要应用如24 MHz晶产时钟的高频外部时钟,以操作 BLE。首先,关掉落落此时钟,以便节约动力。其次,时钟晶体可以应用这些时间稳固上去,而其亦是启动的其中一个部件。这些时钟徐徐稳固上去,MCU 可以再次调至低耗形式,外部低频时钟可以在时钟准备好的时间叫醒装备。简言之,启动代码的推行时间可以很长,而且固件设计职员须要尽能够增添启动电流消耗。

a.        降低主 CPU 运转频率
b.        在进入低功率形式前,控制驱动形式,以防止MCU引脚泄泄电流。
c.        关闭调试接口。

这些法式模范有助降低匀称电流消耗。

第 4 步:设计硬件

有了功耗优化的固件,是时间基于PMIC设计硬件 。图 6 显示了一个质朴以能量群集基础的 PMIC 设计。

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图 6:质朴的能量群集设计

首先,PMIC贮存太阳能到存储装备 VSTORE1(VST1),此例中为一个 300-μF 的陶瓷电容器。当 VST 1 到达 VOUTH V,能量便可以传输到 MCU 。但这个质朴的能量群集设计不克不及整日运作,启事是没有备份电容器。让我们来看看,备份电容器若何加配到 PMIC 装备,和电容器能够若何支持 MCU。

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图 7:能量群集与备份电容器

运转 WSN 所需的能量首先存储在 VST 1 ,残剩的能量用于 VST 2 充电 。存储在 VST 2 的能量可于没有光线照射的情形下一连供应予 WSN 。此外,还可以毗连一个特此外纽扣电池到 PMIC,以增添可靠性,如图8所示 。

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图 8:多个电源输入的能量群集

PMIC 转换两种能量泉源,以便 WSN 可以在所有条件下(纵然没有灯光的情形)运转。转换自动发生,使动力在有须要时供应给 WSN 。是以,这应当是 WSN 最适当的硬件设计。

第 5 步:设计用户界面

毗连到无线传感器节点的用户界面设计可以是从WSN 吸收数据的手机应用。由于传感器的数据能够会在广播包结实职位泛起,BLE 应用可以设计到能够从这些职位提取相关数据,并将数据显示到你的手机上。这类手艺可用于治理多个 WSN 组成的严重年夜群集。
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