低功耗无线传感器网络的实现过程探讨

　　系统级唤醒事件的另一个绝佳示例，可采用通过串行接口连接到处理器的外部RF芯片进行演示。不使用处理器时，可将其置于某个低功耗状态下，仅保持 RF芯片运行。由于新一代 RF芯片的逻辑仅负责查找进入的RF数据包，因此在工作状态下消耗的电流很小。一旦接收到与所分配给该单元的地址相关的有效数据包，就将唤醒单片机开始处理信息。此类功耗模式机制较常用于基于射频网络的解决方案中，诸如那些基于ZigBee .无线协议的解决方案。

　　时钟频率

　　单片机从外部或内部时钟源获取系统时钟频率。单片机采用该时钟频率并将其分频以得到应用程序软件所需的工作时钟频率。较低的频率通常等同于较低的功耗。有时，单片机还可以采用锁相环（Phase Locked Loop,PLL）将外部时钟频率倍频。外部时钟信号通常来自晶振或称为晶体振荡器。

　　当器件进入低功耗模式时，单片机还可以禁止输入晶体放大器电路，这样也许可节省几毫安的电流，但会以恢复正常工作状态时延长振荡器的导通时间（由于外部晶振的起振延时）为代价。然而，有些单片机具有采用双速启动模式的能力，在这种模式下，单片机将使用内部振荡器立即开始运行，并在更精确的外部时钟源有足够时间稳定后，自动切换至外部时钟源。

　　单片机控制自身时钟频率的能力允许软件工程师在保证总电流消耗最少的情况下，选择适合于特定任务的时钟速度。因此，工程师需要评估能量公式中的时间×电流元素，以确定哪种方案比较好：在较短时间段内全速运行，在较长时间段内较慢运行，或者选个中间速度。

　　实时时钟

　　在本文所述的远程无线传感器应用示例中，系统需要保持精确的时间观念。除了系统时钟外，还可采用实时时钟和日历（RTCC）外设轻松实现这一点。RTCC的主要功能是跟踪日期和时间。在本文的情形中，RTCC对于控制功耗模式非常有用。RTCC还有助于单片机安排精确的唤醒事件、触发采样测量或发起与中央控制台的 RF同步。

　　在系统中实现RTCC有多种方法。可将专用 RTCC芯片连接至单片机；采用集成 32 kHz晶振及基本计时软件；以及使用单片机内的专用 RTCC外设。对系统成本的限制通常第一时间就排除了第一种选择。对后两种的选择通常由单片机应用的其他需求以及一定程度的成本限制决定。本次讨论将采用第二种方法，即 32 kHz振荡器与一些非常基本的软件。

　　外部 32 kHz晶振驱动电路与 16位定时器配合使用，来每秒唤醒一次处理器。每秒唤醒一次处理器来更新 RTCC定时器，也可能测量当前温度。然后处理器返回到相应的低功耗模式。此方法提供了一种导通占空比非常小的机制，器件运行的大多数时间仅消耗 600 nA的电流。

　　构建RF无线传感节点

　　高集成度的单芯片通用 ISM带宽 FSK收发器解决方案与低功耗单片机配合工作，简化了无线传感应用的实现。在本例中，单片机采用 SPI接口作为与射频设备连接的串行通信端口。还要使用单片机来初始化收发器设备的射频配置设置。配置完成后，收发器设备将通过来自单片机的非常基本的串行命令完成大多数 RF数据发送和接收操作。简单地组合这两种技术，即可构建一种基本网络，远程监视各种数字或模拟无线传感器节点，如本文中的远程温度传感器。

　　考虑无线系统的总功耗预算，我们最关注的数据手册参数为射频系统的发送功耗、接收功耗、待机功耗以及启动时间。了解了这些参数后，我们将能确定系统通过无线 RF通道发送和接收数据所消耗的电流。开发 RF解决方案时还需注意的关键因素还有发送的数据长度和安全性。以下部分将简要说明这两个因素。

　　RF发送时间

　　常常被忽视的一个重要参数是需要发送的RF数据包的长度。事实上，RF发送时间对无线解决方案的性能、质量和功耗影响很大。较短的数据包有助于减少对电源的能源需求，甚至可以缩小电池体积。在定义新的低功耗RF协议时，必须牢记这一点。

　　我们已针对无线温度传感器设计，评估了当今可用的各种 RF通信协议。诸如 ZigBee、ZigBee Pro、Microchip的 MiWi.和 MiWi P2P（点对点）协议均已一一评估。由于本应用的低功耗需求，我们决定采用非常基本的时分多址（Time Divisional Multi Access,TDMA）时间片协议机制。

　　通过在RF数据帧中分配预定义时隙并使用第一个时隙作为中央单片机发送的帧起始标记，即可方便地确保整个传感器监视系统的精确时序，同时降低功耗。采用这种基本时间片机制，单片机和RF收发器可在生命周期的大多数时间内处于低功耗待机模式。

　　安全性

　　意识到无线网络所涉及的安全性问题，大多数RF系统均采用了强大的算法来保护其数据。具有128位密钥的高级加密标准（Advanced Encryption Standard,AES）确保了数据完整性以及系统抵抗黑客的能力，这两者对于商业应用至关重要。可通过软件实现 AES安全性。对于需要使工作时间最短的无线传感器节点，能够尽快执行 AES计算非常重要，因为节点工作时的功耗最大。单片机可按需动态更改处理功耗以帮助实现上述目标。别说是电池供电设备就是采用有线电源的系统，要使 AES计算尽可能快也同样是不争的事实。功耗对所有系统（有线或无线）的温度、体积及成本均有影响。

　　系统成本

　　众所周知，系统的总成本在设计任何系统（如无线温度传感器）的过程中始终起着非常重要的作用。确定无线单片机成本的关键因素是所需程序和数据储存区的数量。传感器网络和相关产品的开发人员希望采用存储空间最佳的一系列单片机来满足应用程序的需求。开发基于网络协议层（如ZigBee）的较大应用程序时，需要较大的存储空间--在有些情况下，大于250 KB.若要实现较为简单的传输协议，尤其是在对成本极度敏感的设计中，可使用单片机的许多功耗控制功能来最大程度降低成本和功耗。

　　硬件/软件

　　本文中的设计示例组合使用了一片高集成度通用 ISM带宽 FSK收发器芯片和一片超低功耗单片机。超低功耗 PIC16LF1827单片机用在传感器单元中，用于每秒测量一次模拟温度传感器，将结果存入数据缓冲区，运行复杂的噪声滤波算法，然后采用 RF收发器发送结果数据。出于安全性考虑，此信息采用 AES算法保护并在已分配的预定时隙内发送。此外，单片机在上电后初始化 RF收发器射频配置设置，并按需控制射频设备的功耗模式。

　　结论

　　本文探讨了轻松实现非常基本的低功耗无线传感器网络的过程。更好地理解超低功耗单片机的各种功耗管理功能，有助于系统工程师开发绿色无线解决方案。只需选择合适的超低功耗单片机和 RF射频产品，理清所有系统级任务的需求，然后使用单片机的功耗管理设置，即可使系统处于低功耗休眠状态，这样就构成了低成本的超低功耗解决方案，从而完成任务。