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物联网无线传感器节点设计

作者:赛普拉斯时间:2018-03-28来源:电子产品世界

  节点(WSN)在促进(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,同时为微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。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201803/377554.htm

  在一般情况下,节点是以传感器为基础的设备,负责监测温度、湿度或压力等环境。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,或热等来源的微量能量为电能的过程。

  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(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),用来无线传输传感器数据。本图中,能量收集系统(EHS)是节点。

  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,应用于通信状态或控制信息。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。

  而电源管理芯片(PMIC)是用来稳定能量收集设备所收集的能量,并需要支持其本身的超低功耗的运行。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 1.2 uW(见图3)。因此,在约100 lx的低亮度的环境中,依然可以从紧凑型太阳能面板获得少量的能量。

  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,一个最终能用能量收集设备供电的MCU,以及 PMIC。你可能需要额外的无源组件,视设计而定。

  传感器可以是模拟或数字传感器。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。功耗极低的传感器在市面上亦有售。为了保持设备低成本和小型化,配有集成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,许多厂商都使用高度集成,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。由于这些模块已经拥有必须的BLE认证,产品可以快速推出市场。

  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,其重点应该放在如何将 MCU 所消耗的能量减至最低。在优化电流之前,要考虑在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。

  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:

  (Iactivex Tactive) + (ILowPower x TLowPower)

  Tactive+TLowPower

  Tactive+TLowPower

  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,能量收集 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24 MHz晶产时钟的高频外部时钟,以操作 BLE。首先,关掉此时钟,以便节约能源。其次,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 运行频率

  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. 关闭调试接口。

  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。

  图 6:简单的能量收集设计

  首先,PMIC储存太阳能到存储设备 VSTORE1(VST1),此例中为一个 300-μF 的陶瓷电容器。当 VST 1 达到 VOUTH V,能量就可以传输到 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,和电容器能够如何支持 MCU。

  图 7:能量收集与备份电容器

  运行 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 。

  图 8:多个电源输入的能量收集

  PMIC 转换两种能量来源,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,这应该是 WSN 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从WSN 接收数据的手机应用。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 WSN 构成的复杂网络。



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