物聯(lián)網(wǎng)承諾為我們管理家庭和辦公室并與之互動(dòng)的方式帶來(lái)重大變化。此外，預計還將改變企業(yè)提供服務(wù)的方式，特別是在商業(yè)和工業(yè)部門(mén)，以前可以將資本密集型設備作為服務(wù)提供給客戶(hù)。雖然這個(gè)概念很容易理解，但考慮到這一點(diǎn)的組織的影響將在很大程度上取決于許多不同數據元素的持續和可靠的數據收集。對于大量無(wú)線(xiàn)連接的基于微控制器的傳感器來(lái)說(shuō)，這將是一項工作，許多電池操作并長(cháng)時(shí)間保留在原位。提供這樣的傳感器數據將要求設計使用超低功耗無(wú)線(xiàn)收發(fā)器微控制器，其不僅具有極低功率的待機電流，而且還采用節能技術(shù)來(lái)延長(cháng)單個(gè)紐扣電池的工作壽命。這些技術(shù)可以用硬件或軟件或兩者的混合來(lái)實(shí)現，但很明顯，在準備選擇單個(gè)設備之前，設計師還需要考慮許多其他更廣泛的因素。

 

其中一個(gè)關(guān)鍵因素將是所選的無(wú)線(xiàn)協(xié)議。這主要是由傳輸的數據量決定的。雖然Wi-Fi是移動(dòng)大量數據的自然選擇，但它耗電量大，對于典型的傳感應用而言，它將采用藍牙智能和ZigBee等方法以及其他802.15.4 sub-GHz技術(shù)。。在選擇器件時(shí)，工程師還應了解構成器件總體功耗曲線(xiàn)的各個(gè)方面。計算性能和功率配置文件之間存在平衡。您可能會(huì )使用功能更強大的設備來(lái)提供更多計算資源，即使它可能會(huì )消耗更多功率，以便更快地完成計算和傳輸任務(wù)。此外，不要忘記一些通信堆棧要求無(wú)線(xiàn)電設備在給定數據包的運行時(shí)間更長(cháng)，因此不僅僅是組合無(wú)線(xiàn)MCU的耗電量。

德州儀器的SimpleLink CC26xx器件系列提供了多種通信方法選擇。 TI CC2650器件結合了2.4 GHz藍牙低功耗（BLE）v 4.1兼容無(wú)線(xiàn)收發(fā)器，ARM Cortex-M3 32位處理器和超低功耗16位傳感器控制器，可提供低至2的待機功耗RTC運行和RAM保持時(shí)為1μA，在關(guān)斷模式下低至100 nA，可通過(guò)外部事件觸發(fā)喚醒。 CoreMark基準評分為141.85，CoreMark/MHz為2.955（CC2650-7ID設備運行在3.0 V和48 MHz），MCU在工作模式下消耗61μA/MHz，而有源模式發(fā)送器電流為9.1 mA，+ 5 dBm輸出。 16位傳感器控制器負責盡可能長(cháng)時(shí)間地使無(wú)線(xiàn)電收發(fā)器保持睡眠狀態(tài)。通過(guò)與模擬比較器或ADC等外部傳感器相結合，圖1中的傳感器控制器設計為完全自主運行，允許無(wú)線(xiàn)電和32位MCU保持極其高效的待機模式，直到需要它為止發(fā)送數據。能夠每秒執行多達10次ADC讀取，平均功耗小于3μA，這種方法可用于例如心率傳感器應用。為此，您可以每秒執行多達十次測量，然后同時(shí)發(fā)送所有十個(gè)測量值。這種實(shí)現節能的硬件方法意味著(zhù)無(wú)需為每次測量喚醒無(wú)線(xiàn)電和MCU，相當于節省了10倍的功耗（圖2）。

 

圖2：在傳輸數據之前讀取傳感器10次。

 

節省電力的另一種方法是在電源中增加一定程度的能量收集。 Silicon Labs采用這種方法，采用Si1010系列超低功耗sub-GHz無(wú)線(xiàn)微控制器。例如，Si1012采用高速25 MIPS 8051 MCU和EZRadioPro收發(fā)器，可在0.9至3.6 V范圍內工作，在深度睡眠模式下功耗低至0.1μA。保留RTC和無(wú)線(xiàn)電狀態(tài)需要大約1μA。深度睡眠喚醒時(shí)間在2μs以?xún)?。它配備了ADC，三個(gè)GPIO引腳和四個(gè)GP計數器/定時(shí)器，是物聯(lián)網(wǎng)傳感器應用的理想器件。能夠從能量收集源供電，期望物聯(lián)網(wǎng)傳感器可以設計具有15年的預期壽命，而無(wú)需更換薄膜電池。為了加快使用這種方法的設計，Silicon Labs提供了一個(gè)能量收集參考板，用于在實(shí)踐中完全原型化并演示超低功耗傳感器設計（圖3）。除了Si1012器件外，該板還配備了印刷天線(xiàn)，電源管理IC和太陽(yáng)能電池板。

 

圖3：Silicon Labs能量收集傳感器評估板。

 

當Si1012不傳輸數據時(shí)，它可以保持在相當于大約50 nA的極低功耗狀態(tài)。只需要50勒克斯的光來(lái)補償太陽(yáng)能電池板漏電流并開(kāi)始為薄膜電池充電。僅薄膜電池就能為無(wú)線(xiàn)收發(fā)器和傳感器提供足夠的能量大約七天。室內燈通常提供高達200勒克斯，而室外條件將提供高達10,000勒克斯，足以保持電池充電和提供電力。圖4顯示了每秒傳輸數據的示例IoT傳感器應用的可能占空比與能耗。

 

圖4：能耗曲線(xiàn)Si1012。

 

管理傳感器的節能無(wú)線(xiàn)通信也可以成為精細調整軟件的工作。這種方法需要隨時(shí)詳細了解MCU和無(wú)線(xiàn)收發(fā)器內正在進(jìn)行的過(guò)程。還應注意，在某些情況下，開(kāi)發(fā)人員還應檢查是否應充分利用任何編譯器優(yōu)化選項，例如“優(yōu)化時(shí)間”?？梢愿斓貓绦幸幌盗写a，設備可以保持在睡眠模式的時(shí)間越長(cháng)。 IDE工具鏈越來(lái)越多地提供在調試期間監視能耗的功能，進(jìn)一步幫助設計盡可能地降低能耗。 Atmel ATmega256RFR2系列ZigBee/802.15.4無(wú)線(xiàn)收發(fā)器就是一個(gè)例子，其中提供了一套已發(fā)布的軟件技術(shù)，旨在自適應地降低功耗低于正常規定的限值。該器件采用Atmel 8位AVR MCU內核和專(zhuān)為ZigBee/802.15.4設計的低功耗2.4 GHz收發(fā)器，采用1.8至3.6 VDC電源供電，深度睡眠功耗低于700 nA。 MCU和收發(fā)器的發(fā)送電流為18.6 mA。圖5顯示了可用模式的不同總功耗。

 

圖5：Atmel ATmega2564RFR2無(wú)線(xiàn)MCU電源/睡眠模式配置文件。

 

Atmel智能降低功耗技術(shù)應用筆記記錄了一組降低的功耗消耗（RPC）軟件技術(shù)是獨立的，自校準的自適應功率降低方案。其中一種方案是PLL節能模式。此模式有助于在PLL校準后立即自動(dòng)切換到省電模式，從而降低功耗。在應用筆記中更深入地記錄了這種方法，可以將器件功耗從5.2 mA降低到450μA。另一種技術(shù)是智能接收技術(shù)（SRT），其中可以在監聽(tīng)輸入數據幀的同時(shí)周期性地啟用和禁用收發(fā)器。根據環(huán)境條件，數據流量和信道噪聲，SRT模式可以節省高達50％的電流消耗，但這會(huì )導致少量的靈敏度損失。

 

物聯(lián)網(wǎng)將依賴(lài)于無(wú)數電池供電的無(wú)線(xiàn)傳感器，這些傳感器通常部署在偏遠地區或難以進(jìn)入大型工廠(chǎng)內的位置。當您考慮定期訪(fǎng)問(wèn)該位置時(shí)，更換廉價(jià)紐扣電池的成本會(huì )大大增加，更不用說(shuō)在此期間可能對物聯(lián)網(wǎng)分析和控制系統造成的干擾。

 

實(shí)施節能技術(shù)的時(shí)間，無(wú)論是硬件，軟件還是兩者的混合，都將延長(cháng)電池更換之間的使用壽命，并使制造商的傳感器成為市場(chǎng)上成本效益的傳感器。