使用电池供电的传感器 通过无线网络与物联网通信来监测事件

佚名 发表于 2018-02-06 09:10:55 收藏 已收藏
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使用电池供电的传感器 通过无线网络与物联网通信来监测事件

佚名 发表于 2018-02-06 09:10:55

物联网(IoT)正在将现实世界里的“模拟”事件转换成网络的行动和反应,连在网络中的物联网节点能够监测模拟事件,并且在需要报告的事件发生时,将其进行转化后通过互联网报告给应用程序,以完成相应的任务。其中最突出的物联网应用类别是使用电池供电的传感器,它们被放置在没有电线的区域来监测事件,并通过无线网络与物联网通信。大多数情况下,这些产品是始终开启的、由电池操作的无线传感器,支持无线协议、一个 MCU 和至少一个模拟传感器。

面临的挑战是在单一电池或一次充电的情况下,如何将产品足以感知环境的续航时间最大化。该挑战可细化为以下方面:

根据应用程序要求,胜任实时感知任务;

完成传感器测量,同时尽可能少地使用能源;

保持“周期性工作”MCU外围设备,并让CPU内核尽可能多地处于睡眠状态。

在这种应用中,很多MCU的典型做法是唤醒MCU内核然后使用各种外设去完成传感器测量(图1)。当有事件(例如开门)需要报告时,MCU 进行了报告并返回至其周期性工作规律流程中。这将消耗大量电能,且不能使电池巡航时间最大化,因为运行的“整个 MCU”中,包括很多外围设备和无关内核运转都在消耗电能。

实际上,这种方法很可能导致较差的客户体验:客户将设备置于其环境中,将其设置在网络上并启用,但几个月之后,设备就因为较差的电池电源管理能力而停止工作。

使用电池供电的传感器 通过无线网络与物联网通信来监测事件

图 1:CPU 在每次测量中都进行查询并保持活跃,从而导致较高电能消耗。

物联网应用理想的电池供电、无线传感器节点解决方案

最佳解决方案将应对以上所述挑战中的每一个方面,可在电池一次充电的情况下将产品完成环境感测的工作时间最大化。

考虑到以上情况,电池供电的物联网传感器设备应提供:

自主而节能的传感器管理和测量系统;

可对每个传感器进行独立配置的传感器输入/输出、阈值和配置;

低功耗、可配置的逻辑引擎,仅当绝对需要时才会唤醒 MCU;

用以为多次测量提供缓存的低功耗内存,并延长 CPU 唤醒间隔时间;

低无线功耗。

Silicon Labs Gecko低功耗传感器接口(LESENSE)

几年前,Silicon Labs 就预见到电池供电的无线传感器应用的重要性。自此,我们对低能耗的无线、MCU 和传感器技术进行了大规模的投入。我们的Gecko MCU具有节能型的架构,并提供几种关键系统,使其能更有效率地运作,其续航时间也长于其他 MCU。

Gecko和Wireless Gecko (以下合称“Gecko MCU”)使用低功耗传感器接口(LESENSE)、外围设备反射系统(PRS)和其他低功耗技术,可以在极低的功耗水平下运作,而同时内核与 MCU的大部分仍处于深度睡眠模式。

本文提供了 LESENSE 的简要概述。外设反射系统(PRS)可使外围设备没有内核的干预仍能够周期性的工作,PRS 在节能方面的优势也很重要,这一点将在文末引用的其他资源中进行论述。上述特性结合其他特性就可以节省很多电能。

解决方案要求 对该要求的解释
1.      自主而节能的传感器管理和测量系统 通过使用自主传感器系统,对电源需求较大的内核和其他不必要的外围设备可保持在深度睡眠模式。
2.      可对每个传感器独立配置的传感器输入/输出、阈值和配置 由于每项输入/输出都针对为其所分配的传感器进行独立配置,所以在其他部分进行测量时,甚至传感器系统自身的各个方面也仍处于睡眠状态。
3.      低功耗、可配置的逻辑引擎,仅当绝对需要时才会唤醒 MCU 低功耗专用逻辑可使传感器阈值产生几乎无穷的变化,事件可在不唤醒内核的情况下进行处理,直到需要为止。
4.      低功耗内存可延长 CPU 唤醒间隔时间 专用存储形成了对低功耗逻辑的补充,并使多个事件在不唤醒内核或芯片其他部分的情况下发生。相同的内存可在需要时改善传感器的重新校准。
5.       低功耗无线 Wireless Geckos 提供部分最节能的低功耗 Bluetooth®(简称 BLE)、ZigBee®、Thread 以及市场上的专利无线技术。

对于电池供电的物联网传感器系统的要求

Gecko LESENSE详情

LESENSE是高度可配置传感器接口和系统,可自主连续管理并监控最多 16 个电阻性、电容性或电感性传感器,并同时保持芯片整体处于深度睡眠模式,且内核(CPU)始终保持关闭。

LESENSE包括一个定序器、一个计数和比较器单元、一个可配置译码器,以及用于配置设置和测量结果存储的 RAM。

定序器可以操作低频振荡器,并通过 PRS 处理与其他外围设备的相互作用,并可为传感器的工作周期和测量定时。

计数和比较器单元对来自定序器的脉冲进行计数,并将信息与可配置阈值进行对比。

译码器/状态机接收传感器测量,并根据最多 16 种可配置状态和相关动作采取行动。

LESENSE可配置传感器阈值

当外部事件超过传感器阈值时才唤醒 CPU 并不是一个革命性的概念。本质上,它会将恒定的MCU 工作周期从图 1 中移至单个事件;当模拟事件超过给定阈值时,MCU 苏醒并执行各种行动。

但是,LESENSE 与之不同之处在于,它提供了一个完整的传感器系统,以便管理并监控传感器以及相关的外围设备,而不需要 CPU 的参与,MCU 参与度也为最低。这就是 LESENSE 的基本概念,而附加功能还进一步拓展了概念。

LESENSE也在不唤醒CPU 的情况下对数量可配置的阈值事件进行缓冲。这使得系统能够在一段较长的时间段内监控外部事件。LESENSE 通过自主周期性采集所需的外围设备块(如模拟比较器、低频振荡器和传感器本身),以便完成传感器测量,而 CPU 则保持在深度睡眠模式。

在以下概念图中,LESENSE 被配置为允许传感器 1 超过其可配置阈值两次之后才唤醒CPU。

使用电池供电的传感器 通过无线网络与物联网通信来监测事件

图 2:每个启用 LESENSE 的传感器输入/输出均为独立且可配置的。

LESENSE也提供附加功能,以管理并监控最多 16 个具有唯一阈值的不同传感器。在使用内置低功耗状态机(译码器)时,LESENSE 可在发送中断唤醒 CPU 之前评估几项事件。

在图 3 中,LESENSE 对传感器 2 的事件 1、2 和 3 的测量信息进行缓冲,并在唤醒核心之前将这些信息与传感器 1 的事件 1 和 2 的测量数据相结合。这个简单的使用实例采用LESENSE 的单独配置传感器、低功耗内存和低功耗状态机。

使用电池供电的传感器 通过无线网络与物联网通信来监测事件

图 3:在 CPU 中断之前,多个传感器及唯一配置支持多个事件。

传感器节点从LESENSE缓冲测量中重新校准

由于很多传感器系统在各种不同的环境条件下实施,必须能够在诸如温度、湿度、电源电压、透气性和连接性等参数不断变化的情况下进行可靠的操作。

LESENSE的缓存功能可使 CPU 在被唤醒时重新校准自身多项读数。这样可避免随着情况的变化发生多次重复校准的事件,进一步节约能源并提供更大的系统校准样本集。

总结

LESENSE可使Gecko MCU和无线 MCU监控电阻性、电容性、电感性(和 IR)传感器,同时使能耗较高的内核和大部分MCU 保持深度睡眠模式。LESENSE 能够监控最多 16 个使用小于 1 μA 的传感器并提供可配置的阈值,并提供了可对多个事件进行缓冲的RAM,以及用于可配置唤醒中断的状态机。

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