低功耗物联网无线连接技术方案

　　物联网有望为我们管理家庭和办公室以及与他们互动的方式带来重大变化。预计它还将改变企业提供服务的方式，特别是在商业和工业部门，以前资本密集型设备可以作为出租服务提供给客户。虽然这个概念很容易理解，但对考虑这一点的组织的影响将在很大程度上取决于对许多不同数据元素的持续和可靠的数据收集。对于大量无线连接的基于微控制器的传感器来说，这将是一项工作，许多电池供电并长时间留在原地。提供此类传感器数据将要求设计使用超低功耗无线收发器微控制器，这些微控制器不仅具有极低的待机电流，而且还采用节能技术来延长单个纽扣电池的使用寿命。此类技术可以在硬件或软件或两者的混合中实现，但显然在准备选择单个设备之前，设计人员需要考虑许多其他更广泛的因素。

　　选择的无线协议是关键因素之一。这将主要由一次传输的数据量决定。虽然 Wi-Fi 是移动大量数据的自然选择，但它耗电量大，对于典型的传感应用，它将取决于蓝牙智能和 ZigBee 等方法以及其他 802.15.4 sub-GHz 技术，这些技术将成为首选。在选择器件时，工程师还应了解构成器件整体功耗曲线的各个方面。计算性能和功率分布之间存在平衡。您可能会使用功能更强大的设备来提供更多计算资源，即使它可能会消耗更多功率，只是为了更快地完成计算和传输任务。还，

 

 

　　图 1：超低传感器控制器独立于设备的其余部分运行。

　　德州仪器 （TI） 的SimpleLink CC26xx 器件系列就是提供这种广泛的通信方法选择的器件系列之一。TI CC2650结合了符合 2.4 GHz 蓝牙低功耗 （BLE） v 4.1 标准的无线收发器、ARM Cortex-M3 32 位处理器和超低功耗 16 位传感器控制器器件在 RTC 运行和 RAM 保持时提供低至 1 μA 的待机功耗，在关断模式下可低至 100 nA，可通过外部事件的触发将其唤醒。CoreMark 基准分数为 141.85，CoreMark/MHz 为 2.955（CC2650-7ID 器件在 3.0 V 和 48 MHz 下运行），MCU 在活动模式下消耗 61 μA/MHz，而活动模式发射器电流在 +5 dBm 时为 9.1 mA输出。16 位传感器控制器负责使无线电收发器尽可能长时间地处于睡眠状态。通过与模拟比较器或 ADC 等外部传感器相结合，传感器控制器（图 1）设计为完全自主运行，允许无线电和 32 位 MCU 保持在极节能的待机模式，直到需要它发送数据。这种方法每秒能够执行多达 10 次 ADC 读取，平均消耗小于 3 μA，例如，可以在心率传感器应用中使用。为此，您每秒最多可以执行十次测量，然后同时发送所有十次测量。这种实现节能的硬件方法意味着不必为每次测量唤醒无线电和 MCU，相当于节省了 10 倍的功耗（图 2）。

 

 

　　图 2：在传输数据之前读取传感器 10 次。

　　另一种节省电力的方法是在电源中增加某种程度的能量收集。Silicon Labs的 Si1010 系列超低功耗 sub-GHz 无线微控制器采用了这种方法。Si1012 _例如，使用高速 25 MIPS 8051 MCU 与 EZRadioPro 收发器相结合，可在 0.9 至 3.6 V 范围内工作，在深度睡眠模式下消耗低至 0.1 μA。在保留 RTC 和无线电状态的情况下，它需要大约 1 μA。从深度睡眠中醒来的时间在 2 μs 内。它配备一个 ADC、三个 GPIO 引脚和四个 GP 计数器/定时器，是物联网传感器应用的理想设备。能够从能量收集源供电，预计物联网传感器可以设计为具有 15 年的预期寿命，而无需更换薄膜电池。为了使用这种方法加快设计速度，Silicon Labs 提供了能量收集参考板用于在实践中完全原型化和演示超低功耗传感器设计（图 3）。除 Si1012 器件外，该板还配备了印刷天线、电源管理 IC 和太阳能电池板。

 

 

　　图 3：Silicon Labs 能量收集传感器评估板。

　　当 Si1012 不传输数据时，它可以保持在相当于大约 50 nA 的极低功耗状态。只需 50 勒克斯的光来补偿太阳能电池板的泄漏电流并开始为薄膜电池充电。仅薄膜电池就提供了足够的能量来为无线收发器和传感器供电大约 7 天。室内光通常提供高达 200 勒克斯，而室外条件将提供高达 10，000 勒克斯，足以保持电池充电和供电。图 4 说明了每秒传输数据的示例 IoT 传感器应用程序与能耗的可能占空比。

　　

 

 

　　图 4：Si1012 能耗曲线。

　　管理传感器的节能无线通信也可以是微调软件的工作。这种方法需要随时详细了解 MCU 和无线收发器中正在进行的过程。还应注意，在某些情况下，开发人员还应检查是否应充分利用任何编译器优化选项，例如“优化时间”。代码序列执行得越快，设备保持睡眠模式的时间就越长。IDE 工具链越来越多地提供在调试期间监控能耗的功能，进一步帮助设计具有尽可能小的能耗配置文件。爱特梅尔ATmega256RFR2ZigBee/802.15.4 无线收发器系列就是一个例子，其中一组已发布的软件技术可用于将功耗自适应地降低到正常规定限值以下。该器件将 Atmel 8 位 AVR MCU 内核与专为 ZigBee/802.15.4 使用定制的低功耗 2.4 GHz 收发器相结合，采用 1.8 至 3.6 V DC电源供电，深度睡眠功耗低于 700 nA。MCU 和收发器的最大发送电流为 18.6 mA。图 5 说明了可用模式的不同总功耗。

　　

 

 

　　图 5：Atmel ATmega2564RFR2 无线 MCU 电源/睡眠模式配置文件。

　　Atmel 的智能降低功耗技术应用笔记记录了一组降低功耗 （RPC） 软件技术，它们是独立的、自我校准的自适应功耗降低方案。其中一种方案是PLL节能模式。该模式通过在校准 PLL 后立即自动切换到省电模式来帮助降低功耗。这种方法在应用笔记中有更深入的介绍，可以将器件消耗从 5.2 mA 降低到 450 μA。另一种技术是智能接收技术 （SRT），其中收发器可以在侦听传入数据帧时定期启用和禁用。根据环境条件、数据流量和信道噪声，SRT 模式可节省高达 50% 的电流消耗，

　　物联网的好处将依赖于无数电池供电的无线传感器，这些传感器通常部署在偏远地区或大型工厂内难以进入的位置。当您考虑定期访问该地点的时间时，更换便宜的纽扣电池的成本要高得多，更不用说在此期间它可能对物联网分析和控制系统造成破坏。

　　实施节能技术（无论是硬件、软件还是两者兼而有之）所花费的时间将延长电池更换之间的使用寿命，并使制造商的传感器成为市场上最具成本效益的传感器。