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如何高效的实现物联网应用的无线连接

出处:电子发烧友 发布于:2019-03-27 13:51:12 | 3523 次阅读

  物联网承诺为我们管理家庭和办公室并与之互动的方式带来重大变化。此外,预计还将改变企业提供服务的方式,特别是在商业和工业部门,以前可以将资本密集型设备作为服务提供给客户。虽然这个概念很容易理解,但考虑到这一点的组织的影响将在很大程度上取决于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传感器来说,这将是一项工作,许多电池操作并长时间保留在原位。提供这样的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,其不仅具有极低功率的待机电流,而且还采用节能技术来延长单个纽扣电池的工作寿命。这些技术可以用硬件或软件或两者的混合来实现,但很明显,在准备选择单个设备之前,设计师还需要考虑许多其他更广泛的因素。
  其中一个关键因素将是所选的无线协议。这主要是由一次传输的数据量决定的。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而言,它将采用蓝牙智能和ZigBee等方法以及其他802.15.4 sub-GHz技术。首选。在选择器件时,工程师还应了解构成器件总体功耗曲线的各个方面。计算性能和功率配置文件之间存在平衡。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,以便更快地完成计算和传输任务。此外,不要忘记一些通信堆栈要求无线电设备在给定数据包的运行时间更长,因此不仅仅是组合无线MCU的耗电量。
  

  图1:超低传感器控制器独立于器件的其余部分运行。
  德州仪器的SimpleLink CC26xx器件系列提供了多种通信方法选择。 TI CC2650器件结合了2.4 GHz蓝牙低功耗(BLE)v 4.1兼容无线收发器,ARM Cortex-M3 32位处理器和超低功耗16位传感器控制器,可提供低至2的待机功耗RTC运行和RAM保持时为1μA,在关断模式下低至100 nA,可通过外部事件触发唤醒。 CoreMark基准评分为141.85,CoreMark/MHz为2.955(CC2650-7ID设备运行在3.0 V和48 MHz),MCU在工作模式下消耗61μA/MHz,而有源模式发送器电流为9.1 mA,+ 5 dBm输出。 16位传感器控制器负责尽可能长时间地使无线电收发器保持睡眠状态。通过与模拟比较器或ADC等外部传感器相结合,图1中的传感器控制器设计为完全自主运行,允许无线电和32位MCU保持极其高效的待机模式,直到需要它为止发送数据。能够每秒执行多达10次ADC读取,平均功耗小于3μA,这种方法可用于例如心率传感器应用。为此,您可以每秒执行多达十次测量,然后同时发送所有十个测量值。这种实现节能的硬件方法意味着无需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。
  节省电力的另一种方法是在电源中增加一定程度的能量收集。 Silicon Labs采用这种方法,采用Si1010系列超低功耗sub-GHz无线微控制器。例如,Si1012采用高速25 MIPS 8051 MCU和EZRadioPro收发器,可在0.9至3.6 V范围内工作,在深度睡眠模式下功耗低至0.1μA。保留RTC和无线电状态需要大约1μA。深度睡眠唤醒时间在2μs以内。它配备了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器件。能够从能量收集源供电,期望物联网传感器可以设计具有15年的预期寿命,而无需更换薄膜电池。为了加快使用这种方法的设计,Silicon Labs提供了一个能量收集参考板,用于在实践中完全原型化并演示超低功耗传感器设计(图3)。除了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。只需要50勒克斯的光来补偿太阳能电池板漏电流并开始为薄膜电池充电。仅薄膜电池就能为无线收发器和传感器提供足够的能量大约七天。室内灯通常提供高达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提供电力。图4显示了每秒传输数据的示例IoT传感器应用的可能占空比与能耗。
 

  图4:能耗曲线Si1012。/p>
  管理传感器的节能无线通信也可以成为精细调整软件的工作。这种方法需要随时详细了解MCU和无线收发器内正在进行的过程。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”。可以更快地执行一系列代码,设备可以保持在睡眠模式的时间越长。 IDE工具链越来越多地提供在调试期间监视能耗的功能,进一步帮助设计尽可能地降低能耗。 Atmel ATmega256RFR2系列ZigBee/802.15.4无线收发器就是一个例子,其中提供了一套已发布的软件技术,旨在自适应地降低功耗低于正常规定的限值。该器件采用Atmel 8位AVR MCU内核和专为ZigBee/802.15.4设计的低功耗2.4 GHz收发器,采用1.8至3.6 VDC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显示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智能降低功耗技术应用笔记记录了一组降低的功耗消耗(RPC)软件技术是独立的,自校准的自适应功率降低方案。其中一种方案是PLL节能模式。此模式有助于在PLL校准后立即自动切换到省电模式,从而降低功耗。在应用笔记中更深入地记录了这种方法,可以将器件功耗从5.2 mA降低到450μA。另一种技术是智能接收技术(SRT),其中可以在监听输入数据帧的同时周期性地启用和禁用收发器。根据环境条件,数据流量和信道噪声,SRT模式可以节省高达50%的电流消耗,但这会导致少量的灵敏度损失。
  物联网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难以进入大型工厂内的位置。当您考虑定期访问该位置时,更换廉价纽扣电池的成本会大大增加,更不用说在此期间可能对物联网分析和控制系统造成的干扰。
  实施节能技术的时间,无论是硬件,软件还是两者的混合,都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。

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