低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

全球?qū)?ldquo;綠色”科技和能源使用效率的需求推動著新一代超低功耗無線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。這種新一代網(wǎng)絡(luò)正在不斷發(fā)展以用于工業(yè)和控制應(yīng)用中基于傳感器的遠(yuǎn)程系統(tǒng)；此外，它也促使更多應(yīng)用更好地使用無須任何網(wǎng)絡(luò)電纜或電源線的真正無線解決方案。

用于監(jiān)視和控制的基于傳感器網(wǎng)絡(luò)并非新概念，現(xiàn)有技術(shù)可實(shí)現(xiàn)有線和專有無線系統(tǒng)。由于有線方案廉價又簡便，因而得以廣泛使用；無線方案，與之相對，僅限用于一些特定的應(yīng)用。

如今，采用僅需極少功耗的設(shè)計，可使開發(fā)這些類型的無線系統(tǒng)成為可能。新一代無線網(wǎng)絡(luò)可依靠其電池工作更長時間，并且在應(yīng)用的生命周期中僅需很少或者根本無須維護(hù)。未來，能量收集甚至可以提供所需能源，而不再需要電池。.

本文將著重介紹新一代嵌入式單片機(jī)所具有的各種超低功耗控制功能，以及工程師如何利用這些功能延長無線傳感器節(jié)點(diǎn)中電池的預(yù)期壽命。

功耗管理功能
那么，什么是“低功耗”呢？在繼續(xù)之前，讓我們首先討論一些術(shù)語。“能量”與所做功的總量相關(guān)，而“功率”測量的是做功的速率（單位時間使用的能量）。在電子學(xué)中，能量=功率×時間，功率=電壓×電流。因而，我們所要關(guān)注的關(guān)鍵系統(tǒng)參數(shù)為電壓、電流和時間。具體來說，就是應(yīng)用在多大電壓下運(yùn)行，要消耗多少電流，以及要運(yùn)行多久？

從單片機(jī)的角度來研究這一問題，我們首先需要探討新型單片機(jī)的各種功耗模式。

1 功耗模式
根據(jù)處理需求，應(yīng)用具有一組顯著不同的預(yù)設(shè)工作模式。嵌入式單片機(jī)可利用其眾多外設(shè)中的一個來采樣周圍環(huán)境的信號。在外設(shè)收集到一定數(shù)量的采樣之前，單片機(jī)可能無其他事要做。那么，單片機(jī)可能會在每次數(shù)據(jù)采樣之間“休眠”或進(jìn)入超低功耗待機(jī)模式。一旦應(yīng)用程序讀到了足夠多的數(shù)據(jù)采樣，單片機(jī)即可輕松切換至“全速運(yùn)行”模式，此時單片機(jī)被喚醒并以最大工作速度運(yùn)行。

單片機(jī)通常會接收到某種類型的喚醒事件，才會從各種低功耗模式中退出。喚醒事件可由諸如I/O引腳電平翻轉(zhuǎn)等外部激勵信號或諸如定時器外設(shè)產(chǎn)生的中斷事件等內(nèi)部處理器活動觸發(fā)。單片機(jī)所支持的具體功耗模式有所不同，但通常各種功耗模式總有一些共同點(diǎn)。典型的功耗模式如下：

● “始終運(yùn)行”模式

● “休眠”或“待機(jī)”模式，此時保持對存儲器供電

● “深睡”或“深度休眠”模式，此時存儲器斷電，以最大程度節(jié)省功耗。

2 “始終運(yùn)行”模式
“始終運(yùn)行”模式嵌入式系統(tǒng)由持續(xù)供電且處于運(yùn)行狀態(tài)的器件構(gòu)成。這些系統(tǒng)的平均功耗需求極有可能在亞毫安范圍內(nèi)，從而直接限制了單片機(jī)所能達(dá)到的處理性能。幸運(yùn)的是，新一代嵌入式單片機(jī)具有動態(tài)控制其時鐘切換頻率的功能，因?yàn)樵跓o須較高計算能力的情況下，有助于減少工作電流消耗。

3  待機(jī)模式
在“待機(jī)”模式下，系統(tǒng)工作或處于低功耗非活動模式。在這些系統(tǒng)中，工作和待機(jī)電流消耗都非常重要。在大多數(shù)待機(jī)模式系統(tǒng)中，由于保持對單片機(jī)存儲器通電，雖然電流消耗顯著減少，但仍可保持所有的內(nèi)部狀態(tài)及存儲器內(nèi)容。此外，可在數(shù)秒內(nèi)喚醒單片機(jī)。通常，此類系統(tǒng)在大多數(shù)時間處于低功耗模式，但仍需具備快速啟動能力來捕捉外部或?qū)r間要求極高的事件。保持對存儲器的供電有助于保持軟件參數(shù)完整性以及應(yīng)用程序軟件的當(dāng)前狀態(tài)。從功耗模式退出的典型啟動時間通常在5～10μs范圍內(nèi)。

4  深度休眠模式
在深度休眠或“深睡”模式系統(tǒng)中，系統(tǒng)全速運(yùn)行或處于可大幅節(jié)省功耗的“深度休眠”模式。由于該模式通過完全關(guān)斷嵌入式單片機(jī)內(nèi)核（包括片上存儲器）來最大程度節(jié)省能耗，因而尤為引人注目。由于在該模式下存儲器斷電，因此必須在進(jìn)入深度休眠模式前將關(guān)鍵信息寫入非易失性存儲器。該模式使單片機(jī)的功耗降至絕對最小值，有時低至20nA。此外，喚醒單片機(jī)后需重新初始化所有存儲器參數(shù)，這樣會延長喚醒反應(yīng)總時間。從該模式退出的典型啟動時間通常在200～300μs范圍內(nèi)。

在這些超低功耗模式系統(tǒng)中，電池的壽命通常由電路中其他元件消耗的電流決定。因此，應(yīng)注意不僅要關(guān)注單片機(jī)消耗的電流，而且要關(guān)注PCB（印刷電路板）上其他元件消耗的電流。例如，如果可能，設(shè)計人員可使用陶瓷電容來替代鉭電容，因?yàn)楹笳叩穆╇娏魍ǔ］^高。設(shè)計人員還可以決定在應(yīng)用處于低功耗狀態(tài)下給哪些其他電路供電。

利用功耗模式的優(yōu)勢
接下來，考慮一種具有代表性的情形，在這種情況下，選擇不同單片機(jī)功耗模式對系統(tǒng)所用總功率有巨大影響。以基本遠(yuǎn)程溫度傳感器為例，該應(yīng)用收集較長時間段內(nèi)的數(shù)據(jù)，可能運(yùn)用較為成熟的噪聲濾波算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后將單片機(jī)重新置于待機(jī)模式，直到需要更多采樣測量為止。它還采用無線射頻（RF）傳輸方式將溫度信息報告給中央控制臺。

對溫度進(jìn)行采樣需要使用MCU的片上模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），并且僅需適當(dāng)?shù)奶幚砟芰?。在噪聲濾波階段，單片機(jī)必須采用處理能力較高的模式來計算高級濾波算法，并盡快將結(jié)果存回存儲器。因此，單片機(jī)運(yùn)行并消耗功率的總時間縮短了。

每隔一段預(yù)定的時間間隔，單片機(jī)就會組合所有的采樣結(jié)果并采用RF收發(fā)器設(shè)備發(fā)送至中央控制臺。需要精確時序來確保無線傳感器在預(yù)先分配的時隙內(nèi)發(fā)送這一信息，從而允許同一系統(tǒng)中的多個無線傳感器節(jié)點(diǎn)協(xié)同工作。

我們?nèi)绾喂芾韱拘烟幚砥鞯念l率呢？通過配合使用定時器外設(shè)和集成32 kHz振蕩器電路，單片機(jī)能很精確地每秒產(chǎn)生一次中斷，從而保證喚醒時間準(zhǔn)確。此中斷事件還可以使單片機(jī)按預(yù)定的時間表向采樣緩沖區(qū)填充溫度數(shù)據(jù)。

單片機(jī)填充完溫度采樣緩沖區(qū)后，它將切換至處理器速度較高的模式，完成較為成熟的噪聲濾波算法計算，然后盡快返回休眠模式，以縮短工作時間。單片機(jī)采用同樣的實(shí)時時鐘功能來決定將捕捉到的采樣數(shù)據(jù)發(fā)送回中央控制臺的時間。確定單片機(jī)的最優(yōu)功耗模式以使總電流消耗最低取決于多個因素，下文將對此進(jìn)行討論。

在低功耗應(yīng)用中優(yōu)化功耗
要使總功耗最低，僅選擇單片機(jī)功耗最低的模式是不夠的。我們還必須確定單片機(jī)需要完成的每個任務(wù)的工作量——例如，采樣外部溫度傳感器。一旦確定每個任務(wù)的性能需求，我們還必須確定每個任務(wù)的最優(yōu)能源利用率。對于前面提到的公式：能量=時間×電壓×電流，由于系統(tǒng)總體需求和實(shí)際電源決定電壓值，因此我們通常無法改變公式中的電壓，這樣我們只能操作兩個參數(shù)：時間和電流。我們需要權(quán)衡單片機(jī)的工作時間和電流消耗。下面將探討在執(zhí)行上述分析時要切記的一些特定于單片機(jī)的參數(shù)。

處理器喚醒
將單片機(jī)置于低功耗模式后，有一些外部源可將其喚醒。喚醒事件可通過USB事件、實(shí)時時鐘事件，甚至是I/O引腳上的外部觸發(fā)信號發(fā)生。單片機(jī)從低功耗“休眠”模式喚醒并開始執(zhí)行代碼的時間非常重要。通常，我們努力使這個時間盡可能短，這也是我們之所以要在“休眠”和“深度休眠”工作模式之間選擇的原因。若每秒喚醒一次單片機(jī)，由于從“休眠”模式喚醒時，單片機(jī)可在10μs內(nèi)開始執(zhí)行代碼，而無須首先初始化任何軟件存儲單元，因而該模式可能是最優(yōu)選擇。若單片機(jī)處于低功耗狀態(tài)的時間較長——例如，數(shù)分鐘甚至數(shù)小時才喚醒一次，則“深度休眠”模式可能是最優(yōu)選擇。關(guān)鍵是要使單片機(jī)的總電流消耗最小。如果單片機(jī)處于低功耗關(guān)斷模式的時間較長，那么300μs 的喚醒時間與數(shù)分鐘或數(shù)小時的深度休眠時間相比就微不足道了。

系統(tǒng)級喚醒事件的另一個絕佳示例，可采用通過串行接口連接到處理器的外部RF芯片進(jìn)行演示。不使用處理器時，可將其置于某個低功耗狀態(tài)下，僅保持RF芯片運(yùn)行。由于新一代RF芯片的邏輯僅負(fù)責(zé)查找進(jìn)入的RF數(shù)據(jù)包，因此在工作狀態(tài)下消耗的電流很小。一旦接收到與所分配給該單元的地址相關(guān)的有效數(shù)據(jù)包，就將喚醒單片機(jī)開始處理信息。此類功耗模式機(jī)制較常用于基于射頻網(wǎng)絡(luò)的解決方案中，諸如那些基于ZigBee無線協(xié)議的解決方案。

時鐘頻率
單片機(jī)從外部或內(nèi)部時鐘源獲取系統(tǒng)時鐘頻率。單片機(jī)采用該時鐘頻率并將其分頻以得到應(yīng)用程序軟件所需的工作時鐘頻率。較低的頻率通常等同于較低的功耗。有時，單片機(jī)還可以采用鎖相環(huán)將外部時鐘頻率倍頻。外部時鐘信號通常來自晶振或稱為晶體振蕩器。

當(dāng)器件進(jìn)入低功耗模式時，單片機(jī)還可以禁止輸入晶體放大器電路，這樣也許可節(jié)省幾毫安的電流，但會以恢復(fù)正常工作狀態(tài)時延長振蕩器的導(dǎo)通時間（由于外部晶振的起振延時）為代價。然而，有些單片機(jī)具有采用雙速啟動模式的能力，在這種模式下，單片機(jī)將使用內(nèi)部振蕩器立即開始運(yùn)行，并在更精確的外部時鐘源有足夠時間穩(wěn)定后，自動切換至外部時鐘源。

單片機(jī)控制自身時鐘頻率的能力允許軟件工程師在保證總電流消耗最少的情況下，選擇適合于特定任務(wù)的時鐘速度。因此，工程師需要評估能量公式中的時間×電流元素，以確定哪種方案比較好：在較短時間段內(nèi)全速運(yùn)行，在較長時間段內(nèi)較慢運(yùn)行，或者選個中間速度。

實(shí)時時鐘
在本文所述的遠(yuǎn)程無線傳感器應(yīng)用示例中，系統(tǒng)需要保持精確的時間觀念。除了系統(tǒng)時鐘外，還可采用實(shí)時時鐘和日歷（RTCC）外設(shè)輕松實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。RTCC的主要功能是跟蹤日期和時間。在本文的情形中，RTCC對于控制功耗模式非常有用。RTCC還有助于單片機(jī)安排精確的喚醒事件、觸發(fā)采樣測量或發(fā)起與中央控制臺的RF同步。

在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)RTCC有多種方法?？蓪Ｓ肦TCC芯片連接至單片機(jī)；采用集成32kHz晶振及基本計時軟件；以及使用單片機(jī)內(nèi)的專用RTCC外設(shè)。對系統(tǒng)成本的限制通常第一時間就排除了第一種選擇。對后兩種的選擇通常由單片機(jī)應(yīng)用的其他需求以及一定程度的成本限制決定。本次討論將采用第二種方法，即32kHz振蕩器與一些非?；镜能浖?。

外部32kHz晶振驅(qū)動電路與16位定時器配合使用，來每秒喚醒一次處理器。每秒喚醒一次處理器來更新RTCC定時器，也可能測量當(dāng)前溫度，然后處理器返回到相應(yīng)的低功耗模式。此方法提供了一種“導(dǎo)通”占空比非常小的機(jī)制，器件運(yùn)行的大多數(shù)時間僅消耗600nA的電流。

構(gòu)建RF無線傳感節(jié)點(diǎn)
高集成度的單芯片通用ISM帶寬FSK收發(fā)器解決方案與低功耗單片機(jī)配合工作，簡化了無線傳感應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)。在本例中，單片機(jī)采用SPI接口作為與射頻設(shè)備連接的串行通信端口。還要使用單片機(jī)來初始化收發(fā)器設(shè)備的射頻配置設(shè)置。配置完成后，收發(fā)器設(shè)備將通過來自單片機(jī)的非常基本的串行命令完成大多數(shù)RF數(shù)據(jù)發(fā)送和接收操作。簡單地組合這兩種技術(shù)，即可構(gòu)建一種基本網(wǎng)絡(luò)，遠(yuǎn)程監(jiān)視各種數(shù)字或模擬無線傳感器節(jié)點(diǎn)，如本文中的遠(yuǎn)程溫度傳感器。

考慮無線系統(tǒng)的總功耗預(yù)算，我們最關(guān)注的數(shù)據(jù)手冊參數(shù)為射頻系統(tǒng)的發(fā)送功耗、接收功耗、待機(jī)功耗以及啟動時間。了解了這些參數(shù)后，我們將能確定系統(tǒng)通過無線RF通道發(fā)送和接收數(shù)據(jù)所消耗的電流。開發(fā)RF解決方案時還需注意的關(guān)鍵因素還有發(fā)送的數(shù)據(jù)長度和安全性。以下部分將簡要說明這兩個因素。

RF發(fā)送時間
常常被忽視的一個重要參數(shù)是需要發(fā)送的RF數(shù)據(jù)包的長度。事實(shí)上，RF發(fā)送時間對無線解決方案的性能、質(zhì)量和功耗影響很大。較短的數(shù)據(jù)包有助于減少對電源的能源需求，甚至可以縮小電池體積。在定義新的低功耗RF協(xié)議時，必須牢記這一點(diǎn)。

我們已針對無線溫度傳感器設(shè)計，評估了當(dāng)今可用的各種RF通信協(xié)議。諸如ZigBee、ZigBee Pro、Microchip的MiWi和MiWi P2P（點(diǎn)對點(diǎn)）協(xié)議均已一一評估。由于本應(yīng)用的低功耗需求，我們決定采用非?；镜臅r分多址（Time Divisional Multi Access，TDMA）時間片協(xié)議機(jī)制。

通過在RF數(shù)據(jù)幀中分配預(yù)定義時隙并使用第一個時隙作為中央單片機(jī)發(fā)送的幀起始標(biāo)記，即可方便地確保整個傳感器監(jiān)視系統(tǒng)的精確時序，同時降低功耗。采用這種基本時間片機(jī)制，單片機(jī)和RF收發(fā)器可在生命周期的大多數(shù)時間內(nèi)處于低功耗待機(jī)模式。

安全性
意識到無線網(wǎng)絡(luò)所涉及的安全性問題，大多數(shù)RF系統(tǒng)均采用了強(qiáng)大的算法來保護(hù)其數(shù)據(jù)。具有128位密鑰的高級加密標(biāo)準(zhǔn)（Advanced Encryption Standard，AES）確保了數(shù)據(jù)完整性以及系統(tǒng)抵抗黑客的能力，這兩者對于商業(yè)應(yīng)用至關(guān)重要?？赏ㄟ^軟件實(shí)現(xiàn)AES安全性。對于需要使工作時間最短的無線傳感器節(jié)點(diǎn)，能夠盡快執(zhí)行AES計算非常重要，因?yàn)楣?jié)點(diǎn)工作時的功耗最大。單片機(jī)可按需動態(tài)更改處理功耗以幫助實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)。別說是電池供電設(shè)備就是采用有線電源的系統(tǒng)，要使AES計算盡可能快也同樣是不爭的事實(shí)。功耗對所有系統(tǒng)（有線或無線）的溫度、體積及成本均有影響。

系統(tǒng)成本
眾所周知，系統(tǒng)的總成本在設(shè)計任何系統(tǒng)（如無線溫度傳感器）的過程中始終起著非常重要的作用。確定無線單片機(jī)成本的關(guān)鍵因素是所需程序和數(shù)據(jù)存儲區(qū)的數(shù)量。傳感器網(wǎng)絡(luò)和相關(guān)產(chǎn)品的開發(fā)人員希望采用存儲空間最優(yōu)的一系列單片機(jī)來滿足應(yīng)用程序的需求。開發(fā)基于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層（如ZigBee）的較大應(yīng)用程序時，需要較大的存儲空間——在有些情況下，大于250KB。若要實(shí)現(xiàn)較為簡單的傳輸協(xié)議，尤其是在對成本極度敏感的設(shè)計中，可使用單片機(jī)的許多功耗控制功能來最大程度降低成本和功耗。

硬件/軟件
本文中的設(shè)計示例組合使用了一片高集成度通用ISM帶寬FSK收發(fā)器芯片和一片超低功耗單片機(jī)。超低功耗PIC16LF1827單片機(jī)用在傳感器單元中，用于每秒測量一次模擬溫度傳感器，將結(jié)果存入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，運(yùn)行復(fù)雜的噪聲濾波算法，然后采用RF收發(fā)器發(fā)送結(jié)果數(shù)據(jù)。出于安全性考慮，此信息采用AES算法保護(hù)并在已分配的預(yù)定時隙內(nèi)發(fā)送。此外，單片機(jī)在上電后初始化RF收發(fā)器射頻配置設(shè)置，并按需控制射頻設(shè)備的功耗模式。

結(jié)論
本文探討了輕松實(shí)現(xiàn)非?；镜牡凸?strong>無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的過程。更好地理解超低功耗單片機(jī)的各種功耗管理功能，有助于系統(tǒng)工程師開發(fā)“綠色”無線解決方案。