低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)過程探討

背景

　　全球?qū)?quot;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)用更好地使用無需任何網(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(jià)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(jì)，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(shí)間，并且在應(yīng)用的生命周期中僅需很少或者根本無需維護(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(shí)間使用的能量）。在電學(xué)中，能量 = 功率×時(shí)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(shí)間。具體來說，就是我的應(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。

　　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(gè)來采樣來自周圍環(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(shí)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退出。喚醒事件可由諸如I/O引腳電平翻轉(zhuǎn)等外部激勵(lì)信號或諸如定時(shí)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(shí)保持對存儲器供電

　　●"深睡"或"深度休眠"模式，此時(shí)存儲器斷電，以最大程度節(jié)省功耗 .

　　"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(shí)鐘切換頻率的功能，因?yàn)樵跓o需較高計(jì)算能力的情況下，有助于減少工作電流消耗。

　　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(shí)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(shí)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(shí)間通常在 5 -10 μs范圍內(nèi)。

　　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(shí)低至 20 nA.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(shí)間。從該模式退出的典型啟動時(shí)間通常在 200 - 300 μs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，可能的話，設(shè)計(jì)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(jì)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(shí)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(bào)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Α?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(jì)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(shí)間縮短了。

　　每隔一段預(yù)定的時(shí)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(shí)序來確保無線傳感器在預(yù)先分配的時(shí)隙內(nèi)發(fā)送這一信息，從而允許同一系統(tǒng)中的多個(gè)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(shí)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(shí)間準(zhǔn)確。此中斷事件還可以使單片機(jī)按預(yù)定的時(shí)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(jì)算，然后盡快返回休眠模式，以縮短工作時(shí)間。單片機(jī)采用同樣的實(shí)時(shí)時(shí)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(shí)間。確定單片機(jī)的最佳功耗模式以使總電流消耗最低取決于多個(gè)因素，下文將對此進(jìn)行討論。