低功耗無線傳感器網絡的實現過程探討

背景

　　全球對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絡的發展。這種新一代網絡正在不斷發展以用于工業和控制應用中基于傳感器的遠程系統；此外它也促使更多應用更好地使用無需任何網絡電纜或電源線的真正無線解決方案。

　　用于監視和控制的基于傳感器網絡并非新概念，現有技術可實現有線和專有無線系統。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用。

　　如今，采用僅需極少功耗的設計，可使開發這些類型的無線系統成為可能。新一代無線網絡可依靠其電池工作更長時間，并且在應用的生命周期中僅需很少或者根本無需維護。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點中電池的預期壽命。

　　功耗管理功能

　　那么，什么是低功耗呢？在繼續之前，讓我們首先討論一些術語。能量與所做功的總量相關，而功率測量的是做功的速率（單位時間使用的能量）。在電學中，能量 = 功率×時間，功率 =電壓×電流。因而，我們所要關注的關鍵系統參數為電壓、電流和時間。具體來說，就是我的應用在多大電壓下運行，要消耗多少電流，以及要運行多久？

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

　　功耗模式

　　根據處理需求，應用具有一組顯著不同的預設工作模式。嵌入式單片機可利用其眾多外設中的一個來采樣來自周圍環境的信號。在外設收集到一定數量的采樣之前，單片機可能無其他事要做。那么單片機可能會在每次數據采樣之間休眠或進入超低功耗待機模式。一旦應用程序讀到了足夠多的數據采樣，單片機即可輕松切換至全速運行模式，此時單片機被喚醒并以最大工作速度運行。

　　單片機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引腳電平翻轉等外部激勵信號或諸如定時器外設產生的中斷事件等內部處理器活動觸發。單片機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。典型的功耗模式如下：

　　●始終運行模式

　　●休眠或待機模式，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，以最大程度節省功耗 .

　　始終運行模式

　　始終運行模式嵌入式系統由持續供電且處于運行狀態的器件構成。這些系統的平均功耗需求極有可能在亞毫安范圍內，從而直接限制了單片機所能達到的處理性能。幸運的是，新一代嵌入式單片機具有動態控制其時鐘切換頻率的功能，因為在無需較高計算能力的情況下，有助于減少工作電流消耗。

　　待機模式

　　在待機模式下，系統工作或處于低功耗非活動模式。在這些系統中，工作和待機電流消耗都非常重要。在大多數待機模式系統中，由于保持對單片機存儲器通電，雖然電流消耗顯著減少，但仍可保持所有的內部狀態及存儲器內容。此外，可在數秒內喚醒單片機。通常，此類系統在大

　　多數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對時間要求極高的事件。保持對存儲器的供電有助于保持軟件參數完整性以及應用程序軟件的當前狀態。從功耗模式退出的典型啟動時間通常在 5 -10 μs范圍內。

　　深度休眠模式

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

　　在這些超低功耗模式系統中，電池的壽命通常由電路中其他元件消耗的電流決定。因此，應注意不僅要關注單片機消耗的電流，而且要關注 PCB（印刷電路板）上其他元件消耗的電流。例如，可能的話，設計人員可使用陶瓷電容來替代鉭電容，因為后者的漏電流通常較高。設計人員還可以決定在應用處于低功耗狀態下給哪些其他電路供電。

　　利用功耗模式的優勢

　　接下來，考慮一種具有代表性的情形，在這種情況下，選擇不同單片機功耗模式對系統所用總功率有巨大影響。以基本遠程溫度傳感器為例，該應用收集較長時間段內的數據，可能運用較為成熟的噪聲濾波算法對數據進行處理，然后將單片機重新置于待機模式，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。

　　對溫度進行采樣需要使用MCU的片上模數轉換器（ADC），并且僅需適當的處理能力。 在噪聲濾波階段，單片機必須采用處理能力較高的模式來計算高級濾波算法，并盡快將結果存回存儲器。因此，單片機運行并消耗功率的總時間縮短了。

　　每隔一段預定的時間間隔，單片機就會組合所有的采樣結果并采用RF收發器設備發送至中央控制臺。需要精確時序來確保無線傳感器在預先分配的時隙內發送這一信息，從而允許同一系統中的多個無線傳感器節點協同工作。

　　我們如何管理喚醒處理器的頻率呢？通過配合使用定時器外設和集成32 kHz振蕩器電路，單片機能很精確地每秒產生一次中斷，從而保證喚醒時間準確。此中斷事件還可以使單片機按預定的時間表向采樣緩沖區填充溫度數據。

　　單片機填充完溫度采樣緩沖區后，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。單片機采用同樣的實時時鐘功能來決定將捕捉到的采樣數據發送回中央控制臺的時間。確定單片機的最佳功耗模式以使總電流消耗最低取決于多個因素，下文將對此進行討論。