以一种省电的方式实现物联网应用的无线连接

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楼主 2020-09-18 16:38:32
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  IoT承诺将对我们的家庭和办公室的管理和互动方式做出重大改变。预测还将改变企业提供服务的方式,特别是在商业和工业领域,以前的资本密集型设备可以作为租赁服务交付给客户。虽然这个概念很容易理解,但对一个考虑这一点的组织的影响将很大程度上取决于许多不同数据元素的持续可靠的数据收集。这将是一项由无线连接的微控制器传感器组成的工作,许多电池在长时间内运行和离开原位。提供这样的传感器数据将要求设计使用超低功耗的无线收发微控制器,它不仅具有极低功耗的备用电流,而且还采用了能量保护技术,以延长单个投币单元的使用寿命。这种技术可以在硬件或软件中实现,也可以在两者的混合中实现,但很明显,在准备选择单个设备之前,设计者需要考虑许多其他更广泛的因素。


  其中一个关键因素是选择的无线协议。这将主要取决于每次传输的数据量。虽然Wi-Fi是移动大量数据的自然选择,但它是耗电量大的,而且对于典型的传感应用来说,它将会下降到蓝牙智能和ZigBee等方法,以及其他802.15.4次ghz技术,这将是首选。在选择设备时,工程师还应了解组成设备整体功耗配置的各个方面。在计算性能和功率配置之间有一个平衡。您可能会使用一个更强大的设备,它提供了更多的计算资源,尽管它可能会消耗更多的电力,以便更快地完成计算和传输任务。另外,不要忘记一些通信栈要求广播对给定数据包的运行时间更长,所以这不仅仅是无线单片机的长期消耗。

  超低传感器控制器示意图。

  图1:超低的传感器控制器独立于设备的其余部分。


  这一系列的设备提供了广泛的通讯手段,是德州仪器的SimpleLink CC26xx设备家庭。结合2.4 GHz蓝牙低能量(bie)v 4.1兼容的无线收发器,一只手臂Cortex-M3 32位处理器,和一种超低功耗16位传感器控制器,TI CC2650设备提供了待机功耗降至1μA RTC运行和RAM保留和下降至100 nA在关闭模式,它可以从外部事件触发吵醒了。CoreMark指标得分为141.85分,CoreMark / 2.955 MHz(CC2650-7ID设备运行在3.0 V和48 MHz)单片机消耗61μA / MHz在主动模式而主动模式发射机电流9.1 mA + 5 dBm的输出。16位传感器控制器负责将无线电收发器尽可能长时间保持在睡眠状态。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位单片机保持在极功率有效的待机状态,直到需要发送数据。能够执行10 ADC读取每秒平均消费少于3μA,这种方法可以使用,例如,在一个心率传感器应用程序。为此,你可以每秒钟执行10次测量,然后同时发送所有10次测量。这种实现节能的硬件方法意味着,不必为了每一项测量而唤醒收音机和单片机,就等同于10倍的电力消耗(图2)。

  读数传感器图10次。

  图2:在通信数据之前,读取传感器10次。

  另一种节约能源的方法是在电力供应中加入一定程度的能源。硅实验室已经采取了这种方法,它的Si1010系列超低功耗的次ghz无线微控制器。Si1012,例如,使用一个高速25 MIPS 8051单片机加上EZRadioPro收发器,可以操作从0.9到3.6 V和消耗降至0.1μA处于深度睡眠模式。RTC和保留它需要大约1μA广播状态。在2μs醒来从深度睡眠。它配备了ADC, 3个GPIO插脚和4个GP计数器/定时器,它是一个理想的设备用于IoT传感器应用。它的动力来自于从能源获取的能源,预期是一个IoT传感器可以设计15年的预期寿命而不需要更换薄膜电池。速度设计使用这种方法,硅实验室供应能量采集参考板是完全原型并演示一种超低功耗传感器设计在实践中(图3)。除了Si1012设备,配有印刷天线,电源管理集成电路和太阳能电池板。

  硅实验室能量采集传感器评价板的图像。

  图3:硅实验室能量采集传感器评估板。


  当Si1012不传输数据时,它可以保持在极低功率状态,相当于大约50 nA。为了补偿太阳能电池板泄漏电流并开始对薄膜电池充电,需要50勒克斯的光。仅薄膜电池就能提供足够的能量来为无线收发器和传感器供电大约7天。室内照明通常可提供多达200个lux,而户外条件则可提供多达10,000个lux,这足以使电池保持充电和供电。图4说明了一个示例物联网传感器应用程序在每秒钟传输数据时的可能的工作周期。

  硅实验室Si1012能量消耗剖面图。

  图4:能源消耗概况Si1012。

  管理一个传感器的高效的无线通信也可以是一项出色的软件工作。这种方法需要详细了解MCU和无线收发器在任何时间内进行的过程。还应该注意到,在某些情况下,开发人员还应该检查任何编译器优化选项,如“优化时间”,应该充分利用。可以执行的代码序列越快,就可以在睡眠模式中保存更多的时间。IDE工具链越来越多地提供在调试过程中监控能源消耗的功能,进一步帮助设计尽可能地减少能耗。ZigBee/802.15.4无线收发器的Atmel ATmega256RFR2系列是一个例子,其中一组已发布的软件技术可以在正常指定的限制下自适应地降低功耗。该设备结合Atmel 8位AVR单片机核心与低功耗2.4 GHz无线电收发器为ZigBee/802.15.4使用,该设备运行从1.8到3.6 VDC电源,深度睡眠电流消耗小于700 nA。MCU和收发机的最大传输电流为18.6 mA。图5展示了不同模式下不同的总功耗。

  Atmel ATmega2564RFR2无线单片机的图形。

  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说明文档是一组减少的功耗(RPC)软件技术,这些技术是独立的、自校准的自适应功率减少方案。其中一个方案是PLL节能模式。这种模式可以帮助减少消耗,在PLL被校准后立即自动切换到省电模式。这种方法,记录在更深入的应用,可以减少设备消费从450年5.2 mAμA。另一种技术是智能接收技术(SRT),它可以在侦听传入的dataframe时定期启用和禁用收发器。根据环境条件、数据流量和信道噪声,SRT模式可节省高达50%的当前消耗,但这将导致少量的敏感性损失。

  物联网的好处将依赖于无数的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的位置。更换一个便宜的纽扣电池,当你考虑定期去看地点的时候,就会大大提高价格,更不用说在这段时间内,它会对物联网分析和控制系统造成干扰。

  无论是硬件、软件还是两者的混合,都需要花费时间来实施节能技术,这将延长电池更换的寿命,同时也将制造商的传感器作为市场上最高效的传感器。



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