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類型分類：: 科普知識

數據分類：: IC傳感器

低功耗無線傳感器：低功耗無線傳感器網絡方案設計

發布日期：2022-05-11 點擊率：61

低功耗無線傳感器：低功耗無線傳感器網絡方案設計

隨著集成電路、無線通信技術和嵌入式技術的發展，無線通信網絡也應運而生，無線傳感網絡具有低功耗、低成本、分布式和自組織的特點。傳統的無線射頻通信模塊體積大，需要控制芯片來控制射頻模塊，這就增加了設計的成本，而且可移動性不好。
　　半導體技術的不斷進步使處理器芯片可以被集成為體積很小的一塊，而價格變得更便宜，專用的無線網絡芯片和技術也得到發展。文中采用了TI公司的CC430F5137設計并實現了一種應用于無線網絡中的節點模塊。CC430F5137是一款內部集成了射頻核的芯片，它內置了CC1101射頻核，使用單顆芯片就可以完成數據的采集、處理、發送與接收，使電路板的體積可以變得更小、更便宜。為了實現網絡節點的低功耗設計，本文采用了射頻模塊的無線喚醒（WOR）功能。同時，利用射頻核的空閑信道評估（CCA）功能改進了射頻發送的算法，提高了多節點向中繼器模塊發送數據時的準確性。
　　總體設計方案
　　無線傳感器網絡是由部署在監測區域內大量的廉價微型傳感器節點組成的網絡。它是由大量的靜止或移動的傳感器以自組織和多跳的方式構成的無線網絡，以協作的方式感知、采集、處理和傳輸網絡覆蓋地理區域內被感知對象的信息，并終把這些信息發送給網絡所有者。無線傳感器網絡主要實現了數據的采集、處理和傳輸三種功能。
　　傳感器網絡節點一般受到工作環境的影響，功耗問題是要首先考慮的。考慮到低功耗要求的設計，節點設備的主控MCU選擇 CC430F5137，利用它內置的射頻通信模塊進行射頻通信。由于其低功耗的特點可采用電池供電。軟件部分利用CC1101的無線喚醒功能，能史好地降低系統功耗。
　　無線傳感器網絡中可以掛接多個節點設備，而每個節點設備的地址必須。本文設計的節點設備采用撥碼開關來設置每個節點設備的地址，確保每個節點都有一個的地址。通過SPI接口或I2C總線接入傳感器器件，可以靈活地接入不同型號的傳感器器件，以達到測試不同物理量的要求。節點的系統結構如圖1所示。
　　節點電路總體設計
　　CC430F5137的供電電壓范圍為1.8～3.6 V，選程度用兩節7號電池來提供3 V的直流電壓。配合軟件的設置可以地降低功耗。系統的關鍵部分是射頻發送利用一個射頻的天線模塊，可以保證射頻通信的穩定性，此無線模塊由芯片的 RF_N和RF_P兩個引腳接入。另外根據射頻發送的需要，接入一個26 MHz晶振。
　　CC430F5137的P1.5、P1.6、P1.7引腳可以用于串口通信和SPI通信，使用這三個引腳作為串口調試，另外P1.1、P1.2、P1.3引腳可以用于SPI和I2C總線通信，這三個接口用來預留連接傳感器的芯片。系統的主電路圖如圖2所示。
　　為了使每個節點的地址，采用8位的撥碼開關SW進行地址設定。如圖3所示，可以由撥碼開關來設定終端節點的地址，可以設定255個不同的地址，每一個終端節點作為從設備向中繼節點發送數據，然后由中繼節點發送到用于網絡管理的主控MCU，完成無線傳感器網絡數據的傳送。
　　本文利用TI公司的CC430F5137芯片，采用射頻通信技術設計的無線數據采集節點，這種設計可以大大地減小系統的體積。本系統可以采集各種各樣的信號，能將采集到的數據安全穩定地傳送到中間數據采集點。設計中載波監聽功能和信道空閑評估功能改進的射頻發送函數，可以有效地提高多個節點同時發送數據時的抗干擾性。

來源：維庫電子市場網
低功耗無線傳感器：低功耗無線傳感器網絡方案設計第1張

低功耗無線傳感器：超低功耗無線傳感器網絡平臺

超低功耗無線傳感器網絡平臺（HBE-Ubi-MSP430)使用通用的MSP430 CPU，提供多種類別的通用傳感器。采用可擴展的連接器結構，提供傳感器數據存儲裝置（SDRAM，FLASH，可構建自控通信網.提供通過豐富的開發經驗得出的例題程序。提供通過豐富的開發經驗得出的例題程序，支持Zigbee PHY，有效距離可到達100m的PCB模式天線。提供可擴展的天線端子（擴大接收距離），提供通過豐富的經驗得出的用戶教育。
[1]
低功耗無線傳感器：低功耗無線傳感器網絡方案設計第2張

低功耗無線傳感器：超低功耗無線傳感器網絡的三種功耗模式

　　大部分國家對“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實無線解決方案。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，僅有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。
　　一、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）。在電子學中，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。
　　二、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較大工作速度運行。
　　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：
　　（1）“始終運行”模式
　　（2）“休眠”或“待機”模式，此時保持對存儲器供電
　　（3）“深睡”或“高層度休眠”模式，此時存儲器斷電，以較大程度節省功耗。
　　1、“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。
　　2、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非常高的事件。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5-10μs范圍內。
　　3、高層度休眠模式
　　在高層度休眠或“深睡”模式系統中，系統全速運行或處于可大幅節省功耗的“高層度休眠”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）來較大程度節省能耗，因而尤為引人注目。由于在該模式下存儲器斷電，因此必須在進入高層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較小值，有時低至20nA。
　　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200-300μs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。

低功耗無線傳感器：低功耗無線傳感器網絡方案設計第3張

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