物联网无线传感器节点设计说明
无线传感器节点（ wsn ）在促进物联网（ iot ）发展方面发挥着关键作用。wsn的优点在于，它的功耗极低，尺寸极小，安装简便。对很多物联网的应用而言，譬如安装在室外的应用，wsn可使用太阳能供电。当室内有光，系统就由太阳光供电，同时为细小纽扣电池或超级电容器充电，以在没有光的情况下为系统供电。
在一般情况下，无线传感器节点是传感器为基础的设备，负责监察温度、湿度或压力等条件。节点从任何类型的传感器收集数据，然后以无线方式传递数据到控制单位，譬如计算机或移动设备，并在此处理、评估数据，并采取行动。理想情况下，节点可以由能量收集机制获得作业电源，成为独立运作的设备。从一般意义上讲，能量收集的过程是捕捉并转换来自光、振动，或热等来源的极少量能量为电能的过程。
图 1：能量收集系统设计示例
图 1 显示了能量收集系统的框图。能量是由能量收集系统 （如太阳能板）收集，并由电源管理集成电路 （ic） （pmic） 转换成稳定的能量，再使用低漏、低阻抗的电容器储存。这些能源能供给传感器接口负载 （譬如微控制器mcu），而mcu是用无线方式来传送数据的传感器。本图中，能量收集传感器（ ehs ）是无线传感器节点。
图 2：无线传感器节点系统示例
图2显示了无线传感器节点的框图。在这里，已处理的传感器数据会透过低功耗蓝牙（ ble ）以无线方式传输。ble 是用于短距离、低功耗无线应用的标准，以交流状态或控制信息。ble 在2。4 ghz ism 频带及二进制频移键控（gfsk）调制下运作，此支持1 mbps 的数据速率。
而电源管理 ic是用来稳定能量收集设备所要求的功秏，以支持其超低功耗的运作。 打个比方，赛普拉斯s6ae103a pmic 器件的电流消耗低至280 na，启动功率为 1。2uw（见图3）。因此，在约100勒克斯（lx） 的低亮度的环境中，紧凑型太阳能电池依然可以获得少量的能量。
图 3：用于能量收集的s6ae103a pmic 器件框图
高效的无线传感器节点设计
让我们考虑一下设计无线传感器节点所涉及的步骤：
第 1 步：选择硬件：
在硬件方面，你需要适当的传感器，一台最终能用能量收集设备供电的mcu及 pmic。你可能需要额外的无源组件，此视乎设计而定。
传感器可以是仿真或数字形式。现今市面上很多传感器是使用基于集成电路总线（i2c）、串行外设接口 （spi）或异步收发传输器（uart）界面为标准的数字传感器。电耗极低的传感器在市面上亦有售。为了保持设备成本维持低水平，外形小巧，配有综合ble的mcu能够简化设计，并缩短推出市场的时间。为了进一步加快设计，许多厂商都使用完全综合，完全通过认证的可编程模块，例如赛普拉斯ez-ble modules。模块由一个主要mcu、两块结晶、芯片或跟踪天线、扩展板及无源组件组成。由于这些模块已经拥有必须的ble认证，产品可以快速推出市场。
图 4：ble模块示例：太阳能供能的低功耗蓝牙传感器信标cyalkit-e02
第 2 步：设计固件和估计功耗
选择了可编程的mcu 后，下一步就是编写适当的固件。固件需要具备的基本功能是收集传感器数据的接口，用无线传送数据的ble组件或堆栈，和能够负责固件处理的cpu。
由于超低耗运作是关键，电流消耗总和需要由一开始纳入考虑。总计电流消耗是传感器所消耗的电流及mcu 所消耗的电流总和。由于传感器通常不会消耗太多的总电流，其重点应该放在如何将mcu所消耗的电流减至最低。在优化电流之前，要考虑在mcu内在消耗电流的三个主要的组件：cpu、传感器接口模块（如 i2c 、spi 等）和ble子系统。这里，当无线电收音机开动（例如ble tx及rx），电流的主要消费者会是ble电收音机。
嵌入式 mcu 提供各种低功耗模式，以减少电流消耗。固件设计人员需要考虑这些低功耗模式和设计代码，这样，平均电流的消耗就能减至最低。例如，传感数据并不是瞬速变更的，固件需要间中扫瞄传感数据（例如每隔 5 至 10 秒钟，时间间隔视乎传感器而定）。传感器的已读数据通过 ble， 以无线方式传输。
就 ble 固件而言，传感器可以连同 ble 广播包将数据发送。我们建议不要连同广播包转送太多其他数据，因为这样会进一步增加电流。在广播间隔与传感器扫描间隔之间， mcu需进入低功耗模式，譬如是“休眠功能 ”。低电耗定时器就如看门狗定时器，可以在定时器倒数完毕时，唤醒设备。 为了使用低功耗操作，mcu进行了优化，提供一个 ble 内部定时器，当广播间隔结束，可唤醒进入了休眠功能的设备。图 5显示了操作的固件流程。
图 5：为高效无线传感器节点设计而设立的固件流程
只要设计好固件，您可以测量电流。你可以使用原型电路板测量电流。请注意，mcu的启动及低耗模式的电流需要独立量度。只要你知道mcu分别以启动及低耗模式操作的时间，平均的电流消耗是：
有了平均电流的数字，你就可以将它乘以pmic电压，从而找出平均功率。
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在一般情况下，无线传感器节点是传感器为基础的设备，负责监察温度、湿度或压力等条件。节点从任何类型的传感器收集数据，然后以无线方式传递数据到控制单位，譬如计算机或移动设备，并在此处理、评估数据，并采取行动。理想情况下，节点可以由能量收集机制获得作业电源，成为独立运作的设备。从一般意义上讲，能量收集的过程是捕捉并转换来自光、振动，或热等来源的极少量能量为电能的过程。
图 1：能量收集系统设计示例
图 1 显示了能量收集系统的框图。能量是由能量收集系统 （如太阳能板）收集，并由电源管理集成电路 （ic） （pmic） 转换成稳定的能量，再使用低漏、低阻抗的电容器储存。这些能源能供给传感器接口负载 （譬如微控制器mcu），而mcu是用无线方式来传送数据的传感器。本图中，能量收集传感器（ ehs ）是无线传感器节点。
图 2：无线传感器节点系统示例
图2显示了无线传感器节点的框图。在这里，已处理的传感器数据会透过低功耗蓝牙（ ble ）以无线方式传输。ble 是用于短距离、低功耗无线应用的标准，以交流状态或控制信息。ble 在2。4 ghz ism 频带及二进制频移键控（gfsk）调制下运作，此支持1 mbps 的数据速率。
而电源管理 ic是用来稳定能量收集设备所要求的功秏，以支持其超低功耗的运作。 打个比方，赛普拉斯s6ae103a pmic 器件的电流消耗低至280 na，启动功率为 1。2uw（见图3）。因此，在约100勒克斯（lx） 的低亮度的环境中，紧凑型太阳能电池依然可以获得少量的能量。
图 3：用于能量收集的s6ae103a pmic 器件框图
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