物联网无线传感器节点设计

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2018-03-28

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  一天,张丽丽遇到从隔壁银行出来的李阿姨。

  >>>2017年新疆完成公路交通投资逾2000亿元来源:新华社发布时间:2018-01-16摘要:新华社乌鲁木齐1月16日电(记者蔡国栋)新疆由于空间距离远、路网密度小,向来被称为车轮上的新疆。为打造丝绸之路经济带重要交通枢纽中心,近年来新疆不断加大公路交通基础设施投资。2017年,新疆全年完成公路交通基础建设投资2015亿元,超过十二五期间公路

  在瓦隆大区,需要获得“出租许可证”的是合租房以及面积在28平方米以下的大学生公寓。  出台这一政策的初衷是保护弱势群体的利益,确保其能租到干净、整洁与安全的房屋。但是,这一政策的收效却不能令人满意。具体来说,如果房屋的确因卫生或安全隐患需要重新装修,那么租户将不得不搬离;如果房东因为拒不整改而丧失出租资格,那么原先的租户也将被迫搬离;如果房东同意在租户不搬离的情况下进行整改,费用最终一定会转嫁给租户——没有任何法律禁止房东对重新装修的房屋涨价。  与许多国家一样,为解决低收入人群的住房问题,比利时还出台了“兜底”政策,即提供社会保障住房。

无节点(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。

4GHzISM频带及二进制频移键控(GFSK)调制下运作,此支持1Mbps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S6AE103APMIC器件的电流消耗低至280nA,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S6AE103APMIC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-BLEModules。 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BLETx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。