低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

全球?qū)?ldquo;綠色”科技和能源使用效率的需求推動(dòng)著新一代超低功耗無線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。這種新一代網(wǎng)絡(luò)正在不斷發(fā)展以用于工業(yè)和控制應(yīng)用中基于傳感器的遠(yuǎn)程系統(tǒng)；此外，它也促使更多應(yīng)用更好地使用無須任何網(wǎng)絡(luò)電纜或電源線的真正無線解決方案。

用于監(jiān)視和控制的基于傳感器網(wǎng)絡(luò)并非新概念，現(xiàn)有技術(shù)可實(shí)現(xiàn)有線和專有無線系統(tǒng)。由于有線方案廉價(jià)又簡(jiǎn)便，因而得以廣泛使用；無線方案，與之相對(duì)，僅限用于一些特定的應(yīng)用。

如今，采用僅需極少功耗的設(shè)計(jì)，可使開發(fā)這些類型的無線系統(tǒng)成為可能。新一代無線網(wǎng)絡(luò)可依靠其電池工作更長時(shí)間，并且在應(yīng)用的生命周期中僅需很少或者根本無須維護(hù)。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(jī)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(jié)點(diǎn)中電池的預(yù)期壽命。

功耗管理功能
那么，什么是“低功耗”呢？在繼續(xù)之前，讓我們首先討論一些術(shù)語。“能量”與所做功的總量相關(guān)，而“功率”測(cè)量的是做功的速率（單位時(shí)間使用的能量）。在電子學(xué)中，能量=功率×時(shí)間，功率=電壓×電流。因而，我們所要關(guān)注的關(guān)鍵系統(tǒng)參數(shù)為電壓、電流和時(shí)間。具體來說，就是應(yīng)用在多大電壓下運(yùn)行，要消耗多少電流，以及要運(yùn)行多久？

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

1 功耗模式
根據(jù)處理需求，應(yīng)用具有一組顯著不同的預(yù)設(shè)工作模式。嵌入式單片機(jī)可利用其眾多外設(shè)中的一個(gè)來采樣周圍環(huán)境的信號(hào)。在外設(shè)收集到一定數(shù)量的采樣之前，單片機(jī)可能無其他事要做。那么，單片機(jī)可能會(huì)在每次數(shù)據(jù)采樣之間“休眠”或進(jìn)入超低功耗待機(jī)模式。一旦應(yīng)用程序讀到了足夠多的數(shù)據(jù)采樣，單片機(jī)即可輕松切換至“全速運(yùn)行”模式，此時(shí)單片機(jī)被喚醒并以最大工作速度運(yùn)行。

單片機(jī)通常會(huì)接收到某種類型的喚醒事件，才會(huì)從各種低功耗模式中退出。喚醒事件可由諸如I/O引腳電平翻轉(zhuǎn)等外部激勵(lì)信號(hào)或諸如定時(shí)器外設(shè)產(chǎn)生的中斷事件等內(nèi)部處理器活動(dòng)觸發(fā)。單片機(jī)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(diǎn)。典型的功耗模式如下：

● “始終運(yùn)行”模式

● “休眠”或“待機(jī)”模式，此時(shí)保持對(duì)存儲(chǔ)器供電

● “深睡”或“深度休眠”模式，此時(shí)存儲(chǔ)器斷電，以最大程度節(jié)省功耗。

2 “始終運(yùn)行”模式
“始終運(yùn)行”模式嵌入式系統(tǒng)由持續(xù)供電且處于運(yùn)行狀態(tài)的器件構(gòu)成。這些系統(tǒng)的平均功耗需求極有可能在亞毫安范圍內(nèi)，從而直接限制了單片機(jī)所能達(dá)到的處理性能。幸運(yùn)的是，新一代嵌入式單片機(jī)具有動(dòng)態(tài)控制其時(shí)鐘切換頻率的功能，因?yàn)樵跓o須較高計(jì)算能力的情況下，有助于減少工作電流消耗。

3 待機(jī)模式
在“待機(jī)”模式下，系統(tǒng)工作或處于低功耗非活動(dòng)模式。在這些系統(tǒng)中，工作和待機(jī)電流消耗都非常重要。在大多數(shù)待機(jī)模式系統(tǒng)中，由于保持對(duì)單片機(jī)存儲(chǔ)器通電，雖然電流消耗顯著減少，但仍可保持所有的內(nèi)部狀態(tài)及存儲(chǔ)器內(nèi)容。此外，可在數(shù)秒內(nèi)喚醒單片機(jī)。通常，此類系統(tǒng)在大多數(shù)時(shí)間處于低功耗模式，但仍需具備快速啟動(dòng)能力來捕捉外部或?qū)r(shí)間要求極高的事件。保持對(duì)存儲(chǔ)器的供電有助于保持軟件參數(shù)完整性以及應(yīng)用程序軟件的當(dāng)前狀態(tài)。從功耗模式退出的典型啟動(dòng)時(shí)間通常在5～10μs范圍內(nèi)。

4 深度休眠模式
在深度休眠或“深睡”模式系統(tǒng)中，系統(tǒng)全速運(yùn)行或處于可大幅節(jié)省功耗的“深度休眠”模式。由于該模式通過完全關(guān)斷嵌入式單片機(jī)內(nèi)核（包括片上存儲(chǔ)器）來最大程度節(jié)省能耗，因而尤為引人注目。由于在該模式下存儲(chǔ)器斷電，因此必須在進(jìn)入深度休眠模式前將關(guān)鍵信息寫入非易失性存儲(chǔ)器。該模式使單片機(jī)的功耗降至絕對(duì)最小值，有時(shí)低至20nA。此外，喚醒單片機(jī)后需重新初始化所有存儲(chǔ)器參數(shù)，這樣會(huì)延長喚醒反應(yīng)總時(shí)間。從該模式退出的典型啟動(dòng)時(shí)間通常在200～300μs范圍內(nèi)。