低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

實(shí)時(shí)時(shí)鐘
在本文所述的遠(yuǎn)程無線傳感器應(yīng)用示例中，系統(tǒng)需要保持精確的時(shí)間觀念。除了系統(tǒng)時(shí)鐘外，還可采用實(shí)時(shí)時(shí)鐘和日歷（RTCC）外設(shè)輕松實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。RTCC的主要功能是跟蹤日期和時(shí)間。在本文的情形中，RTCC對(duì)于控制功耗模式非常有用。RTCC還有助于單片機(jī)安排精確的喚醒事件、觸發(fā)采樣測(cè)量或發(fā)起與中央控制臺(tái)的RF同步。

在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)RTCC有多種方法?？蓪Ｓ肦TCC芯片連接至單片機(jī)；采用集成32kHz晶振及基本計(jì)時(shí)軟件；以及使用單片機(jī)內(nèi)的專用RTCC外設(shè)。對(duì)系統(tǒng)成本的限制通常第一時(shí)間就排除了第一種選擇。對(duì)后兩種的選擇通常由單片機(jī)應(yīng)用的其他需求以及一定程度的成本限制決定。本次討論將采用第二種方法，即32kHz振蕩器與一些非?；镜能浖?。

外部32kHz晶振驅(qū)動(dòng)電路與16位定時(shí)器配合使用，來每秒喚醒一次處理器。每秒喚醒一次處理器來更新RTCC定時(shí)器，也可能測(cè)量當(dāng)前溫度，然后處理器返回到相應(yīng)的低功耗模式。此方法提供了一種“導(dǎo)通”占空比非常小的機(jī)制，器件運(yùn)行的大多數(shù)時(shí)間僅消耗600nA的電流。

構(gòu)建RF無線傳感節(jié)點(diǎn)
高集成度的單芯片通用ISM帶寬FSK收發(fā)器解決方案與低功耗單片機(jī)配合工作，簡(jiǎn)化了無線傳感應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)。在本例中，單片機(jī)采用SPI接口作為與射頻設(shè)備連接的串行通信端口。還要使用單片機(jī)來初始化收發(fā)器設(shè)備的射頻配置設(shè)置。配置完成后，收發(fā)器設(shè)備將通過來自單片機(jī)的非?；镜拇忻钔瓿纱蠖鄶?shù)RF數(shù)據(jù)發(fā)送和接收操作。簡(jiǎn)單地組合這兩種技術(shù)，即可構(gòu)建一種基本網(wǎng)絡(luò)，遠(yuǎn)程監(jiān)視各種數(shù)字或模擬無線傳感器節(jié)點(diǎn)，如本文中的遠(yuǎn)程溫度傳感器。

考慮無線系統(tǒng)的總功耗預(yù)算，我們最關(guān)注的數(shù)據(jù)手冊(cè)參數(shù)為射頻系統(tǒng)的發(fā)送功耗、接收功耗、待機(jī)功耗以及啟動(dòng)時(shí)間。了解了這些參數(shù)后，我們將能確定系統(tǒng)通過無線RF通道發(fā)送和接收數(shù)據(jù)所消耗的電流。開發(fā)RF解決方案時(shí)還需注意的關(guān)鍵因素還有發(fā)送的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度和安全性。以下部分將簡(jiǎn)要說明這兩個(gè)因素。

RF發(fā)送時(shí)間
常常被忽視的一個(gè)重要參數(shù)是需要發(fā)送的RF數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度。事實(shí)上，RF發(fā)送時(shí)間對(duì)無線解決方案的性能、質(zhì)量和功耗影響很大。較短的數(shù)據(jù)包有助于減少對(duì)電源的能源需求，甚至可以縮小電池體積。在定義新的低功耗RF協(xié)議時(shí)，必須牢記這一點(diǎn)。

我們已針對(duì)無線溫度傳感器設(shè)計(jì)，評(píng)估了當(dāng)今可用的各種RF通信協(xié)議。諸如ZigBee、ZigBee Pro、Microchip的MiWi和MiWi P2P（點(diǎn)對(duì)點(diǎn)）協(xié)議均已一一評(píng)估。由于本應(yīng)用的低功耗需求，我們決定采用非常基本的時(shí)分多址（Time Divisional Multi Access，TDMA）時(shí)間片協(xié)議機(jī)制。

通過在RF數(shù)據(jù)幀中分配預(yù)定義時(shí)隙并使用第一個(gè)時(shí)隙作為中央單片機(jī)發(fā)送的幀起始標(biāo)記，即可方便地確保整個(gè)傳感器監(jiān)視系統(tǒng)的精確時(shí)序，同時(shí)降低功耗。采用這種基本時(shí)間片機(jī)制，單片機(jī)和RF收發(fā)器可在生命周期的大多數(shù)時(shí)間內(nèi)處于低功耗待機(jī)模式。

安全性
意識(shí)到無線網(wǎng)絡(luò)所涉及的安全性問題，大多數(shù)RF系統(tǒng)均采用了強(qiáng)大的算法來保護(hù)其數(shù)據(jù)。具有128位密鑰的高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)（Advanced Encryption Standard，AES）確保了數(shù)據(jù)完整性以及系統(tǒng)抵抗黑客的能力，這兩者對(duì)于商業(yè)應(yīng)用至關(guān)重要?？赏ㄟ^軟件實(shí)現(xiàn)AES安全性。對(duì)于需要使工作時(shí)間最短的無線傳感器節(jié)點(diǎn)，能夠盡快執(zhí)行AES計(jì)算非常重要，因?yàn)楣?jié)點(diǎn)工作時(shí)的功耗最大。單片機(jī)可按需動(dòng)態(tài)更改處理功耗以幫助實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)。別說是電池供電設(shè)備就是采用有線電源的系統(tǒng)，要使AES計(jì)算盡可能快也同樣是不爭(zhēng)的事實(shí)。功耗對(duì)所有系統(tǒng)（有線或無線）的溫度、體積及成本均有影響。

系統(tǒng)成本
眾所周知，系統(tǒng)的總成本在設(shè)計(jì)任何系統(tǒng)（如無線溫度傳感器）的過程中始終起著非常重要的作用。確定無線單片機(jī)成本的關(guān)鍵因素是所需程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)的數(shù)量。傳感器網(wǎng)絡(luò)和相關(guān)產(chǎn)品的開發(fā)人員希望采用存儲(chǔ)空間最優(yōu)的一系列單片機(jī)來滿足應(yīng)用程序的需求。開發(fā)基于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層（如ZigBee）的較大應(yīng)用程序時(shí)，需要較大的存儲(chǔ)空間——在有些情況下，大于250KB。若要實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單的傳輸協(xié)議，尤其是在對(duì)成本極度敏感的設(shè)計(jì)中，可使用單片機(jī)的許多功耗控制功能來最大程度降低成本和功耗。

硬件/軟件
本文中的設(shè)計(jì)示例組合使用了一片高集成度通用ISM帶寬FSK收發(fā)器芯片和一片超低功耗單片機(jī)。超低功耗PIC16LF1827單片機(jī)用在傳感器單元中，用于每秒測(cè)量一次模擬溫度傳感器，將結(jié)果存入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，運(yùn)行復(fù)雜的噪聲濾波算法，然后采用RF收發(fā)器發(fā)送結(jié)果數(shù)據(jù)。出于安全性考慮，此信息采用AES算法保護(hù)并在已分配的預(yù)定時(shí)隙內(nèi)發(fā)送。此外，單片機(jī)在上電后初始化RF收發(fā)器射頻配置設(shè)置，并按需控制射頻設(shè)備的功耗模式。

結(jié)論
本文探討了輕松實(shí)現(xiàn)非?；镜牡凸臒o線傳感器網(wǎng)絡(luò)的過程。更好地理解超低功耗單片機(jī)的各種功耗管理功能，有助于系統(tǒng)工程師開發(fā)“綠色”無線解決方案。