把傳感器設(shè)計(jì)到電池供電的無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)備里

Silicon Labs公司供稿

　　物聯(lián)網(wǎng)(IoT)正在將現(xiàn)實(shí)世界里的“模擬”事件轉(zhuǎn)換成網(wǎng)絡(luò)的行動(dòng)和反應(yīng)，連在網(wǎng)絡(luò)中的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)能夠監(jiān)測(cè)模擬事件，并且在需要報(bào)告的事件發(fā)生時(shí)，將其進(jìn)行轉(zhuǎn)化后通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)報(bào)告給應(yīng)用程序，以完成相應(yīng)的任務(wù)。其中最突出的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用類別是使用電池供電的傳感器，它們被放置在沒(méi)有電線的區(qū)域來(lái)監(jiān)測(cè)事件，并通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與物聯(lián)網(wǎng)通信。大多數(shù)情況下，這些產(chǎn)品是始終開啟的、由電池操作的無(wú)線傳感器，支持無(wú)線協(xié)議、一個(gè) MCU 和至少一個(gè) 模擬傳感器。

　　面臨的挑戰(zhàn)是在單一電池或一次充電的情況下，如何將產(chǎn)品足以感知環(huán)境的續(xù)航時(shí)間最大化。

　　該挑戰(zhàn)可細(xì)化為以下方面：

　　1. 根據(jù)應(yīng)用程序要求，勝任實(shí)時(shí)感知任務(wù);

　　2. 完成傳感器測(cè)量，同時(shí)盡可能少地使用能源;

　　3. 保持“周期性工作”MCU 外圍設(shè)備，并讓 CPU 內(nèi)核盡可能多地處于睡眠狀態(tài)。

　　在這種應(yīng)用中，很多MCU的典型做法是喚醒MCU內(nèi)核然后使用各種外設(shè)去完成傳感器測(cè)量(圖 1)。當(dāng)有事件 (例如開門) 需要報(bào)告時(shí)，MCU 進(jìn)行了報(bào)告并返回至其周期性工作規(guī)律流程中。這將消耗大量電能，且不能使電池巡航時(shí)間最大化，因?yàn)檫\(yùn)行的“整個(gè) MCU”中，包括很多外圍設(shè)備和無(wú)關(guān)內(nèi)核運(yùn)轉(zhuǎn)都在消耗電能。

　　實(shí)際上，這種方法很可能導(dǎo)致較差的客戶體驗(yàn)：客戶將設(shè)備置于其環(huán)境中，將其設(shè)置在網(wǎng)絡(luò)上并啟用，但幾個(gè)月之后，設(shè)備就因?yàn)檩^差的電池電源管理能力而停止工作。

　　圖1 CPU 在每次測(cè)量中都進(jìn)行查詢并保持活躍，從而導(dǎo)致較高電能消耗

　　1物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用理想的電池供電、無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)解決方案

　　最佳解決方案將應(yīng)對(duì)以上所述挑戰(zhàn)中的每一個(gè)方面，可在電池一次充電的情況下將產(chǎn)品完成環(huán)境感測(cè)的工作時(shí)間最大化。

　　考慮到以上情況，電池供電的物聯(lián)網(wǎng)傳感器設(shè)備應(yīng)提供：

　　1. 自主而節(jié)能的傳感器管理和測(cè)量系統(tǒng);

　　2. 可對(duì)每個(gè)傳感器進(jìn)行獨(dú)立配置的傳感器輸入/輸出、閾值和配置;

　　3. 低功耗、可配置的邏輯引擎，僅當(dāng)絕對(duì)需要時(shí)才會(huì)喚醒 MCU;

　　4. 用以為多次測(cè)量提供緩存的低功耗內(nèi)存，并延長(zhǎng) CPU 喚醒間隔時(shí)間;

　　5. 低無(wú)線功耗。

　　2 Silicon Labs Gecko 低功耗傳感器接口 (LESENSE)

　　幾年前，Silicon Labs 就預(yù)見到電池供電的無(wú)線傳感器應(yīng)用的重要性。自此，我們對(duì)低能耗的無(wú)線、MCU 和傳感器技術(shù)進(jìn)行了大規(guī)模的投入。

　　我們的 Gecko MCU 具有節(jié)能型的架構(gòu)，并提供幾種關(guān)鍵系統(tǒng)，使其能更有效率地運(yùn)作，其續(xù)航時(shí)間也長(zhǎng)于其他 MCU。

　　Gecko 和 Wireless Gecko (以下合稱“Gecko MCU”) 使用低功耗傳感器接口 (LESENSE)、外圍設(shè)備反射系統(tǒng) (PRS) 和其他低功耗技術(shù)，可以在極低的功耗水平下運(yùn)作，而同時(shí)內(nèi)核與 MCU的大部分仍處于深度睡眠模式。

　　上述特性結(jié)合其他特性就可以節(jié)省很多電能。

　　表1對(duì)于電池供電的物聯(lián)網(wǎng)傳感器系統(tǒng)的要求

　　3 Gecko LESENSE 詳情

　　LESENSE 是高度可配置傳感器接口和系統(tǒng)，可自主連續(xù)管理并監(jiān)控最多 16 個(gè)電阻性、電容性或電感性傳感器， 并同時(shí)保持芯片整體處于深度睡眠模式，且內(nèi)核 (CPU) 始終保持關(guān)閉。

　　LESENSE 包括一個(gè)定序器、一個(gè)計(jì)數(shù)和比較器單元、一個(gè)可配置譯碼器，以及用于配置設(shè)置和測(cè)量結(jié)果存儲(chǔ)的 RAM。

　　1) 定序器可以操作低頻振蕩器，并通過(guò) PRS 處理與其他外圍設(shè)備的相互作用，并可為傳感器的工作周期和測(cè)量定時(shí)。

　　2) 計(jì)數(shù)和比較器單元對(duì)來(lái)自定序器的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，并將信息與可配置閾值進(jìn)行對(duì)比。

　　3) 譯碼器/狀態(tài)機(jī)接收傳感器測(cè)量，并根據(jù)最多 16 種可配置狀態(tài)和相關(guān)動(dòng)作采取行動(dòng)。

　　LESENSE 可配置傳感器閾值

　　當(dāng)外部事件超過(guò)傳感器閾值時(shí)才喚醒 CPU 并不是一個(gè)革命性的概念。本質(zhì)上，它會(huì)將恒定的 MCU 工作周期從圖 1 中移至單個(gè)事件;當(dāng)模擬事件超過(guò)給定閾值時(shí)，MCU 蘇醒并執(zhí)行各種行動(dòng)。

　　但是，LESENSE 與之不同之處在于，它提供了一個(gè)完整的傳感器系統(tǒng)，以便管理并監(jiān)控傳感器以及相關(guān)的外圍 設(shè)備，而不需要 CPU 的參與，MCU 參與度也為最低。這就是 LESENSE 的基本概念，而附加功能還進(jìn)一步拓展 了概念。

　　LESENSE 也在不喚醒 CPU 的情況下對(duì)數(shù)量可配置的閾值事件進(jìn)行緩沖。這使得系統(tǒng)能夠在一段較長(zhǎng)的時(shí)間段內(nèi)監(jiān)控外部事件。LESENSE 通過(guò)自主周期性采集所需的外圍設(shè)備塊 (如模擬比較器、低頻振蕩器和傳感器本身)，以便完成傳感器測(cè)量，而 CPU 則保持在深度睡眠模式。

　　在以下概念圖中，LESENSE 被配置為允許傳感器 1 超過(guò)其可配置閾值兩次之后才喚醒 CPU。

　　圖 2：每個(gè)啟用 LESENSE 的傳感器輸入/輸出均為獨(dú)立且可配置的。

　　LESENSE 也提供附加功能，以管理并監(jiān)控最多 16 個(gè)具有唯一閾值的不同傳感器。在使用內(nèi)置低功耗狀態(tài)機(jī) (譯碼器) 時(shí)，LESENSE 可在發(fā)送中斷喚醒 CPU 之前評(píng)估幾項(xiàng)事件。

　　在圖 3 中，LESENSE 對(duì)傳感器 2 的事件 1、2 和 3 的測(cè)量信息進(jìn)行緩沖，并在喚醒核心之前將這些信息與傳感器 1 的事件 1 和 2 的測(cè)量數(shù)據(jù)相結(jié)合。這個(gè)簡(jiǎn)單的使用實(shí)例采用 LESENSE 的單獨(dú)配置傳感器、低功耗內(nèi)存 和低功耗狀態(tài)機(jī)。

　　圖 3：在 CPU 中斷之前，多個(gè)傳感器及唯一配置支持多個(gè)事件。

　　傳感器節(jié)點(diǎn)從 LESENSE 緩沖測(cè)量中重新校準(zhǔn)

　　由于很多傳感器系統(tǒng)在各種不同的環(huán)境條件下實(shí)施，必須能夠在諸如溫度、濕度、電源電壓、透氣性和連接性等參數(shù)不斷變化的情況下進(jìn)行可靠的操作。

　　LESENSE 的緩存功能可使 CPU 在被喚醒時(shí)重新校準(zhǔn)自身多項(xiàng)讀數(shù)。這樣可避免隨著情況的變化發(fā)生多次重復(fù)校準(zhǔn)的事件，進(jìn)一步節(jié)約能源并提供更大的系統(tǒng)校準(zhǔn)樣本集。

　　總結(jié)

　　LESENSE 可使 Gecko MCU 和無(wú)線 MCU 監(jiān)控電阻性、電容性、電感性(和 IR)傳感器，同時(shí)使能耗較高的內(nèi)核和大部分 MCU 保持深度睡眠模式。LESENSE 能夠監(jiān)控最多 16 個(gè)使用小于 1 μA 的傳感器并提供可配置的閾 值，并提供了可對(duì)多個(gè)事件進(jìn)行緩沖的 RAM，以及用于可配置喚醒中斷的狀態(tài)機(jī)。

　　開始了解 Gecko MCU、Wireless Gecko MCU 和 LESENSE：

　　· 關(guān)于 LESENSE 的培訓(xùn)視頻

　　· 關(guān)于 LESENSE的培訓(xùn)演示(來(lái)自視頻的幻燈片)

　　· 應(yīng)用說(shuō)明

　　o 電容傳感 LESENSE (AN0028)

　　o 電感傳感 LESENSE (AN0029)

　　o 電阻傳感 LESENSE (AN0036)

　　o IR 傳感 LESENSE (AN0053)

　　o PRS – 節(jié)能外圍設(shè)備反射系統(tǒng) (AN0025)

　　· LESENSE – Silicon Labs 社區(qū)

　　· PRS – Silicon Labs 社區(qū)

　　· Gecko MCU (EFM32)