感測器

優化IoT終端功耗 無線感測器節點省電有眉角

2018-05-07
無線感測網路(Wireless Sensor Network, WSN)在促進物聯網(IoT)發展方面發揮著關鍵作用。WSN的優點在於它的功耗極低、尺寸極小且安裝簡便。對很多IoT的應用而言,如安裝在室外的應用,WSN可使用太陽能供電。當室內有光,系統就由太陽光供電,同時為微小鈕扣電池或超級電容器充電,在沒有光源的情況下為系統供電。
一般情況下,WSN節點是以感測器為基礎設備,負責監測溫度、濕度或壓力等環境因子。節點可從任何類型的感測器收集資料,再以無線方式傳遞資料到控制單位,譬如電腦或行動裝置,並在該處處理、評估資料,接著採取行動。理想情況下,節點可由能量採集機制獲得作業電源,成為獨立運作的設備。簡單來說,能量採集的過程是捕捉並轉換來自光、振動或熱等來源的微量能量成電能的過程。 

圖1顯示了能量採集系統(EHS)的設計範例。能量是由能量採集系統(如太陽能板)收集,並由電源管理積體電路轉換成穩定的能量,再使用低漏電、低阻抗的電容器儲存。這些能源能供給感測器介面負載,以無線傳輸感測器資料。圖1中,能量採集系統是無線感測器節點。  

圖1 能量採集系統設計示例
圖2顯示了無線感測器節點的框圖。在這裡,已處理的感測器資料會透過低功耗藍牙(BLE)以無線方式傳輸。BLE是用於短距離、低功耗無線應用的標準,在2.4 GHz ISM頻段及二進位頻移鍵控(FSK)調變下運作,支援1Mbps的資料速率。 

圖2 無線感測器節點系統示例
而電源管理晶片(PMIC)是用來穩定能量採集設備所收集的能量,並支援其本身的超低功耗運作。打個比方,賽普拉斯(Cypress)S6AE103A PMIC元件的電流消耗低至280奈安培(nA),啟動功率為1.2微瓦(uW)(圖3)。因此,在約100照度(lx)的低亮度環境中,依然可以從緊湊型太陽能面板獲得少量的能量。 

圖3 用於能量採集的S6AE103A PMIC元件框圖
高效無線感測器節點設計 

讓我們考慮一下設計無線感測器節點所涉及的步驟: 

第一步-選擇硬體 

在硬體方面,需要適當的感測器,一個最終能用能量採集設備供電的微控制器(MCU)以及PMIC,可能還會需要額外的被動元件。感測器可以是類比或數位感測器。現今市面上很多感測器是使用基於積體電路匯流排(I2C)串列周邊介面(SPI)或通用異步收發器(UART)介面的數位感測器。 

配有整合BLE的MCU能夠簡化設計,並縮短上市的時間,以確保設備低成本和小型化。為了進一步加快設計,許多廠商會使用高度整合且通過認證的可程式設計模組。模組由一個主要MCU、兩個晶體、晶片或板載天線、外殼及被動元件組成。由於這些模組已經擁有必需的藍牙低功耗耗(BLE)認證,產品可以快速上市(圖4)。 

圖4 BLE模組示例:太陽能供電的低功耗藍牙感測器信標CYALKIT-E02
第二步-設計韌體和估計功耗 

選擇了可程式設計的MCU後,下一步就是編寫適當的韌體。韌體需要具備的基本功能是收集感測器資料的介面,用無線傳送資料的BLE元件或堆疊以及能夠負責韌體處理的CPU。  

由於超低功耗運作是關鍵,電流消耗總和需要從一開始納入考慮,總能量消耗是感測器所消耗的能量及MCU所消耗的能量總和。 

由於感測器通常不會消耗太多總能量,因此重點會放在如何將MCU所消耗的能量減至最低。而在優化電流之前,要考慮MCU內在消耗能量的三個主要的元件:CPU、感測器介面模組和BLE子系統。  

嵌入式MCU提供各種低功耗模式,以減少電流消耗。韌體設計人員需要考慮這些低功耗模式和設計代碼,這樣平均電流的消耗就能減至最低。例如,感測資料並不是瞬速變更的,韌體每隔5至10秒鐘就必須掃描感測資料(實際間隔時間視感測器而定)。 

感測器的已讀數據通過BLE以無線方式傳輸。就BLE韌體而言,感測器可以連同BLE廣播封包將資料發送,但建議不要連同廣播封包轉送太多資料,因為這會增加電流。 

在廣播間隔與感測器掃描間隔之間,MCU須進入類似「休眠功能」的低功耗模式。而低功耗計時器就如看門狗計時器,可以在計時器倒數完畢時喚醒設備。為了使用低功耗操作,MCU進行了優化,提供一個BLE內部計時器,當廣播間隔結束就可喚醒進入了休眠功能的設備。圖5顯示了操作的韌體流程。 

圖5 為高效無線感測器節點設計而設立的韌體流程
設計好韌體後可以使用原型電路板測量電流,不過須注意MCU的啟動及低功耗模式的電流需要獨立測量。而只要知道MCU分別以啟動及低功耗模式操作的時間,就可以得知平均的電流消耗。有了平均電流的數字,再將它乘以PMIC電壓,就能推算出平均功率。 

 

第三步-優化韌體 

初始計算出的設計功率若太高,將導致能量採集PMIC無法支援。此情況下必須優化韌體,而執行優化MCU的啟動代碼能有效執行此操作。當MCU正在啟動,不須使用高頻外部時鐘以操作BLE,因此可以關掉此時鐘以便節省能源,而時鐘晶體也可以利用這些時間穩定下來。時鐘漸漸穩定後,MCU可再次調至低功耗模式,內部低頻時鐘可以在時鐘預備好的時候喚醒設備。簡言之,啟動代碼的執行時間可以很長,而韌體設計人員需要盡量減少啟動電流消耗。 

降低平均電流消耗有幾種方法,如下: 

·降低主CPU運作頻率。 

·在進入低功率模式前控制驅動模式,防止MCU引腳洩漏電流。 

·關閉調試介面。 

第四步-設計硬體 

有了功耗優化的韌體後,就能依PMIC設計硬體。圖6顯示了一個以能量採集為基礎的PMIC設計。圖7顯示備份電容器如何加配到PMIC設備,以及電容器能夠如何支援MCU。 

圖6 簡單的能量採集設計
首先,PMIC儲存太陽能到存放裝置VSTORE1(VST 1),此例中為一個300微法(μF)的陶瓷電容器。當VST 1達到VOUTH V,能量就可以傳輸到MCU。但這個簡單的能量採集設計不能全日運作,原因是沒有備份電容器。 

圖7 能量採集與備份電容器
運作WSN所需的能量首先儲存在VST 1,剩餘的能量用於VST 2充電。儲存在VST 2的能量可於沒有光線照射的情況下持續提供予WSN。此外,還可以連接一個額外的鈕扣電池到PMIC增加可靠性,如圖8所示。 

圖8 多個電源輸入的能量採集
PMIC轉換兩種能量來源,以利WSN在任何情況下運作。轉換自動產生,使能源在有需要時供應給WSN。因此,這應該是WSN最適當的硬體設計。 

第五步-設計使用者介面 

連接到無線感測器節點的使用者介面的理想設計,可以是從WSN接收資料的手機應用。 

感測器的資料可能會出現在廣播封包固定位置,而BLE應用可設計到能夠從這些位置提取相關資料,並將資料顯示至手機上。這種技術可用於管理多個WSN構成的複雜網路,配合硬體與韌體的優化,設計出高效無線感測器節點。 

(本文作者任職於賽普拉斯)

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