低功耗無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的實(shí)現過(guò)程探討

　　系統級喚醒事件的另一個(gè)絕佳示例，可采用通過(guò)串行接口連接到處理器的外部RF芯片進(jìn)行演示。不使用處理器時(shí)，可將其置于某個(gè)低功耗狀態(tài)下，僅保持 RF芯片運行。由于新一代 RF芯片的邏輯僅負責查找進(jìn)入的RF數據包，因此在工作狀態(tài)下消耗的電流很小。一旦接收到與所分配給該單元的地址相關(guān)的有效數據包，就將喚醒單片機開(kāi)始處理信息。此類(lèi)功耗模式機制較常用于基于射頻網(wǎng)絡(luò )的解決方案中，諸如那些基于ZigBee .無(wú)線(xiàn)協(xié)議的解決方案。

　　時(shí)鐘頻率

　　單片機從外部或內部時(shí)鐘源獲取系統時(shí)鐘頻率。單片機采用該時(shí)鐘頻率并將其分頻以得到應用程序軟件所需的工作時(shí)鐘頻率。較低的頻率通常等同于較低的功耗。有時(shí)，單片機還可以采用鎖相環(huán)（Phase Locked Loop,PLL）將外部時(shí)鐘頻率倍頻。外部時(shí)鐘信號通常來(lái)自晶振或稱(chēng)為晶體振蕩器。

　　當器件進(jìn)入低功耗模式時(shí)，單片機還可以禁止輸入晶體放大器電路，這樣也許可節省幾毫安的電流，但會(huì )以恢復正常工作狀態(tài)時(shí)延長(cháng)振蕩器的導通時(shí)間（由于外部晶振的起振延時(shí)）為代價(jià)。然而，有些單片機具有采用雙速啟動(dòng)模式的能力，在這種模式下，單片機將使用內部振蕩器立即開(kāi)始運行，并在更精確的外部時(shí)鐘源有足夠時(shí)間穩定后，自動(dòng)切換至外部時(shí)鐘源。

　　單片機控制自身時(shí)鐘頻率的能力允許軟件工程師在保證總電流消耗最少的情況下，選擇適合于特定任務(wù)的時(shí)鐘速度。因此，工程師需要評估能量公式中的時(shí)間×電流元素，以確定哪種方案比較好：在較短時(shí)間段內全速運行，在較長(cháng)時(shí)間段內較慢運行，或者選個(gè)中間速度。

　　實(shí)時(shí)時(shí)鐘

　　在本文所述的遠程無(wú)線(xiàn)傳感器應用示例中，系統需要保持精確的時(shí)間觀(guān)念。除了系統時(shí)鐘外，還可采用實(shí)時(shí)時(shí)鐘和日歷（RTCC）外設輕松實(shí)現這一點(diǎn)。RTCC的主要功能是跟蹤日期和時(shí)間。在本文的情形中，RTCC對于控制功耗模式非常有用。RTCC還有助于單片機安排精確的喚醒事件、觸發(fā)采樣測量或發(fā)起與中央控制臺的 RF同步。

　　在系統中實(shí)現RTCC有多種方法?？蓪?zhuān)用 RTCC芯片連接至單片機；采用集成 32 kHz晶振及基本計時(shí)軟件；以及使用單片機內的專(zhuān)用 RTCC外設。對系統成本的限制通常第一時(shí)間就排除了第一種選擇。對后兩種的選擇通常由單片機應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 32 kHz振蕩器與一些非?；镜能浖?。

　　外部 32 kHz晶振驅動(dòng)電路與 16位定時(shí)器配合使用，來(lái)每秒喚醒一次處理器。每秒喚醒一次處理器來(lái)更新 RTCC定時(shí)器，也可能測量當前溫度。然后處理器返回到相應的低功耗模式。此方法提供了一種導通占空比非常小的機制，器件運行的大多數時(shí)間僅消耗 600 nA的電流。

　　構建RF無(wú)線(xiàn)傳感節點(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配合工作，簡(jiǎn)化了無(wú)線(xiàn)傳感應用的實(shí)現。在本例中，單片機采用 SPI接口作為與射頻設備連接的串行通信端口。還要使用單片機來(lái)初始化收發(fā)器設備的射頻配置設置。配置完成后，收發(fā)器設備將通過(guò)來(lái)自單片機的非?；镜拇忻钔瓿纱蠖鄶?RF數據發(fā)送和接收操作。簡(jiǎn)單地組合這兩種技術(shù)，即可構建一種基本網(wǎng)絡(luò )，遠程監視各種數字或模擬無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)，如本文中的遠程溫度傳感器。

　　考慮無(wú)線(xiàn)系統的總功耗預算，我們最關(guān)注的數據手冊參數為射頻系統的發(fā)送功耗、接收功耗、待機功耗以及啟動(dòng)時(shí)間。了解了這些參數后，我們將能確定系統通過(guò)無(wú)線(xiàn) RF通道發(fā)送和接收數據所消耗的電流。開(kāi)發(fā) RF解決方案時(shí)還需注意的關(guān)鍵因素還有發(fā)送的數據長(cháng)度和安全性。以下部分將簡(jiǎn)要說(shuō)明這兩個(gè)因素。

　　RF發(fā)送時(shí)間

　　常常被忽視的一個(gè)重要參數是需要發(fā)送的RF數據包的長(cháng)度。事實(shí)上，RF發(fā)送時(shí)間對無(wú)線(xiàn)解決方案的性能、質(zhì)量和功耗影響很大。較短的數據包有助于減少對電源的能源需求，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)。

　　我們已針對無(wú)線(xiàn)溫度傳感器設計，評估了當今可用的各種 RF通信協(xié)議。諸如 ZigBee、ZigBee Pro、Microchip的 MiWi.和 MiWi P2P（點(diǎn)對點(diǎn)）協(xié)議均已一一評估。由于本應用的低功耗需求，我們決定采用非?；镜臅r(shí)分多址（Time Divisional Multi Access,TDMA）時(shí)間片協(xié)議機制。

　　通過(guò)在RF數據幀中分配預定義時(shí)隙并使用第一個(gè)時(shí)隙作為中央單片機發(fā)送的幀起始標記，即可方便地確保整個(gè)傳感器監視系統的精確時(shí)序，同時(shí)降低功耗。采用這種基本時(shí)間片機制，單片機和RF收發(fā)器可在生命周期的大多數時(shí)間內處于低功耗待機模式。

　　安全性

　　意識到無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )所涉及的安全性問(wèn)題，大多數RF系統均采用了強大的算法來(lái)保護其數據。具有128位密鑰的高級加密標準（Advanced Encryption Standard,AES）確保了數據完整性以及系統抵抗黑客的能力，這兩者對于商業(yè)應用至關(guān)重要?？赏ㄟ^(guò)軟件實(shí)現 AES安全性。對于需要使工作時(shí)間最短的無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)，能夠盡快執行 AES計算非常重要，因為節點(diǎn)工作時(shí)的功耗最大。單片機可按需動(dòng)態(tài)更改處理功耗以幫助實(shí)現上述目標。別說(shuō)是電池供電設備就是采用有線(xiàn)電源的系統，要使 AES計算盡可能快也同樣是不爭的事實(shí)。功耗對所有系統（有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)）的溫度、體積及成本均有影響。

　　系統成本

　　眾所周知，系統的總成本在設計任何系統（如無(wú)線(xiàn)溫度傳感器）的過(guò)程中始終起著(zhù)非常重要的作用。確定無(wú)線(xiàn)單片機成本的關(guān)鍵因素是所需程序和數據儲存區的數量。傳感器網(wǎng)絡(luò )和相關(guān)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)人員希望采用存儲空間最佳的一系列單片機來(lái)滿(mǎn)足應用程序的需求。開(kāi)發(fā)基于網(wǎng)絡(luò )協(xié)議層（如ZigBee）的較大應用程序時(shí)，需要較大的存儲空間--在有些情況下，大于250 KB.若要實(shí)現較為簡(jiǎn)單的傳輸協(xié)議，尤其是在對成本極度敏感的設計中，可使用單片機的許多功耗控制功能來(lái)最大程度降低成本和功耗。

　　硬件/軟件

　　本文中的設計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。超低功耗 PIC16LF1827單片機用在傳感器單元中，用于每秒測量一次模擬溫度傳感器，將結果存入數據緩沖區，運行復雜的噪聲濾波算法，然后采用 RF收發(fā)器發(fā)送結果數據。出于安全性考慮，此信息采用 AES算法保護并在已分配的預定時(shí)隙內發(fā)送。此外，單片機在上電后初始化 RF收發(fā)器射頻配置設置，并按需控制射頻設備的功耗模式。

　　結論

　　本文探討了輕松實(shí)現非?；镜牡凸臒o(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的過(guò)程。更好地理解超低功耗單片機的各種功耗管理功能，有助于系統工程師開(kāi)發(fā)綠色無(wú)線(xiàn)解決方案。只需選擇合適的超低功耗單片機和 RF射頻產(chǎn)品，理清所有系統級任務(wù)的需求，然后使用單片機的功耗管理設置，即可使系統處于低功耗休眠狀態(tài)，這樣就構成了低成本的超低功耗解決方案，從而完成任務(wù)。