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将传感器设计运用到电池供电的无线物联网(IoT)设备中

2018-02-11 来源:Silicon Labs [责任编辑:lina]
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【导读】物联网(IoT)正在将现实世界里的“模拟”事件转换成网络的行动和反应,连在网络中的物联网节点能够监测模拟事件,并且在需要报告的事件发生时,将其进行转化后通过互联网报告给应用程序,以完成相应的任务。


 
其中最突出的物联网应用类别是使用电池供电的传感器,它们被放置在没有电线的区域来监测事件,并通过无线网络与物联网通信。大多数情况下,这些产品是始终开启的、由电池操作的无线传感器,支持无线协议、一个 MCU 和至少一个 模拟传感器。
 
面临的挑战是在单一电池或一次充电的情况下,如何将产品足以感知环境的续航时间最大化。
 
该挑战可细化为以下方面:
 
1. 根据应用程序要求,胜任实时感知任务;
 
2. 完成传感器测量,同时尽可能少地使用能源;
 
3. 保持“周期性工作”MCU 外围设备,并让 CPU 内核尽可能多地处于睡眠状态。
 
在这种应用中,很多MCU的典型做法是唤醒MCU内核然后使用各种外设去完成传感器测量(图 1)。当有事件 (例如开门) 需要报告时,MCU 进行了报告并返回至其周期性工作规律流程中。这将消耗大量电能,且不能使电池巡航时间最大化,因为运行的“整个 MCU”中,包括很多外围设备和无关内核运转都在消耗电能。
 
实际上,这种方法很可能导致较差的客户体验:客户将设备置于其环境中,将其设置在网络上并启用,但几个月之后,设备就因为较差的电池电源管理能力而停止工作。
 
 
图1 CPU 在每次测量中都进行查询并保持活跃,从而导致较高电能消耗
 
1物联网应用理想的电池供电、无线传感器节点解决方案
 
最佳解决方案将应对以上所述挑战中的每一个方面,可在电池一次充电的情况下将产品完成环境感测的工作时间最大化。
 
考虑到以上情况,电池供电的物联网传感器设备应提供:
 
1. 自主而节能的传感器管理和测量系统;
 
2. 可对每个传感器进行独立配置的传感器输入/输出、阈值和配置;
 
3. 低功耗、可配置的逻辑引擎,仅当绝对需要时才会唤醒 MCU;
 
4. 用以为多次测量提供缓存的低功耗内存,并延长 CPU 唤醒间隔时间;
 
5. 低无线功耗。
 
2 Silicon Labs Gecko 低功耗传感器接口 (LESENSE)
 
几年前,Silicon Labs 就预见到电池供电的无线传感器应用的重要性。自此,我们对低能耗的无线、MCU 和传感器技术进行了大规模的投入。
 
我们的 Gecko MCU 具有节能型的架构,并提供几种关键系统,使其能更有效率地运作,其续航时间也长于其他 MCU。
 
Gecko 和 Wireless Gecko (以下合称“Gecko MCU”) 使用低功耗传感器接口 (LESENSE)、外围设备反射系统 (PRS) 和其他低功耗技术,可以在极低的功耗水平下运作,而同时内核与 MCU的大部分仍处于深度睡眠模式。
 
上述特性结合其他特性就可以节省很多电能。
 
表1对于电池供电的物联网传感器系统的要求
 
 
3 Gecko LESENSE 详情
 
LESENSE 是高度可配置传感器接口和系统,可自主连续管理并监控最多 16 个电阻性、电容性或电感性传感器, 并同时保持芯片整体处于深度睡眠模式,且内核 (CPU) 始终保持关闭。
 
LESENSE 包括一个定序器、一个计数和比较器单元、一个可配置译码器,以及用于配置设置和测量结果存储的 RAM。
 
1) 定序器可以操作低频振荡器,并通过 PRS 处理与其他外围设备的相互作用,并可为传感器的工作周期和测量定时。
 
2) 计数和比较器单元对来自定序器的脉冲进行计数,并将信息与可配置阈值进行对比。
 
3) 译码器/状态机接收传感器测量,并根据最多 16 种可配置状态和相关动作采取行动。

LESENSE 可配置传感器阈值
 
当外部事件超过传感器阈值时才唤醒 CPU 并不是一个革命性的概念。本质上,它会将恒定的 MCU 工作周期从图 1 中移至单个事件;当模拟事件超过给定阈值时,MCU 苏醒并执行各种行动。
 
但是,LESENSE 与之不同之处在于,它提供了一个完整的传感器系统,以便管理并监控传感器以及相关的外围 设备,而不需要 CPU 的参与,MCU 参与度也为最低。这就是 LESENSE 的基本概念,而附加功能还进一步拓展 了概念。
 
LESENSE 也在不唤醒 CPU 的情况下对数量可配置的阈值事件进行缓冲。这使得系统能够在一段较长的时间段内监控外部事件。LESENSE 通过自主周期性采集所需的外围设备块 (如模拟比较器、低频振荡器和传感器本身),以便完成传感器测量,而 CPU 则保持在深度睡眠模式。
 
在以下概念图中,LESENSE 被配置为允许传感器 1 超过其可配置阈值两次之后才唤醒 CPU。
 
 
图 2:每个启用 LESENSE 的传感器输入/输出均为独立且可配置的。
 
LESENSE 也提供附加功能,以管理并监控最多 16 个具有唯一阈值的不同传感器。在使用内置低功耗状态机 (译码器) 时,LESENSE 可在发送中断唤醒 CPU 之前评估几项事件。
 
在图 3 中,LESENSE 对传感器 2 的事件 1、2 和 3 的测量信息进行缓冲,并在唤醒核心之前将这些信息与传感器 1 的事件 1 和 2 的测量数据相结合。这个简单的使用实例采用 LESENSE 的单独配置传感器、低功耗内存 和低功耗状态机。
 
 
图 3:在 CPU 中断之前,多个传感器及唯一配置支持多个事件。
 
传感器节点从 LESENSE 缓冲测量中重新校准
 
由于很多传感器系统在各种不同的环境条件下实施,必须能够在诸如温度、湿度、电源电压、透气性和连接性等参数不断变化的情况下进行可靠的操作。
 
LESENSE 的缓存功能可使 CPU 在被唤醒时重新校准自身多项读数。这样可避免随着情况的变化发生多次重复校准的事件,进一步节约能源并提供更大的系统校准样本集。
 
总结
 
LESENSE 可使 Gecko MCU 和无线 MCU 监控电阻性、电容性、电感性(和 IR)传感器,同时使能耗较高的内核和大部分 MCU 保持深度睡眠模式。LESENSE 能够监控最多 16 个使用小于 1 μA 的传感器并提供可配置的阈 值,并提供了可对多个事件进行缓冲的 RAM,以及用于可配置唤醒中断的状态机。
 
开始了解 Gecko MCU、Wireless Gecko MCU 和 LESENSE:
 
· 关于 LESENSE 的培训视频
 
· 关于 LESENSE的培训演示(来自视频的幻灯片)
 
· 应用说明
 
o 电容传感 LESENSE (AN0028)
 
o 电感传感 LESENSE (AN0029)
 
o 电阻传感 LESENSE (AN0036)
 
o IR 传感 LESENSE (AN0053)
 
o PRS – 节能外围设备反射系统 (AN0025)





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关键字:传感器  电池供电  无线物联网 
本文链接:http://www.cntronics.com/sensor-art/80033511
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