无线传感器
节点( WSN )在促进物联网( IoT )开展方面发挥着要害作用。WSN的长处在于，它的功耗极低，尺度极小，装置简洁。对许多物联网的运用而言，比如装置在室外的运用，WSN可运用太阳能供电。当室内有光，体系就由太阳光供电，一起为细微扣子电池或超级电容器充电，以在没有光的状况下为体系供电。
在一般状况下，无线传感器节点是传感器为根底的设备，担任督查温度、湿度或压力等条件。节点从任何类型的传感器搜集数据，然后以无线方法传递数据到操控单位，比如计算机或移动设备，并在此处理、评价数据，并采纳举动。抱负状况下，节点可以由能量搜集机制取得作业电源，成为独立运作的设备。从一般意义上讲，能量搜集的进程是捕捉并转化来自光、振荡，或热等来历的极少数能量为电能的进程。
图 1：能量搜集体系规划示例
图 1 显现了能量搜集体系的框图。能量是由能量搜集体系 (如太阳能板)搜集，并由电源办理集成电路 (IC) (PMIC) 转化成安稳的能量，再运用低漏、低阻抗的电容器贮存。这些动力能供应传感器接口负载 (比如微操控器MCU)，而MCU是用无线方法来传送数据的传感器。本图中，能量搜集传感器( EHS )是无线传感器节点。
图 2：无线传感器节点体系示例
图2显现了无线传感器节点的框图。在这儿，已处理的传感器数据会透过低功耗蓝牙( BLE )以无线方法传输。BLE 是用于短距离、低功耗无线运用的规范，以沟通状况或操控信息。BLE 在2.4 GHz ISM 频带及二进制频移键控(GFSK)调制下运作，此支撑1 Mbps 的数据速率。
而电源办理 IC是用来安稳能量搜集设备所要求的功秏，以支撑其超低功耗的运作。 打个比如，赛普拉斯S6AE103A PMIC 器材的电流耗费低至280 nA，发动功率为 1.2uW(见图3)。因而，在约100勒克斯(lx) 的低亮度的环境中，紧凑型太阳能电池仍然可以取得少数的能量。
图 3：用于能量搜集的S6AE103A PMIC 器材框图
高效的无线传感器节点规划
让咱们考虑一下规划无线传感器节点所触及的过程：
第 1 步：挑选硬件：
在硬件方面，你需求恰当的传感器，一台终究能用能量搜集设备供电的MCU及 PMIC。你或许需求额定的无源组件，此视乎规划而定。
传感器可以是仿真或数字方法。如今市面上许多传感器是运用根据%&&&&&%总线(I2C)、串行外设接口 (SPI)或异步收发传输器(UART)界面为规范的数字传感器。电耗极低的传感器在市面上亦有售。为了坚持设备本钱保持低水平，外形细巧，配有归纳BLE的MCU可以简化规划，并缩短推出商场的时刻。为了进一步加速规划，许多厂商都运用彻底归纳，彻底经过认证的可编程模块，例如赛普拉斯EZ-BLE Modules。模块由一个首要MCU、两块结晶、芯片或盯梢天线、扩展板及无源组件组成。因为这些模块现已具有有必要的BLE认证，产品可以快速推出商场。
图 4：BLE模块示例：太阳能供能的低功耗蓝牙传感器信标CYALKIT-E02
第 2 步：规划固件和估量功耗
挑选了可编程的MCU 后，下一步便是编写恰当的固件。固件需求具有的基本功用是搜集传感器数据的接口，用无线传送数据的BLE组件或仓库，和可以担任固件处理的CPU。
因为超低耗运作是要害，电流耗费总和需求由一开始归入考虑。总计电流耗费是传感器所耗费的电流及MCU 所耗费的电流总和。因为传感器一般不会耗费太多的总电流，其要点应该放在怎么将MCU所耗费的电流减至最低。在优化电流之前，要考虑在MCU内涵耗费电流的三个首要的组件：CPU、传感器接口模块(如 I2C 、SPI 等)和BLE子体系。这儿，当无线电收音机开动(例如BLE Tx及Rx)，电流的首要顾客会是BLE电收音机。
嵌入式 MCU 供给各种低功耗形式，以削减电流耗费。固件规划人员需求考虑这些低功耗形式和规划代码，这样，均匀电流的耗费就能减至最低。例如，传感数据并不是瞬速改变的，固件需求间中扫瞄传感数据(例如每隔 5 至 10 秒钟，时刻距离视乎传感器而定)。传感器的已读数据经过 BLE， 以无线方法传输。
就 BLE 固件而言，传感器可以连同 BLE 播送包将数据发送。咱们主张不要连同播送包转送太多其他数据，因为这样会进一步添加电流。在播送距离与传感器扫描距离之间， MCU需进入低功耗形式，比如是「休眠功用 」。低电耗定时器就如看门狗定时器，可以在定时器倒数完毕时，唤醒设备。 为了运用低功耗操作，MCU进行了优化，供给一个 BLE 内部定时器，当播送距离完毕，可唤醒进入了休眠功用的设备。图 5显现了操作的固件流程。
图 5：为高效无线传感器节点规划而建立的固件流程
只需规划好固件，您可以丈量电流。你可以运用原型电路板丈量电流。请注意，MCU的发动及低耗形式的电流需求独立测量。只需你知道MCU别离以发动及低耗形式操作的时刻，均匀的电流耗费是：
(Iactivex Tactive) + (ILowPower x TLowPower)
Tactive+TLowPower
Tactive+TLowPower
有了均匀电流的数字，你就可以将它乘以PMIC电压，然后找出均匀功率。
第 3 步优化固件，最大极限地下降均匀电流耗费
状况有或许是，初始计算出的规划功率的太高，太阳能 PMIC 无法支撑。假如是这样，你就需求优化固件。这儿有几个有用方法来履行此操作：
履行优化 MCU 的发动代码：当MCU 正在发动，你不需求运用如24MHz晶产时钟的高频外部时钟，以操作BLE。开始就关掉此时钟，可以节约动力。再者，时钟晶体可以使用这些时刻安稳下来，而其亦是发动的其间一个部件。这些时钟逐渐安稳下来，MCU 可以再次调较至低耗形式，内部低频时钟可以在时钟预备好的时分唤醒设备。简而言之，发动代码的履行时刻可以很长，而且固件规划人员需求尽量削减发动电流耗费。
a. 下降主 CPU 运作频率
b. 在进入低功率形式前，操控驱动形式，以避免MCU引脚走漏电流。
c. 假如MCU支撑任何调试接口，要将它们废弃。
这些过程有助下降均匀电流耗费。
第 4 步：规划硬件
有了功耗优化的固件，是时分根据PMIC规划硬件 。图 6 显现了一个简略以能量搜集根底的 PMIC 规划。
图 6：简略的能量搜集规划
在 PMIC 首要贮存太阳能到贮存的设备 VSTORE1 (VST1)，此案例为一个300-μF 的陶瓷电容器。当 VST 1 到达 VOUTH V，能量就可以发送到 MCU 。但这个简略的能量搜集规划不能全日运作，原因是没有备份电容器。让咱们来看看，备份电容器怎么加配到PMIC设备，和电容器可以怎么帮助MCU。
图 7：能量搜集与备份%&&&&&%器
操作WSN 所需的能量首要存储在 VST 1 ，剩下的能量用于 VST 2充电 。存储在 VST 2 的能量可于没有光线照耀的状况下继续供给予 WSN 。此外，还可以衔接一个额定的扣子电池到 PMIC，以添加可靠性，如图8所示 。
图 8：多个电源输入的能量搜集
PM%&&&&&% 转化两种电源来历，以便 WSN 可以在所有条件下(即便没有灯火的状况)运转。转化主动发生，使动力在有需求时供应给WSN 。因而，这或许是 WSN的 最恰当的硬件规划。
第 5 步：规划用户界面
衔接到无线传感器节点的用户界面规划可以是用WSN传输，以接纳数据的手机运用，便是这么简略。因为传感器的数据或许会在播送包固定方位呈现，BLE运用可以规划到可以从这些方位提取相关数据，并将数据显现到你的手机上。这种技能可用于办理多个 WSNs 构成的杂乱网络。
