2018年02月07日 | 使用电池供电的传感器 通过无线网络与物联网通信来监测事

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：

根据应用程序要求，胜任实时感知任务；

完成传感器测量，同时尽可能少地使用能源；

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。

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：

自主而节能的传感器管理和测量系统；

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；

低功耗、可配置的逻辑引擎，仅当绝对需要时才会唤醒 MCU；

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；

低无线功耗。

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。

本文提供了 LESENSE 的简要概述。外设反射系统（PRS）可使外围设备没有内核的干预仍能够周期性的工作，PRS 在节能方面的优势也很重要，这一点将在文末引用的其他资源中进行论述。上述特性结合其他特性就可以节省很多电能。

对于电池供电的物联网传感器系统的要求

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。

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。

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。

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。