無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)（ WSN ）在促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)（ IoT ）發(fā)展方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。WSN的優(yōu)點(diǎn)在于，它的功耗極低，尺寸極小，安裝簡(jiǎn)便。對(duì)很多物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用而言，譬如安裝在室外的應(yīng)用，WSN可使用太陽(yáng)能供電。當(dāng)室內(nèi)有光，系統(tǒng)就由太陽(yáng)光供電，同時(shí)為細(xì)小紐扣電池或超級(jí)電容器充電，以在沒(méi)有光的情況下為系統(tǒng)供電。
在一般情況下，無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)是傳感器為基礎(chǔ)的設(shè)備，負(fù)責(zé)監(jiān)察溫度、濕度或壓力等條件。節(jié)點(diǎn)從任何類(lèi)型的傳感器收集數(shù)據(jù)，然后以無(wú)線(xiàn)方式傳遞數(shù)據(jù)到控制單位，譬如計(jì)算機(jī)或移動(dòng)設(shè)備，并在此處理、評(píng)估數(shù)據(jù)，并采取行動(dòng)。理想情況下，節(jié)點(diǎn)可以由能量收集機(jī)制獲得作業(yè)電源，成為獨(dú)立運(yùn)作的設(shè)備。從一般意義上講，能量收集的過(guò)程是捕捉并轉(zhuǎn)換來(lái)自光、振動(dòng)，或熱等來(lái)源的極少量能量為電能的過(guò)程。
圖 1：能量收集系統(tǒng)設(shè)計(jì)示例
圖 1 顯示了能量收集系統(tǒng)的框圖。能量是由能量收集系統(tǒng) （如太陽(yáng)能板）收集，并由電源管理集成電路 (IC) (PMIC) 轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的能量，再使用低漏、低阻抗的電容器儲(chǔ)存。這些能源能供給傳感器接口負(fù)載 （譬如微控制器MCU），而MCU是用無(wú)線(xiàn)方式來(lái)傳送數(shù)據(jù)的傳感器。本圖中，能量收集傳感器（ EHS ）是無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)。
圖 2：無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)示例
圖2顯示了無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)的框圖。在這里，已處理的傳感器數(shù)據(jù)會(huì)透過(guò)低功耗藍(lán)牙（ BLE ）以無(wú)線(xiàn)方式傳輸。BLE 是用于短距離、低功耗無(wú)線(xiàn)應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)，以交流狀態(tài)或控制信息。BLE 在2.4 GHz ISM 頻帶及二進(jìn)制頻移鍵控（GFSK）調(diào)制下運(yùn)作，此支持1 Mbps 的數(shù)據(jù)速率。
而電源管理 IC是用來(lái)穩(wěn)定能量收集設(shè)備所要求的功秏，以支持其超低功耗的運(yùn)作。 打個(gè)比方，賽普拉斯S6AE103A PMIC 器件的電流消耗低至280 nA，啟動(dòng)功率為 1.2uW（見(jiàn)圖3）。因此，在約100勒克斯（lx） 的低亮度的環(huán)境中，緊湊型太陽(yáng)能電池依然可以獲得少量的能量。
圖 3：用于能量收集的S6AE103A PMIC 器件框圖
高效的無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
讓我們考慮一下設(shè)計(jì)無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)所涉及的步驟：
第 1 步：選擇硬件：
在硬件方面，你需要適當(dāng)?shù)膫鞲衅鳎慌_(tái)最終能用能量收集設(shè)備供電的MCU及 PMIC。你可能需要額外的無(wú)源組件，此視乎設(shè)計(jì)而定。
傳感器可以是仿真或數(shù)字形式。現(xiàn)今市面上很多傳感器是使用基于集成電路總線(xiàn)（I2C）、串行外設(shè)接口 （SPI）或異步收發(fā)傳輸器（UART）界面為標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字傳感器。電耗極低的傳感器在市面上亦有售。為了保持設(shè)備成本維持低水平，外形小巧，配有綜合BLE的MCU能夠簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，并縮短推出市場(chǎng)的時(shí)間。為了進(jìn)一步加快設(shè)計(jì)，許多廠(chǎng)商都使用完全綜合，完全通過(guò)認(rèn)證的可編程模塊，例如賽普拉斯EZ-BLE Modules。模塊由一個(gè)主要MCU、兩塊結(jié)晶、芯片或跟蹤天線(xiàn)、擴(kuò)展板及無(wú)源組件組成。由于這些模塊已經(jīng)擁有必須的BLE認(rèn)證，產(chǎn)品可以快速推出市場(chǎng)。
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第 3 步優(yōu)化固件，最大限度地降低平均電流消耗
情況有可能是，初始計(jì)算出的設(shè)計(jì)功率的太高，太陽(yáng)能 PMIC 無(wú)法支持。如果是這樣，你就需要優(yōu)化固件。這里有幾個(gè)有效方法來(lái)執(zhí)行此操作：
執(zhí)行優(yōu)化 MCU 的啟動(dòng)代碼：當(dāng)MCU 正在啟動(dòng)，你不需要使用如24MHz晶產(chǎn)時(shí)鐘的高頻外部時(shí)鐘，以操作BLE。最初就關(guān)掉此時(shí)鐘，能夠節(jié)約能源。再者，時(shí)鐘晶體可以利用這些時(shí)間穩(wěn)定下來(lái)，而其亦是啟動(dòng)的其中一個(gè)部件。這些時(shí)鐘漸漸穩(wěn)定下來(lái)，MCU 可以再次調(diào)較至低耗模式，內(nèi)部低頻時(shí)鐘可以在時(shí)鐘預(yù)備好的時(shí)候喚醒設(shè)備。簡(jiǎn)而言之，啟動(dòng)代碼的執(zhí)行時(shí)間可以很長(zhǎng)，并且固件設(shè)計(jì)人員需要盡量減少啟動(dòng)電流消耗。
a.降低主 CPU 運(yùn)作頻率
b.在進(jìn)入低功率模式前，控制驅(qū)動(dòng)模式，以防止MCU引腳泄漏電流。
c.如果MCU支持任何調(diào)試接口，要將它們廢除。
這些步驟有助降低平均電流消耗。
第 4 步：設(shè)計(jì)硬件
有了功耗優(yōu)化的固件，是時(shí)候基于PMIC設(shè)計(jì)硬件 。圖 6 顯示了一個(gè)簡(jiǎn)單以能量收集基礎(chǔ)的 PMIC 設(shè)計(jì)。
圖 6：簡(jiǎn)單的能量收集設(shè)計(jì)
在 PMIC 首先儲(chǔ)存太陽(yáng)能到儲(chǔ)存的設(shè)備 VSTORE1 (VST1)，此事例為一個(gè)300-μF 的陶瓷電容器。當(dāng) VST 1 達(dá)到 VOUTH V，能量就可以發(fā)送到 MCU 。但這個(gè)簡(jiǎn)單的能量收集設(shè)計(jì)不能全日運(yùn)作，原因是沒(méi)有備份電容器。讓我們來(lái)看看，備份電容器如何加配到PMIC設(shè)備，和電容器能夠如何幫忙MCU。
圖 7：能量收集與備份電容器
操作WSN 所需的能量首先存儲(chǔ)在 VST 1 ，剩余的能量用于 VST 2充電 。存儲(chǔ)在 VST 2 的能量可于沒(méi)有光線(xiàn)照射的情況下持續(xù)提供予 WSN 。此外，還可以連接一個(gè)額外的紐扣電池到 PMIC，以增加可靠性，如圖8所示 。
圖 8：多個(gè)電源輸入的能量收集
PMIC 轉(zhuǎn)換兩種電源來(lái)源，以便 WSN 可以在所有條件下（即使沒(méi)有燈光的情況）運(yùn)行。轉(zhuǎn)換自動(dòng)產(chǎn)生，使能源在有需要時(shí)供應(yīng)給WSN 。因此，這可能是 WSN的 最適當(dāng)?shù)挠布O(shè)計(jì)。
第 5 步：設(shè)計(jì)用戶(hù)界面
連接到無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)的用戶(hù)界面設(shè)計(jì)可以是用WSN傳輸，以接收數(shù)據(jù)的手機(jī)應(yīng)用，就是這么簡(jiǎn)單。由于傳感器的數(shù)據(jù)可能會(huì)在廣播包固定位置出現(xiàn)，BLE應(yīng)用可以設(shè)計(jì)到能夠從這些位置提取相關(guān)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)顯示到你的手機(jī)上。這種技術(shù)可用于管理多個(gè) WSNs 構(gòu)成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。