低功耗無線傳感器網絡

全球對“綠色”科技和能源使用效率的需求推動著新一代超低功耗無線網絡的發(fā)展。這種新一代網絡正在不斷發(fā)展以用于工業(yè)和控制應用中基于傳感器的遠程系統(tǒng)；此外，它也促使更多應用更好地使用無須任何網絡電纜或電源線的真正無線解決方案。

用于監(jiān)視和控制的基于傳感器網絡并非新概念，現有技術可實現有線和專有無線系統(tǒng)。由于有線方案廉價又簡便，因而得以廣泛使用；無線方案，與之相對，僅限用于一些特定的應用。

如今，采用僅需極少功耗的設計，可使開發(fā)這些類型的無線系統(tǒng)成為可能。新一代無線網絡可依靠其電池工作更長時間，并且在應用的生命周期中僅需很少或者根本無須維護。未來，能量收集甚至可以提供所需能源，而不再需要電池。.

本文將著重介紹新一代嵌入式單片機所具有的各種超低功耗控制功能，以及工程師如何利用這些功能延長無線傳感器節(jié)點中電池的預期壽命。

功耗管理功能
那么，什么是“低功耗”呢？在繼續(xù)之前，讓我們首先討論一些術語。“能量”與所做功的總量相關，而“功率”測量的是做功的速率（單位時間使用的能量）。在電子學中，能量=功率×時間，功率=電壓×電流。因而，我們所要關注的關鍵系統(tǒng)參數為電壓、電流和時間。具體來說，就是應用在多大電壓下運行，要消耗多少電流，以及要運行多久？

從單片機的角度來研究這一問題，我們首先需要探討新型單片機的各種功耗模式。

1 功耗模式
根據處理需求，應用具有一組顯著不同的預設工作模式。嵌入式單片機可利用其眾多外設中的一個來采樣周圍環(huán)境的信號。在外設收集到一定數量的采樣之前，單片機可能無其他事要做。那么，單片機可能會在每次數據采樣之間“休眠”或進入超低功耗待機模式。一旦應用程序讀到了足夠多的數據采樣，單片機即可輕松切換至“全速運行”模式，此時單片機被喚醒并以最大工作速度運行。

單片機通常會接收到某種類型的喚醒事件，才會從各種低功耗模式中退出。喚醒事件可由諸如I/O引腳電平翻轉等外部激勵信號或諸如定時器外設產生的中斷事件等內部處理器活動觸發(fā)。單片機所支持的具體功耗模式有所不同，但通常各種功耗模式總有一些共同點。典型的功耗模式如下：

● “始終運行”模式

● “休眠”或“待機”模式，此時保持對存儲器供電

● “深睡”或“深度休眠”模式，此時存儲器斷電，以最大程度節(jié)省功耗。

2 “始終運行”模式
“始終運行”模式嵌入式系統(tǒng)由持續(xù)供電且處于運行狀態(tài)的器件構成。這些系統(tǒng)的平均功耗需求極有可能在亞毫安范圍內，從而直接限制了單片機所能達到的處理性能。幸運的是，新一代嵌入式單片機具有動態(tài)控制其時鐘切換頻率的功能，因為在無須較高計算能力的情況下，有助于減少工作電流消耗。

3 待機模式
在“待機”模式下，系統(tǒng)工作或處于低功耗非活動模式。在這些系統(tǒng)中，工作和待機電流消耗都非常重要。在大多數待機模式系統(tǒng)中，由于保持對單片機存儲器通電，雖然電流消耗顯著減少，但仍可保持所有的內部狀態(tài)及存儲器內容。此外，可在數秒內喚醒單片機。通常，此類系統(tǒng)在大多數時間處于低功耗模式，但仍需具備快速啟動能力來捕捉外部或對時間要求極高的事件。保持對存儲器的供電有助于保持軟件參數完整性以及應用程序軟件的當前狀態(tài)。從功耗模式退出的典型啟動時間通常在5～10μs范圍內。

4 深度休眠模式
在深度休眠或“深睡”模式系統(tǒng)中，系統(tǒng)全速運行或處于可大幅節(jié)省功耗的“深度休眠”模式。由于該模式通過完全關斷嵌入式單片機內核（包括片上存儲器）來最大程度節(jié)省能耗，因而尤為引人注目。由于在該模式下存儲器斷電，因此必須在進入深度休眠模式前將關鍵信息寫入非易失性存儲器。該模式使單片機的功耗降至絕對最小值，有時低至20nA。此外，喚醒單片機后需重新初始化所有存儲器參數，這樣會延長喚醒反應總時間。從該模式退出的典型啟動時間通常在200～300μs范圍內。