無線傳感器節(jié)點（ WSN ）在促進物聯(lián)網（ IoT ）發(fā)展方面發(fā)揮著關鍵作用。WSN的優(yōu)點在于,，它的功耗極低,，尺寸極小,，安裝簡便。對很多物聯(lián)網的應用而言,，譬如安裝在室外的應用,，WSN可使用太陽能供電。當室內有光,，系統(tǒng)就由太陽光供電,，同時為細小紐扣電池或超級電容器充電，以在沒有光的情況下為系統(tǒng)供電,。

　　在一般情況下,，無線傳感器節(jié)點是傳感器為基礎的設備，負責監(jiān)察溫度,、濕度或壓力等條件,。節(jié)點從任何類型的傳感器收集數(shù)據(jù)，然后以無線方式傳遞數(shù)據(jù)到控制單位,，譬如計算機或移動設備,，并在此處理、評估數(shù)據(jù)，并采取行動,。理想情況下,，節(jié)點可以由能量收集機制獲得作業(yè)電源，成為獨立運作的設備,。從一般意義上講,，能量收集的過程是捕捉并轉換來自光、振動,，或熱等來源的極少量能量為電能的過程,。

　　圖 1：能量收集系統(tǒng)設計示例

　　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) （如太陽能板）收集,，并由電源管理集成電路 (IC) (PMIC) 轉換成穩(wěn)定的能量,，再使用低漏、低阻抗的電容器儲存,。這些能源能供給傳感器接口負載 （譬如微控制器MCU）,，而MCU是用無線方式來傳送數(shù)據(jù)的傳感器。本圖中,，能量收集傳感器（ EHS ）是無線傳感器節(jié)點,。

　　圖 2：無線傳感器節(jié)點系統(tǒng)示例

　　圖2顯示了無線傳感器節(jié)點的框圖。在這里,，已處理的傳感器數(shù)據(jù)會透過低功耗藍牙（ BLE ）以無線方式傳輸,。BLE 是用于短距離、低功耗無線應用的標準,，以交流狀態(tài)或控制信息,。BLE 在2.4 GHz ISM 頻帶及二進制頻移鍵控（GFSK）調制下運作，此支持1 Mbps 的數(shù)據(jù)速率,。

　　而電源管理 IC是用來穩(wěn)定能量收集設備所要求的功秏,，以支持其超低功耗的運作。  打個比方,，賽普拉斯S6AE103A PMIC 器件的電流消耗低至280 nA,，啟動功率為 1.2uW（見圖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

　　高效的無線傳感器節(jié)點設計

　　讓我們考慮一下設計無線傳感器節(jié)點所涉及的步驟：

　　第 1 步：選擇硬件：

　　在硬件方面,，你需要適當?shù)膫鞲衅鳎慌_最終能用能量收集設備供電的MCU及 PMIC,。你可能需要額外的無源組件,，此視乎設計而定。

　　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（I2C）,、串行外設接口 （SPI）或異步收發(fā)傳輸器（UART）界面為標準的數(shù)字傳感器,。電耗極低的傳感器在市面上亦有售。為了保持設備成本維持低水平,，外形小巧,，配有綜合BLE的MCU能夠簡化設計，并縮短推出市場的時間,。為了進一步加快設計,，許多廠商都使用完全綜合，完全通過認證的可編程模塊,，例如賽普拉斯EZ-BLE Modules,。模塊由一個主要MCU、兩塊結晶,、芯片或跟蹤天線,、擴展板及無源組件組成。由于這些模塊已經擁有必須的BLE認證,，產品可以快速推出市場,。

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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,，初始計算出的設計功率的太高,，太陽能 PMIC 無法支持。如果是這樣,，你就需要優(yōu)化固件,。這里有幾個有效方法來執(zhí)行此操作：

　　執(zhí)行優(yōu)化 MCU 的啟動代碼：當MCU 正在啟動，你不需要使用如24MHz晶產時鐘的高頻外部時鐘,，以操作BLE,。最初就關掉此時鐘，能夠節(jié)約能源,。再者,，時鐘晶體可以利用這些時間穩(wěn)定下來，而其亦是啟動的其中一個部件,。這些時鐘漸漸穩(wěn)定下來,，MCU 可以再次調較至低耗模式，內部低頻時鐘可以在時鐘預備好的時候喚醒設備,。簡而言之,，啟動代碼的執(zhí)行時間可以很長，并且固件設計人員需要盡量減少啟動電流消耗,。

　　a.降低主 CPU 運作頻率

　　b.在進入低功率模式前,，控制驅動模式，以防止MCU引腳泄漏電流。

　　c.如果MCU支持任何調試接口,，要將它們廢除,。

　　這些步驟有助降低平均電流消耗。

　　第 4 步：設計硬件

　　有了功耗優(yōu)化的固件,，是時候基于PMIC設計硬件 ,。圖 6 顯示了一個簡單以能量收集基礎的 PMIC 設計。

　　圖 6：簡單的能量收集設計

　　在 PMIC 首先儲存太陽能到儲存的設備 VSTORE1 (VST1),，此事例為一個300-μF 的陶瓷電容器,。當 VST 1 達到 VOUTH V，能量就可以發(fā)送到 MCU ,。但這個簡單的能量收集設計不能全日運作,，原因是沒有備份電容器。讓我們來看看,，備份電容器如何加配到PMIC設備,，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在 VST 1 ,，剩余的能量用于 VST 2充電 ,。存儲在 VST 2 的能量可于沒有光線照射的情況下持續(xù)提供予 WSN 。此外,，還可以連接一個額外的紐扣電池到 PMIC,，以增加可靠性，如圖8所示 ,。

　　圖 8：多個電源輸入的能量收集

　　PMIC 轉換兩種電源來源,，以便 WSN 可以在所有條件下（即使沒有燈光的情況）運行。轉換自動產生,，使能源在有需要時供應給WSN ,。因此，這可能是 WSN的 最適當?shù)挠布O計,。

　　第 5 步：設計用戶界面

　　連接到無線傳感器節(jié)點的用戶界面設計可以是用WSN傳輸,，以接收數(shù)據(jù)的手機應用，就是這么簡單,。由于傳感器的數(shù)據(jù)可能會在廣播包固定位置出現(xiàn),，BLE應用可以設計到能夠從這些位置提取相關數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)顯示到你的手機上,。這種技術可用于管理多個 WSNs 構成的復雜網絡,。