| 引言
“物聯(lián)網(wǎng)”說的是一種日益明顯的趨勢，不僅連接人與電腦，而且將各種“東西”連接到互聯(lián)網(wǎng)。在工廠或大型基礎設施項目等應用中，在更多地點連接更多傳感器 (傳動器) 可以提高效率、改善安全性以及實現(xiàn)全新的商業(yè)模式。
現(xiàn)在不必面對在工廠內部布設電纜帶來的挑戰(zhàn)和高成本問題了，因為可以安裝可靠的、工業(yè)級強度的無線傳感器，這些傳感器可以靠小型電池工作很多年，或者依靠從光、振動或溫度變化等可用來源收集的能量工作。
凌力爾特提供設計高性能、可靠、低功率無線傳感器網(wǎng)絡所需的所有元件。本文所述案例是一個真實的設計，該設計整合了一個高分辨率溫度傳感器、一個電源管理電路和一個低功耗無線電模塊，其中電源管理電路用太陽能 (可用時) 和備份電池 (需要時) 供電，而無線電模塊則自動地構成一個可靠的網(wǎng)格網(wǎng)絡，以無線方式將所有傳感器連接到一個中央接入點。
設計概述
圖 1 顯示了該設計的方框圖。溫度傳感器基于一個熱敏電阻器，該熱敏電阻器由低噪聲 LT6654 電壓基準偏置。24 位ΔΣ ADC LTC2484 讀取熱敏電阻器的電壓，并通過 SPI 接口報告讀取的結果。LTP5901 是無線電模塊，不僅含有無線電單元，還含有自動構成 IP 網(wǎng)格網(wǎng)絡所需的連網(wǎng)固件。此外，LTP5901 還有一個內置的微處理器，該微處理器讀取 LTC2484 ADC SPI 端口，并管理面向信號鏈路組件的電源排序。LTC3330 是一款低功率、開關模式雙輸出電源，當可得到足夠的光照時，LTC3330 靠太陽能電池板供電，當光照不足但需要保持輸出電壓穩(wěn)定時，LTC3330 用電池供電。LTC3330 還含有一個 LDO，用來設定溫度傳感器供電電源的占空比。
圖 1：通過將無線電模塊連至 ADC、基準和熱敏電阻器以構成無線溫度傳感器。該電路由一個可從電池或太陽能電池板獲取電能的能量收集器供電。
信號鏈路
這個設計用一個熱敏電阻器測量溫度。熱敏電阻是非常適合在溫度遠遠超出人們感興趣的典型環(huán)境溫度范圍中讀取溫度值。熱敏電阻器指的是具備很大負溫度系數(shù)的電阻器。例如，器件型號為 KS502J2 (按照 US Sensor 公司的規(guī)定) 的熱敏電阻，在 25°C 時阻值為 5kΩ，在 -30°C 至 +70°C 溫度范圍內，電阻值從 88kΩ 變化到 875Ω。
該熱敏電阻器與兩個準確的 49.9kΩ 電阻串聯(lián)，并由精確的電壓基準 LT6654 偏置 (圖 2)。LTC2484 ΔΣ ADC 以 24 位分辨率測量電阻分壓器的分壓比。該 ADC 的總體未調整誤差為 15ppm，對于本文應用所用的熱敏電阻器斜率而言，這對應于少于 0.05°C 的溫度不確定性。這個熱敏電阻器規(guī)定的溫度準確度為 0.1°C，因此無需任何校準，所測量的溫度就能達到這樣的準確度。
圖 2：采用 LTC2484 24 位 ADC 讀取熱敏電阻的電壓。因為輸入共模電壓是置中，所以 Easy Drive ADC 不吸取輸入電流，從而很容易準確獲得成比例的讀數(shù)。
該 ADC 的噪聲低于 4µVp-p，這對應不到 0.005°C 的溫度變化。因此，通過校準，這個系統(tǒng)可以用來以極其精細的分辨率測量溫度。既然 ADC 測量熱敏電阻電壓與基準電壓值之比，所以嚴格說來，基準電壓無需準確。但是它必須是低噪聲的，因為在 ADC 轉換時，基準電壓變化可能引起誤差。
LTC2484 ADC 采用了 Easy Drive™ 輸入結構。這意味著在轉換時的凈差分采樣電流接近為零。因此，流經(jīng)阻性熱敏電阻器網(wǎng)絡的輸入采樣電流不引起任何測量誤差，這意味著，無需單獨的運算放大器緩沖器。旁路電容器在高頻時提供一條低阻抗通路。在很多情況下，不需要不斷測量溫度，而是每秒測量一次甚至每分鐘只測量一次。在系統(tǒng)未測量溫度時，節(jié)省功耗是有意義的。如下所述，這個應用電路正是這么做的。
電阻器網(wǎng)絡從 2.5V 基準吸取最大 25µA 電流。為了避免測量之間的功率損耗，將基準電源的工作周期調整為僅在測量期間導通。ADC 輸入的 RC 時間常數(shù)大約為 5ms。通過在進行測量之前 80ms接通電源，可確保 ADC 輸入完全穩(wěn)定。實際上，既然兩個輸入節(jié)點以相同的斜率接通，所以遠遠不用理論的穩(wěn)定時間那么久，讀數(shù)就已準確。LT6654 由 LTC3330 的 3V LDO 輸出供電。在讀取溫度讀數(shù)之前和之后的恰當時間，LTP5901 微處理器驅動 LTC3330 中 LDO 的使能引腳至高電平和低電平。
在未進行轉換時，LTC2484 自動進入休眠模式。與無線電已經(jīng)很低的功率相比，1µA 的睡眠電流更低。因此，不必設定至 ADC 供電電源的占空比。通過保持 ADC 的電源電壓始終與 LTP5901 相同，可確保 SPI 接口上的邏輯電平始終保持不變，這有助于實現(xiàn)簡單的設計。
通過 SPI 端口提供轉換結果以后，LTC2484 自動地開始進行新的轉換，并將轉換結果存儲到其內部寄存器中，直到用戶再次要求讀取轉換結果。在需要非常頻繁地讀取溫度值的系統(tǒng)中，這種工作方式是非常便利。但是，有些超低功率應用可能在兩次讀數(shù)之間等待很長時間。為了確保提供給用戶的溫度數(shù)據(jù)始終是“新鮮”的讀數(shù)，這類應用首先切換 CSb 和 SCK 引腳，以將“陳舊的”溫度讀數(shù)從 ADC 寄存器中移出，然后自動地開始進行新的溫度轉換。微處理器一直等待到轉換結束為止，然后通過 SPI 端口讀取結果。即使新的溫度讀取過程會再次自動開始，但是系統(tǒng)接下來會關閉熱敏電阻器網(wǎng)絡 (通過關閉 LDO)，因為這些額外的溫度讀數(shù)隨后將被忽略。
該溫度傳感器電路的總功耗可以按如下方法估計。首先，求基準 (350uA)、熱敏電阻器網(wǎng)絡 (25µA) 和 ADC (轉換時為 160µA) 的電流之和，所得總電流為 535µA (參見表 1)。然后，考慮這一電流持續(xù)多長時間。ADC 每次轉換大約耗時 140ms，在每次轉換之前，等待 80ms，以讓基準和熱敏電阻器穩(wěn)定。再加上一些 SPI 讀數(shù)所需時間，這樣接通時間大約為 300ms。在 300ms時間內消耗 535µA 電流，相應于 160µC 的電荷量。我們應該在這個電荷量之上，再加上給 4.7µF 電源旁路電容器充電至電壓基準所需的電荷量，因為每次讀數(shù)時這個節(jié)點都從 0V 充電至 3V。加上這個 14µC 的電荷量，每次讀取溫度數(shù)據(jù)時所需的總電荷量為 174µC。如果每隔 10 秒讀取一次溫度數(shù)據(jù)，那么就可計算出，平均電流消耗為 17µA。其他平均電源電流的例子在表 2 中給出。
表 1：信號鏈路電流消耗 (工作時)
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LT6654 基準
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350µA
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熱敏電阻器網(wǎng)絡
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25µA
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LTC2484 ADC
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160µA
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總電流
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535µA
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表 2：基于溫度讀取頻率進行電源管理的信號鏈路的平均電流消耗
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溫度讀取頻率
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平均電流
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每秒一次
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170µA
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每 10 秒一次
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17µA
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每分鐘一次
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2.9µA
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LTC3330 管理這個應用的所有電源。該芯片含有兩個開關模式電源和一個線性穩(wěn)壓器，采用小型單片封裝。降壓-升壓型轉換器可從電池取得功率，以保持穩(wěn)定的輸出電壓 (對這個應用而言設定為 3.6V)。一個單獨的降壓型轉換器可從太陽能電池板取得功率，也將輸出電壓調節(jié)至相同的值。一個內部優(yōu)先級區(qū)分器確保盡可能使用太陽能電源，僅當需要時才會從電池吸取功率 (圖 3)。對于其他應用，LTC3330 還支持 AC 能量收集電源，例如產(chǎn)生與振動能量成比例的 AC 電壓之壓電晶體 (參見圖 4)。
圖 3：LTC3330 從太陽能電池板或電池取得功率，自動地設定這兩種電源的優(yōu)先級，以保持穩(wěn)定輸出電壓。一個額外的 LDO 輸出由邏輯輸入引腳控制，這用來設定溫度傳感器電源的占空比。LTC3330 產(chǎn)生一個輸出標記，以指示正在使用的是太陽能電源還是電池電源。
圖 4：LTC3330 能量收集型 DC/DC 電池壽命延長器從壓電、太陽能或磁性能源收集能量。
LTC3330 吸取不到 1µA 靜態(tài)電流，非常適合這種低功耗無線應用。電源功耗僅占總功耗的一小部分，所以大部分功率可用于“負載” (即溫度傳感器和無線網(wǎng)絡)。
除了這兩個開關模式電源，LTC3330 還含有一個具備單獨使能引腳的 LDO。這功能對于這類占空比的應用是很有用。電壓基準和熱敏電阻器網(wǎng)絡用該 LDO 供電。這不僅降低了開關噪聲，還允許應用切換信號鏈電源接通和關斷，同時保持無線電模塊的電源始終接通。即使無線電模塊在兩次傳輸之間不消耗太多功率，但是它必須始終保持偏置，以保持定時器正確運行，這樣整個網(wǎng)絡就能保持時間同步了。無線電模塊內的微處理器在恰當?shù)臅r間給 LDO 使能引腳排序，使信號鏈路為讀取溫度數(shù)據(jù)做好準備。
LTC3330 提供一個輸出標記 (EH_ON)，該標記說明系統(tǒng)是在由電池還是太陽能電池板供電。能夠實時訪問這一信息對最終用戶來說可能很重要。因此，我們讓無線電模塊中的微處理器讀取這一輸出標記，并通過網(wǎng)絡與溫度數(shù)據(jù)一起傳送這一信息。EH_ON 輸出的邏輯電平是對于 LTC3330 的一個內部偏置電壓，該偏置電壓隨工作模式不同而改變，可能高于 4V。我們不是將這個輸出引腳直接連接到電壓較低的無線電模塊邏輯輸入，而是對其進行分壓，然后將其饋送給一個內置的 10 位 ADC，該 ADC 是微處理器的組成部分。在本文情況下，我們僅將這個 ADC 作為比較器使用，以指示 LTC3330 正在使用哪個電源。
無線網(wǎng)絡
LTP5901 是一個完整的無線電模塊，含有無線電收發(fā)器、嵌入式微處理器和網(wǎng)絡軟件。其物理設計由一塊小型印刷電路板組成，可非常容易地焊接到包含該應用其余部分 (信號鏈路和電源管理) 之主電路板上。
在這個應用中，LTP5901 執(zhí)行兩種功能：無線網(wǎng)絡和內務處理微處理器 (圖 5)。當給一個網(wǎng)絡管理器附近的多個 LTP5901 節(jié)點加電后，這些節(jié)點相互自動識別，并形成一個無線網(wǎng)格網(wǎng)絡。整個網(wǎng)絡自動完成時間同步，這意味著每個無線電模塊都僅在非常短的特定時間間隔內加電。因此，每個節(jié)點都可以既發(fā)揮傳感器信息源的作用，又作為路由節(jié)點，以向管理器轉發(fā)來自其他節(jié)點的數(shù)據(jù)。這樣，即使所有節(jié)點 (包括路由節(jié)點) 都以非常低的功率工作，依然可以建立一個高度可靠的低功耗網(wǎng)格網(wǎng)絡，每個節(jié)點到管理器都有多條通路可用。這種無線電技術典型的節(jié)點間傳送距離為 100 米，在有利的戶外條件下，距離甚至可以更長。
圖 5：LTP5901-IPM 僅需要非常少的連接，就能運行整個應用。所有無線網(wǎng)絡功能 (包括固件和 RF 電路) 都已經(jīng)內置在該模塊中。3線 SPI 主器件與 LTC2484 的 SPI 端口通信。GPIO 引腳 (DP2) 控制傳感器電源排序。內置 ADC 充當便利的電平轉換器，從 LTC3330 讀取能量收集狀態(tài)標記 EH_ON。
LTP5901 含有一個 ARM Cortex-M3 微處理器內核，該內核運行網(wǎng)絡軟件。此外，這個內核還可通過用戶提供的固件來設定，以執(zhí)行特定于用戶應用的任務。因此，無需任何第三方微處理器，就能夠實現(xiàn)很多應用。在本文例子中，LTP5901 內部的微處理器通過在合適的時間接通和斷開 LTC3330 的 LDO 來管理溫度傳感器的電源排序，以在兩次溫度讀取之間節(jié)省功率。LTP5901 直接與 24 位 ADC 的 SPI 端口通信，該 ADC 讀取溫度傳感器提供的溫度值。最后，LTP5901 從 LTC3330 讀取電源狀態(tài)輸出標記 (EH_ON)，該標記指示用來給電路供電的是太陽能還是電池。
無線電模塊的功耗可以用凌力爾特在網(wǎng)址 www.linear.com.cn/products/smartmesh_ip 上在線提供的工具“SmartMesh功率與性能估計器 (SmartMesh Power and Performance Estimator)”來估計。對于一個有 20 個節(jié)點 (其中 10個節(jié)點以無線方式直接連接到管理器 (1 跳)，另外 10 個節(jié)點間接連接到管理器 (兩跳) ) 的典型網(wǎng)絡而言，兩跳節(jié)點的平均功耗約為 20µA，1 跳節(jié)點則為 40µA。這些數(shù)字是在每個節(jié)點每 10 秒報告一次溫度數(shù)據(jù)的情況下得出的。1 跳節(jié)點消耗大約兩倍功率的原因是，它們不僅發(fā)送自己的傳感器數(shù)據(jù)，還充當路由節(jié)點，轉發(fā)一些兩跳節(jié)點的傳感器數(shù)據(jù)。如果關閉一種稱為“Advertising”(宣告) 功能，那么上述功率可以進一步減少兩倍。一旦“宣告”功能關閉，網(wǎng)絡就不再識別想加入網(wǎng)絡的新節(jié)點。除了這點不同，關閉廣告功能對網(wǎng)絡運行沒有任何影響。
總體功耗
完整應用電路的總體功耗視各種不同因素而有所不同，其中包括每個傳感器測量溫度的頻度以及所有節(jié)點在網(wǎng)絡中的配置方式。對于一個每 10 秒報告一次溫度數(shù)據(jù)的傳感器節(jié)點而言，典型功耗為傳感器部分低于 20µA，無線電模塊部分可能為 20µA，總的平均負載電流約為 40µA。
小型 2 英寸 x 2 英寸太陽能電池板 (例如 Amorton 系列) 甚至在相對中等的室內照明條件下 (200 流明)，也可產(chǎn)生 40µA 電流，而在強光照條件下，則能夠產(chǎn)生大得多的電流。這意味著，在很多條件下，這個應用可以完全依靠太陽能電池板電源運行。如果該電路處于黑暗中，需要完全靠電池電源運行，那么一節(jié) 2.4Ah AA 電池 (例如 Tadiran XOL 系列) 可給該應用供電差不多7 年。在較低或可變光照條件下，該電路自動在太陽能電源和電池電源之間來回切換，以便盡可能利用太陽能，以延長電池壽命。
結論
凌力爾特的信號鏈路、電源管理和無線網(wǎng)絡產(chǎn)品可用來實現(xiàn)完整、真正的無線傳感器網(wǎng)絡產(chǎn)品的設計。該時間同步無線網(wǎng)格網(wǎng)絡確保用最少的功率，可靠地在節(jié)點間傳送數(shù)據(jù)。內置的微處理器可設定傳感器電路電源的占空比。高效率、高集成度電源管理 IC 可完全用小型太陽能電池板給該應用供電，或者用一個小型電池給該應用供電很多年。 |
