【选型】“超省电”设备的电源管理之二:慎选无线连接组成

2019-07-19 Silicon Labs

导语:最近,针对电池供电的无线传感器节点如何实现能耗节约、如何进行电源管理,Silicon Labs微控制器和无线产品区域市场营销总监Matt Saunders先生特撰写了一篇题为“‘超省电’设备中的电源管理”的技术文章,从MCU的选择、无线协议选择、数据加密设计、传感器内置信号调节功能、简化系统本身供电,以及采用电源管理集成电路(PMIC)等多个方面,详细分析了如何为无线传感器节点应用实现能耗节约,从而为“超省电”设备的设计人员提供全方位的电源管理策略。今天世强要向大家分享的是“超省电”设备的电源管理之二:慎选无线连接组成。


慎选无线连接组成

虽然有其他的MCU节能措施可考虑用于超省电型应用,但是我们仍然有更多应用可覆盖我们的简单无线传感器节点应用示例。现在让我们转到无线连接组成部分,我们能够考虑几种显著不同的选项。无线拓扑(如图3所示)和协议选择(如图4所示)都将影响需要维持无线链路的功耗预算。在某些情形下,采用私有Sub-GHz协议的简单点对点连接可能看起来是合适的选择,因为它可能仅需要消耗最少的电池电量。然而,这个简单的无线配置限制了传感器发挥作用的部署位置和范围。


构建在2.4GHz或者Sub-GHz技术上的星型配置增加了传感器部署的灵活性,这意味着能够在同一网络中部署更多的传感器,但是这也可能增加用于传输数据的协议的复杂性,因此增加RF传输量,并且导致消耗更多电池电量。


ZigBee提供低功耗网状网路配置

第三个值得考虑的选项是基于协议栈(例如ZigBee)的网状网络配置。虽然网状网络消耗最大的传感器节点电池电量,但是它也提供了包括节点到节点数据传输在内的节点部署的最大灵活性。依赖于无线协议栈(例如ZigBee),网状网络也能够提供具有自修复能力网络的最可靠部署选项(即,如果网络中的一个节点发生了故障,被发送的消息仍然能够发现另一条路径而到达目的地)。


图1:网络拓扑示例


与网络配置选择密切相关的是必须传输的数据量,或者从节点到节点或者从节点到收集器。在传感器节点,在无线链路上传输的数据量应当相对小(尤其是如果一些数据能够在节点的MCU上处理,那么仅仅相关信息被发送,而不是所有收集的数据被传输)。因此,ZigBee提供了最佳的网状网络解决方案;Bluetooth Smart是基于标准的、功耗敏感型点对点配置的最佳选择;专利的Sub-GHz解决方案在星型或者点对点配置中为网络大小、带宽和数据负载提供了最大的灵活性。表1汇总IoT应用中领先的RF技术的多种关键特性和益处。


RF协议之间的主要不同点

表1:RF协议之间的主要不同点


考虑采用长距离(long-range)技术和平台(例如LoRa和Sigfox)也是有帮助的,它们支持高节点数量网络连接,具有最大数十公里传输距离并且仍然支持低功耗系统。使用这些长距离无线技术,能够在极广的区域部署节能型传感器节点。


对于无线连接来说,另一个考虑因素是用来保护传输数据的加密设计。如何处理加密对超省电型设备产生很大影响。例如,ZigBee加密内建在协议栈中,但是如果用于运行协议栈的MCU(或者处理器内核)没有适当的加密硬件,那么它将不得不采用软件方法花费更多周期来运行算法。例如,在一个具有AES硬件加速器的ARMCortex-M0+处理器上运行128位的AES加密逻辑花费54个周期,而在没有硬件加速器的ARM Cortex-M0+处理器上运行同样的加密逻辑将花费4000个周期,大约是具有硬件加密支持MCU的80倍。当传感器节点在无线链路上接收或者发送数据时,这将对整体功耗产生显著的影响。


在IoT市场中,无线链路上的安全传输需求正在增加。随着更加复杂的加密需求出现在无线网络中,这种超省电型设备上电源管理的安全驱动的组成部分正在变得越来越重要,并且对于开发人员进行硬件选择带来显著的影响。


想了解更多“超省电”设备的电源管理文章请点击下面链接。
“超省电”设备的电源管理之一:选对 MCU

“超省电”设备的电源管理之三:智能化传感器设计
“超省电”设备的电源管理之四:降低整体系统功耗的PMIC

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    不错,很实用!
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