【導(dǎo)讀】物聯(lián)網(wǎng)(IoT)正在將現(xiàn)實世界里的“模擬”事件轉(zhuǎn)換成網(wǎng)絡(luò)的行動和反應(yīng)，連在網(wǎng)絡(luò)中的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點能夠監(jiān)測模擬事件，并且在需要報告的事件發(fā)生時，將其進(jìn)行轉(zhuǎn)化后通過互聯(lián)網(wǎng)報告給應(yīng)用程序，以完成相應(yīng)的任務(wù)。
其中最突出的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用類別是使用電池供電的傳感器，它們被放置在沒有電線的區(qū)域來監(jiān)測事件，并通過無線網(wǎng)絡(luò)與物聯(lián)網(wǎng)通信。大多數(shù)情況下，這些產(chǎn)品是始終開啟的、由電池操作的無線傳感器，支持無線協(xié)議、一個 MCU 和至少一個 模擬傳感器。
面臨的挑戰(zhàn)是在單一電池或一次充電的情況下，如何將產(chǎn)品足以感知環(huán)境的續(xù)航時間最大化。
該挑戰(zhàn)可細(xì)化為以下方面：
1. 根據(jù)應(yīng)用程序要求，勝任實時感知任務(wù);
2. 完成傳感器測量，同時盡可能少地使用能源;
3. 保持“周期性工作”MCU 外圍設(shè)備，并讓 CPU 內(nèi)核盡可能多地處于睡眠狀態(tài)。
在這種應(yīng)用中，很多MCU的典型做法是喚醒MCU內(nèi)核然后使用各種外設(shè)去完成傳感器測量(圖 1)。當(dāng)有事件 (例如開門) 需要報告時，MCU 進(jìn)行了報告并返回至其周期性工作規(guī)律流程中。這將消耗大量電能，且不能使電池巡航時間最大化，因為運行的“整個 MCU”中，包括很多外圍設(shè)備和無關(guān)內(nèi)核運轉(zhuǎn)都在消耗電能。
實際上，這種方法很可能導(dǎo)致較差的客戶體驗：客戶將設(shè)備置于其環(huán)境中，將其設(shè)置在網(wǎng)絡(luò)上并啟用，但幾個月之后，設(shè)備就因為較差的電池電源管理能力而停止工作。
圖1 CPU 在每次測量中都進(jìn)行查詢并保持活躍，從而導(dǎo)致較高電能消耗
1物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用理想的電池供電、無線傳感器節(jié)點解決方案
最佳解決方案將應(yīng)對以上所述挑戰(zhàn)中的每一個方面，可在電池一次充電的情況下將產(chǎn)品完成環(huán)境感測的工作時間最大化。
考慮到以上情況，電池供電的物聯(lián)網(wǎng)傳感器設(shè)備應(yīng)提供：
1. 自主而節(jié)能的傳感器管理和測量系統(tǒng);
2. 可對每個傳感器進(jìn)行獨立配置的傳感器輸入/輸出、閾值和配置;
3. 低功耗、可配置的邏輯引擎，僅當(dāng)絕對需要時才會喚醒 MCU;
4. 用以為多次測量提供緩存的低功耗內(nèi)存，并延長 CPU 喚醒間隔時間;
5. 低無線功耗。
2 Silicon Labs Gecko 低功耗傳感器接口 (LESENSE)
幾年前，Silicon Labs 就預(yù)見到電池供電的無線傳感器應(yīng)用的重要性。自此，我們對低能耗的無線、MCU 和傳感器技術(shù)進(jìn)行了大規(guī)模的投入。
我們的 Gecko MCU 具有節(jié)能型的架構(gòu)，并提供幾種關(guān)鍵系統(tǒng)，使其能更有效率地運作，其續(xù)航時間也長于其他 MCU。
Gecko 和 Wireless Gecko (以下合稱“Gecko MCU”) 使用低功耗傳感器接口 (LESENSE)、外圍設(shè)備反射系統(tǒng) (PRS) 和其他低功耗技術(shù)，可以在極低的功耗水平下運作，而同時內(nèi)核與 MCU的大部分仍處于深度睡眠模式。
上述特性結(jié)合其他特性就可以節(jié)省很多電能。
表1對于電池供電的物聯(lián)網(wǎng)傳感器系統(tǒng)的要求
3 Gecko LESENSE 詳情
LESENSE 是高度可配置傳感器接口和系統(tǒng)，可自主連續(xù)管理并監(jiān)控最多 16 個電阻性、電容性或電感性傳感器， 并同時保持芯片整體處于深度睡眠模式，且內(nèi)核 (CPU) 始終保持關(guān)閉。
LESENSE 包括一個定序器、一個計數(shù)和比較器單元、一個可配置譯碼器，以及用于配置設(shè)置和測量結(jié)果存儲的 RAM。
1) 定序器可以操作低頻振蕩器，并通過 PRS 處理與其他外圍設(shè)備的相互作用，并可為傳感器的工作周期和測量定時。
2) 計數(shù)和比較器單元對來自定序器的脈沖進(jìn)行計數(shù)，并將信息與可配置閾值進(jìn)行對比。
3) 譯碼器/狀態(tài)機(jī)接收傳感器測量，并根據(jù)最多 16 種可配置狀態(tài)和相關(guān)動作采取行動。
LESENSE 可配置傳感器閾值
當(dāng)外部事件超過傳感器閾值時才喚醒 CPU 并不是一個革命性的概念。本質(zhì)上，它會將恒定的 MCU 工作周期從圖 1 中移至單個事件;當(dāng)模擬事件超過給定閾值時，MCU 蘇醒并執(zhí)行各種行動。
但是，LESENSE 與之不同之處在于，它提供了一個完整的傳感器系統(tǒng)，以便管理并監(jiān)控傳感器以及相關(guān)的外圍 設(shè)備，而不需要 CPU 的參與，MCU 參與度也為最低。這就是 LESENSE 的基本概念，而附加功能還進(jìn)一步拓展 了概念。
LESENSE 也在不喚醒 CPU 的情況下對數(shù)量可配置的閾值事件進(jìn)行緩沖。這使得系統(tǒng)能夠在一段較長的時間段內(nèi)監(jiān)控外部事件。LESENSE 通過自主周期性采集所需的外圍設(shè)備塊 (如模擬比較器、低頻振蕩器和傳感器本身)，以便完成傳感器測量，而 CPU 則保持在深度睡眠模式。
在以下概念圖中，LESENSE 被配置為允許傳感器 1 超過其可配置閾值兩次之后才喚醒 CPU。
圖 2：每個啟用 LESENSE 的傳感器輸入/輸出均為獨立且可配置的。
LESENSE 也提供附加功能，以管理并監(jiān)控最多 16 個具有唯一閾值的不同傳感器。在使用內(nèi)置低功耗狀態(tài)機(jī) (譯碼器) 時，LESENSE 可在發(fā)送中斷喚醒 CPU 之前評估幾項事件。
在圖 3 中，LESENSE 對傳感器 2 的事件 1、2 和 3 的測量信息進(jìn)行緩沖，并在喚醒核心之前將這些信息與傳感器 1 的事件 1 和 2 的測量數(shù)據(jù)相結(jié)合。這個簡單的使用實例采用 LESENSE 的單獨配置傳感器、低功耗內(nèi)存 和低功耗狀態(tài)機(jī)。
圖 3：在 CPU 中斷之前，多個傳感器及唯一配置支持多個事件。
傳感器節(jié)點從 LESENSE 緩沖測量中重新校準(zhǔn)
由于很多傳感器系統(tǒng)在各種不同的環(huán)境條件下實施，必須能夠在諸如溫度、濕度、電源電壓、透氣性和連接性等參數(shù)不斷變化的情況下進(jìn)行可靠的操作。
LESENSE 的緩存功能可使 CPU 在被喚醒時重新校準(zhǔn)自身多項讀數(shù)。這樣可避免隨著情況的變化發(fā)生多次重復(fù)校準(zhǔn)的事件，進(jìn)一步節(jié)約能源并提供更大的系統(tǒng)校準(zhǔn)樣本集。
總結(jié)
LESENSE 可使 Gecko MCU 和無線 MCU 監(jiān)控電阻性、電容性、電感性(和 IR)傳感器，同時使能耗較高的內(nèi)核和大部分 MCU 保持深度睡眠模式。LESENSE 能夠監(jiān)控最多 16 個使用小于 1 μA 的傳感器并提供可配置的閾 值，并提供了可對多個事件進(jìn)行緩沖的 RAM，以及用于可配置喚醒中斷的狀態(tài)機(jī)。
開始了解 Gecko MCU、Wireless Gecko MCU 和 LESENSE：
· 關(guān)于 LESENSE 的培訓(xùn)視頻
· 關(guān)于 LESENSE的培訓(xùn)演示(來自視頻的幻燈片)
· 應(yīng)用說明
o 電容傳感 LESENSE (AN0028)
o 電感傳感 LESENSE (AN0029)
o 電阻傳感 LESENSE (AN0036)
o IR 傳感 LESENSE (AN0053)
o PRS – 節(jié)能外圍設(shè)備反射系統(tǒng) (AN0025)
