無線網(wǎng)絡(luò) - 自給自足，無線溫度傳感器的設(shè)計(jì)方案解析

　　無線網(wǎng)絡(luò)

　　LTP5901 是一個(gè)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(luò)軟件。其物理設(shè)計(jì)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(yīng)用其余部分 （信號鏈路和電源管理） 之主電路板上。

　　在這個(gè)應(yīng)用中，LTP5901 執(zhí)行兩種功能：無線網(wǎng)絡(luò)和內(nèi)務(wù)處理微處理器 （圖 5）。當(dāng)給一個(gè)網(wǎng)絡(luò)管理器附近的多個(gè) LTP5901 節(jié)點(diǎn)加電后，這些節(jié)點(diǎn)相互自動(dòng)識(shí)別，并形成一個(gè)無線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)完成時(shí)間同步，這意味著每個(gè)無線電模塊都僅在非常短的特定時(shí)間間隔內(nèi)加電。因此，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以既發(fā)揮傳感器信息源的作用，又作為路由節(jié)點(diǎn)，以向管理器轉(zhuǎn)發(fā)來自其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。這樣，即使所有節(jié)點(diǎn) （包括路由節(jié)點(diǎn)） 都以非常低的功率工作，依然可以建立一個(gè)高度可靠的低功耗網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)到管理器都有多條通路可用。這種無線電技術(shù)典型的節(jié)點(diǎn)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(yùn)行整個(gè)應(yīng)用。所有無線網(wǎng)絡(luò)功能 （包括固件和 RF 電路） 都已經(jīng)內(nèi)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(nèi)置 ADC 充當(dāng)便利的電平轉(zhuǎn)換器，從 LTC3330 讀取能量收集狀態(tài)標(biāo)記 EH_ON。

　　LTP5901 含有一個(gè) ARM Cortex-M3 微處理器內(nèi)核，該內(nèi)核運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)軟件。此外，這個(gè)內(nèi)核還可通過用戶提供的固件來設(shè)定，以執(zhí)行特定于用戶應(yīng)用的任務(wù)。因此，無需任何第三方微處理器，就能夠?qū)崿F(xiàn)很多應(yīng)用。在本文例子中，LTP5901 內(nèi)部的微處理器通過在合適的時(shí)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(biāo)記 （EH_ON），該標(biāo)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官網(wǎng)在線提供的工具“SmartMesh功率與性能估計(jì)器 （SmartMesh Power and Performance Estimator）”來估計(jì)。對于一個(gè)有 20 個(gè)節(jié)點(diǎn) （其中 10個(gè)節(jié)點(diǎn)以無線方式直接連接到管理器 （1 跳），另外 10 個(gè)節(jié)點(diǎn)間接連接到管理器 （兩跳） ） 的典型網(wǎng)絡(luò)而言，兩跳節(jié)點(diǎn)的平均功耗約為 20μA，1 跳節(jié)點(diǎn)則為 40μA。這些數(shù)字是在每個(gè)節(jié)點(diǎn)每 10 秒報(bào)告一次溫度數(shù)據(jù)的情況下得出的。1 跳節(jié)點(diǎn)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(dāng)路由節(jié)點(diǎn)，轉(zhuǎn)發(fā)一些兩跳節(jié)點(diǎn)的傳感器數(shù)據(jù)。如果關(guān)閉一種稱為 “Advertising”（宣告） 功能，那么上述功率可以進(jìn)一步減少兩倍。一旦“宣告”功能關(guān)閉，網(wǎng)絡(luò)就不再識(shí)別想加入網(wǎng)絡(luò)的新節(jié)點(diǎn)。除了這點(diǎn)不同，關(guān)閉廣告功能對網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行沒有任何影響。

　　總體功耗

　　完整應(yīng)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(gè)傳感器測量溫度的頻度以及所有節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的配置方式。對于一個(gè)每 10 秒報(bào)告一次溫度數(shù)據(jù)的傳感器節(jié)點(diǎn)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(fù)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(nèi)照明條件下 （200 流明），也可產(chǎn)生 40μA 電流，而在強(qiáng)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(gè)應(yīng)用可以完全依靠太陽能電池板電源運(yùn)行。如果該電路處于黑暗中，需要完全靠電池電源運(yùn)行，那么一節(jié) 2.4Ah AA 電池 （例如 Tadiran XOL 系列） 可給該應(yīng)用供電差不多7 年。在較低或可變光照條件下，該電路自動(dòng)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(jié)論

　　凌力爾特的信號鏈路、電源管理和無線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品可用來實(shí)現(xiàn)完整、真正的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。該時(shí)間同步無線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)確保用最少的功率，可靠地在節(jié)點(diǎn)間傳送數(shù)據(jù)。內(nèi)置的微處理器可設(shè)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(yīng)用供電，或者用一個(gè)小型電池給該應(yīng)用供電很多年。