全球對“綠色”科技和能源使用效率的需求推動著新一代超低功耗無線網絡的發展。這種新一代網絡正在不斷發展以用于工業和控制應用中基于傳感器的遠程系統；此外，它也促使更多應用更好地使用無須任何網絡電纜或電源線的真正無線解決方案。
用于監視和控制的基于傳感器網絡并非新概念，現有技術可實現有線和專有無線系統。由于有線方案廉價又簡便，因而得以廣泛使用；無線方案，與之相對，僅限用于一些特定的應用。
如今，采用僅需極少功耗的設計，可使開發這些類型的無線系統成為可能。新一代無線網絡可依靠其電池工作更長時間，并且在應用的生命周期中僅需很少或者根本無須維護。未來，能量收集甚至可以提供所需能源，而不再需要電池。.
本文將著重介紹新一代嵌入式單片機所具有的各種超低功耗控制功能，以及工程師如何利用這些功能延長無線傳感器節點中電池的預期壽命。
功耗管理功能
那么，什么是“低功耗”呢？在繼續之前，讓我們首先討論一些術語。“能量”與所做功的總量相關，而“功率”測量的是做功的速率（單位時間使用的能量）。在電子學中，能量=功率×時間，功率=電壓×電流。因而，我們所要關注的關鍵系統參數為電壓、電流和時間。具體來說，就是應用在多大電壓下運行，要消耗多少電流，以及要運行多久？
從單片機的角度來研究這一問題，我們首先需要探討新型單片機的各種功耗模式。
1 功耗模式
根據處理需求，應用具有一組顯著不同的預設工作模式。嵌入式單片機可利用其眾多外設中的一個來采樣周圍環境的信號。在外設收集到一定數量的采樣之前，單片機可能無其他事要做。那么，單片機可能會在每次數據采樣之間“休眠”或進入超低功耗待機模式。一旦應用程序讀到了足夠多的數據采樣，單片機即可輕松切換至“全速運行”模式，此時單片機被喚醒并以最大工作速度運行。
單片機通常會接收到某種類型的喚醒事件，才會從各種低功耗模式中退出。喚醒事件可由諸如I/O引腳電平翻轉等外部激勵信號或諸如定時器外設產生的中斷事件等內部處理器活動觸發。單片機所支持的具體功耗模式有所不同，但通常各種功耗模式總有一些共同點。典型的功耗模式如下：
● “始終運行”模式
● “休眠”或“待機”模式，此時保持對存儲器供電
● “深睡”或“深度休眠”模式，此時存儲器斷電，以最大程度節省功耗。
2 “始終運行”模式
“始終運行”模式嵌入式系統由持續供電且處于運行狀態的器件構成。這些系統的平均功耗需求極有可能在亞毫安范圍內，從而直接限制了單片機所能達到的處理性能。幸運的是，新一代嵌入式單片機具有動態控制其時鐘切換頻率的功能，因為在無須較高計算能力的情況下，有助于減少工作電流消耗。
3 待機模式
在“待機”模式下，系統工作或處于低功耗非活動模式。在這些系統中，工作和待機電流消耗都非常重要。在大多數待機模式系統中，由于保持對單片機存儲器通電，雖然電流消耗顯著減少，但仍可保持所有的內部狀態及存儲器內容。此外，可在數秒內喚醒單片機。通常，此類系統在大多數時間處于低功耗模式，但仍需具備快速啟動能力來捕捉外部或對時間要求極高的事件。保持對存儲器的供電有助于保持軟件參數完整性以及應用程序軟件的當前狀態。從功耗模式退出的典型啟動時間通常在5～10μs范圍內。
4 深度休眠模式
在深度休眠或“深睡”模式系統中，系統全速運行或處于可大幅節省功耗的“深度休眠”模式。由于該模式通過完全關斷嵌入式單片機內核（包括片上存儲器）來最大程度節省能耗，因而尤為引人注目。由于在該模式下存儲器斷電，因此必須在進入深度休眠模式前將關鍵信息寫入非易失性存儲器。該模式使單片機的功耗降至絕對最小值，有時低至20nA。此外，喚醒單片機后需重新初始化所有存儲器參數，這樣會延長喚醒反應總時間。從該模式退出的典型啟動時間通常在200～300μs范圍內。
在這些超低功耗模式系統中，電池的壽命通常由電路中其他元件消耗的電流決定。因此，應注意不僅要關注單片機消耗的電流，而且要關注PCB（印刷電路板）上其他元件消耗的電流。例如，如果可能，設計人員可使用陶瓷電容來替代鉭電容，因為后者的漏電流通常較高。設計人員還可以決定在應用處于低功耗狀態下給哪些其他電路供電。
利用功耗模式的優勢
接下來，考慮一種具有代表性的情形，在這種情況下，選擇不同單片機功耗模式對系統所用總功率有巨大影響。以基本遠程溫度傳感器為例，該應用收集較長時間段內的數據，可能運用較為成熟的噪聲濾波算法對數據進行處理，然后將單片機重新置于待機模式，直到需要更多采樣測量為止。它還采用無線射頻（RF）傳輸方式將溫度信息報告給中央控制臺。
對溫度進行采樣需要使用MCU的片上模數轉換器（ADC），并且僅需適當的處理能力。在噪聲濾波階段，單片機必須采用處理能力較高的模式來計算高級濾波算法，并盡快將結果存回存儲器。因此，單片機運行并消耗功率的總時間縮短了。
每隔一段預定的時間間隔，單片機就會組合所有的采樣結果并采用RF收發器設備發送至中央控制臺。需要精確時序來確保無線傳感器在預先分配的時隙內發送這一信息，從而允許同一系統中的多個無線傳感器節點協同工作。
我們如何管理喚醒處理器的頻率呢？通過配合使用定時器外設和集成32 kHz振蕩器電路，單片機能很精確地每秒產生一次中斷，從而保證喚醒時間準確。此中斷事件還可以使單片機按預定的時間表向采樣緩沖區填充溫度數據。
單片機填充完溫度采樣緩沖區后，它將切換至處理器速度較高的模式，完成較為成熟的噪聲濾波算法計算，然后盡快返回休眠模式，以縮短工作時間。單片機采用同樣的實時時鐘功能來決定將捕捉到的采樣數據發送回中央控制臺的時間。確定單片機的最優功耗模式以使總電流消耗最低取決于多個因素，下文將對此進行討論。
在低功耗應用中優化功耗
要使總功耗最低，僅選擇單片機功耗最低的模式是不夠的。我們還必須確定單片機需要完成的每個任務的工作量——例如，采樣外部溫度傳感器。一旦確定每個任務的性能需求，我們還必須確定每個任務的最優能源利用率。對于前面提到的公式：能量=時間×電壓×電流，由于系統總體需求和實際電源決定電壓值，因此我們通常無法改變公式中的電壓，這樣我們只能操作兩個參數：時間和電流。我們需要權衡單片機的工作時間和電流消耗。下面將探討在執行上述分析時要切記的一些特定于單片機的參數。
處理器喚醒
將單片機置于低功耗模式后，有一些外部源可將其喚醒。喚醒事件可通過USB事件、實時時鐘事件，甚至是I/O引腳上的外部觸發信號發生。單片機從低功耗“休眠”模式喚醒并開始執行代碼的時間非常重要。通常，我們努力使這個時間盡可能短，這也是我們之所以要在“休眠”和“深度休眠”工作模式之間選擇的原因。若每秒喚醒一次單片機，由于從“休眠”模式喚醒時，單片機可在10μs內開始執行代碼，而無須首先初始化任何軟件存儲單元，因而該模式可能是最優選擇。若單片機處于低功耗狀態的時間較長——例如，數分鐘甚至數小時才喚醒一次，則“深度休眠”模式可能是最優選擇。關鍵是要使單片機的總電流消耗最小。如果單片機處于低功耗關斷模式的時間較長，那么300μs 的喚醒時間與數分鐘或數小時的深度休眠時間相比就微不足道了。
系統級喚醒事件的另一個絕佳示例，可采用通過串行接口連接到處理器的外部RF芯片進行演示。不使用處理器時，可將其置于某個低功耗狀態下，僅保持RF芯片運行。由于新一代RF芯片的邏輯僅負責查找進入的RF數據包，因此在工作狀態下消耗的電流很小。一旦接收到與所分配給該單元的地址相關的有效數據包，就將喚醒單片機開始處理信息。此類功耗模式機制較常用于基于射頻網絡的解決方案中，諸如那些基于ZigBee無線協議的解決方案。
時鐘頻率
單片機從外部或內部時鐘源獲取系統時鐘頻率。單片機采用該時鐘頻率并將其分頻以得到應用程序軟件所需的工作時鐘頻率。較低的頻率通常等同于較低的功耗。有時，單片機還可以采用鎖相環將外部時鐘頻率倍頻。外部時鐘信號通常來自晶振或稱為晶體振蕩器。
當器件進入低功耗模式時，單片機還可以禁止輸入晶體放大器電路，這樣也許可節省幾毫安的電流，但會以恢復正常工作狀態時延長振蕩器的導通時間（由于外部晶振的起振延時）為代價。然而，有些單片機具有采用雙速啟動模式的能力，在這種模式下，單片機將使用內部振蕩器立即開始運行，并在更精確的外部時鐘源有足夠時間穩定后，自動切換至外部時鐘源。
單片機控制自身時鐘頻率的能力允許軟件工程師在保證總電流消耗最少的情況下，選擇適合于特定任務的時鐘速度。因此，工程師需要評估能量公式中的時間×電流元素，以確定哪種方案比較好：在較短時間段內全速運行，在較長時間段內較慢運行，或者選個中間速度。
實時時鐘
在本文所述的遠程無線傳感器應用示例中，系統需要保持精確的時間觀念。除了系統時鐘外，還可采用實時時鐘和日歷（RTCC）外設輕松實現這一點。RTCC的主要功能是跟蹤日期和時間。在本文的情形中，RTCC對于控制功耗模式非常有用。RTCC還有助于單片機安排精確的喚醒事件、觸發采樣測量或發起與中央控制臺的RF同步。
在系統中實現RTCC有多種方法。可將專用RTCC芯片連接至單片機；采用集成32kHz晶振及基本計時軟件；以及使用單片機內的專用RTCC外設。對系統成本的限制通常第一時間就排除了第一種選擇。對后兩種的選擇通常由單片機應用的其他需求以及一定程度的成本限制決定。本次討論將采用第二種方法，即32kHz振蕩器與一些非常基本的軟件。
外部32kHz晶振驅動電路與16位定時器配合使用，來每秒喚醒一次處理器。每秒喚醒一次處理器來更新RTCC定時器，也可能測量當前溫度，然后處理器返回到相應的低功耗模式。此方法提供了一種“導通”占空比非常小的機制，器件運行的大多數時間僅消耗600nA的電流。
構建RF無線傳感節點
高集成度的單芯片通用ISM帶寬FSK收發器解決方案與低功耗單片機配合工作，簡化了無線傳感應用的實現。在本例中，單片機采用SPI接口作為與射頻設備連接的串行通信端口。還要使用單片機來初始化收發器設備的射頻配置設置。配置完成后，收發器設備將通過來自單片機的非常基本的串行命令完成大多數RF數據發送和接收操作。簡單地組合這兩種技術，即可構建一種基本網絡，遠程監視各種數字或模擬無線傳感器節點，如本文中的遠程溫度傳感器。
考慮無線系統的總功耗預算，我們最關注的數據手冊參數為射頻系統的發送功耗、接收功耗、待機功耗以及啟動時間。了解了這些參數后，我們將能確定系統通過無線RF通道發送和接收數據所消耗的電流。開發RF解決方案時還需注意的關鍵因素還有發送的數據長度和安全性。以下部分將簡要說明這兩個因素。
RF發送時間
常常被忽視的一個重要參數是需要發送的RF數據包的長度。事實上，RF發送時間對無線解決方案的性能、質量和功耗影響很大。較短的數據包有助于減少對電源的能源需求，甚至可以縮小電池體積。在定義新的低功耗RF協議時，必須牢記這一點。
我們已針對無線溫度傳感器設計，評估了當今可用的各種RF通信協議。諸如ZigBee、ZigBee Pro、Microchip的MiWi和MiWi P2P（點對點）協議均已一一評估。由于本應用的低功耗需求，我們決定采用非常基本的時分多址（Time Divisional Multi Access，TDMA）時間片協議機制。
通過在RF數據幀中分配預定義時隙并使用第一個時隙作為中央單片機發送的幀起始標記，即可方便地確保整個傳感器監視系統的精確時序，同時降低功耗。采用這種基本時間片機制，單片機和RF收發器可在生命周期的大多數時間內處于低功耗待機模式。
安全性
意識到無線網絡所涉及的安全性問題，大多數RF系統均采用了強大的算法來保護其數據。具有128位密鑰的高級加密標準（Advanced Encryption Standard，AES）確保了數據完整性以及系統抵抗黑客的能力，這兩者對于商業應用至關重要。可通過軟件實現AES安全性。對于需要使工作時間最短的無線傳感器節點，能夠盡快執行AES計算非常重要，因為節點工作時的功耗最大。單片機可按需動態更改處理功耗以幫助實現上述目標。別說是電池供電設備就是采用有線電源的系統，要使AES計算盡可能快也同樣是不爭的事實。功耗對所有系統（有線或無線）的溫度、體積及成本均有影響。
系統成本
眾所周知，系統的總成本在設計任何系統（如無線溫度傳感器）的過程中始終起著非常重要的作用。確定無線單片機成本的關鍵因素是所需程序和數據存儲區的數量。傳感器網絡和相關產品的開發人員希望采用存儲空間最優的一系列單片機來滿足應用程序的需求。開發基于網絡協議層（如ZigBee）的較大應用程序時，需要較大的存儲空間——在有些情況下，大于250KB。若要實現較為簡單的傳輸協議，尤其是在對成本極度敏感的設計中，可使用單片機的許多功耗控制功能來最大程度降低成本和功耗。
硬件/軟件
本文中的設計示例組合使用了一片高集成度通用ISM帶寬FSK收發器芯片和一片超低功耗單片機。超低功耗PIC16LF1827單片機用在傳感器單元中，用于每秒測量一次模擬溫度傳感器，將結果存入數據緩沖區，運行復雜的噪聲濾波算法，然后采用RF收發器發送結果數據。出于安全性考慮，此信息采用AES算法保護并在已分配的預定時隙內發送。此外，單片機在上電后初始化RF收發器射頻配置設置，并按需控制射頻設備的功耗模式。
結論
本文探討了輕松實現非常基本的低功耗無線傳感器網絡的過程。更好地理解超低功耗單片機的各種功耗管理功能，有助于系統工程師開發“綠色”無線解決方案。