“物聯(lián)網(wǎng)”(IoT)的精確定義各不相同。有些人認(rèn)為它是現(xiàn)有機(jī)器對(duì)機(jī)器(M2M)市場(chǎng)的合理擴(kuò)展，可通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和監(jiān)控。有些人認(rèn)為該術(shù)語(yǔ)包含M2M及更多內(nèi)容，涵蓋了更廣泛的網(wǎng)絡(luò)對(duì)象概念，無(wú)論是通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)還是封閉網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。然而，隨著定義的發(fā)展，預(yù)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)概念將擴(kuò)大數(shù)百萬(wàn)甚至數(shù)十億嵌入式設(shè)備和傳感器的連接。

物聯(lián)網(wǎng)預(yù)計(jì)將刺激遠(yuǎn)程監(jiān)控市場(chǎng)的增長(zhǎng)，如環(huán)境監(jiān)測(cè)，智能城市的交通監(jiān)控，從工廠到農(nóng)場(chǎng)的結(jié)構(gòu)傳感和工業(yè)監(jiān)測(cè)。越來(lái)越先進(jìn)的技術(shù)使我們能夠輕松便宜地安裝新的或增強(qiáng)現(xiàn)有的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)，增加了傳感器，RF設(shè)備和一些智能。

物聯(lián)網(wǎng)的許多終端節(jié)點(diǎn)將是以前未連接的對(duì)象，現(xiàn)在能夠在常規(guī)(可能不經(jīng)常)的基礎(chǔ)上提供少量數(shù)據(jù)。通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)改進(jìn)對(duì)這種更頻繁，多樣化和眾多的傳感器數(shù)據(jù)的訪問(wèn)，將提供對(duì)系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的更好洞察，改善決策，從而改善我們的生活和節(jié)約資源。

超低功耗操作在許多這些遠(yuǎn)程監(jiān)控類型的傳感器節(jié)點(diǎn)中至關(guān)重要，特別是隨著更多智能和網(wǎng)絡(luò)功能的增加。這些節(jié)點(diǎn)需要免維護(hù)，并且可以長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)，準(zhǔn)確，可靠地運(yùn)行。許多人將不得不依賴能量收集和/或長(zhǎng)壽命電池來(lái)供電。它們還需要能夠在數(shù)據(jù)傳輸之間切換到超低功耗或休眠狀態(tài)。

極低功耗但更智能的微控制器正在不斷發(fā)展，以便與網(wǎng)絡(luò)無(wú)線電通信設(shè)備一起滿足這些要求。電源管理電路是第三個(gè)必不可少的元素。請(qǐng)參見(jiàn)下面的圖1.

圖1：IoT無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)依賴于收集的能量，通常需要微控制器，電源轉(zhuǎn)換，電源管理和通信設(shè)備，所有這些都在極低的條件下運(yùn)行功率水平(由德州儀器公司提供)。本文將回顧為物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的最先進(jìn)的智能，超低功耗設(shè)備，為了便于說(shuō)明，參考最新的互補(bǔ)范圍。德州儀器。其中包括MSP430F52xx系列微控制器，TPS62740降壓轉(zhuǎn)換器，bq25504/5升壓充電器和CC2541藍(lán)牙收發(fā)器。

超低功耗

許多微控制器制造商在他們的產(chǎn)品組合中都有超低功耗器件，具有極低功耗的休眠狀態(tài)，能夠以非常小的能量運(yùn)行，以納安為單位。 ARM內(nèi)核出現(xiàn)在許多供應(yīng)商的設(shè)備中，包括飛思卡爾半導(dǎo)體，意法半導(dǎo)體和德州儀器。其他極低功耗器件供應(yīng)商包括Atmel，賽普拉斯半導(dǎo)體，Microchip技術(shù)，Silicon Labs和瑞薩。

同樣，超低功耗無(wú)線電設(shè)計(jì)隨時(shí)可用，能夠通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸傳感器數(shù)據(jù)，以及根據(jù)應(yīng)用，它可以從紐扣電池，超級(jí)電容器或可充電電池充電十年或更長(zhǎng)時(shí)間。此類設(shè)備的制造商包括：Analog Devices，Atmel，Nordic，STMicroelectronics和Texas Instruments。

管理這些微量能源以確保傳感器節(jié)點(diǎn)隨時(shí)間的可靠，免維護(hù)運(yùn)行需要能夠獲取和增強(qiáng)的復(fù)雜設(shè)備或?qū)⑽⑼叩墓β兽D(zhuǎn)換為毫瓦。設(shè)備本身必須是低功率的。該市場(chǎng)的主要參與者包括ADI公司，Maxim Integrated Products公司，凌力爾特公司，意法半導(dǎo)體公司和德州儀器公司。

微控制器

讓我們采用德州儀器MSP430系列超低功耗16位微控制器，其中包括變體具有選定的功能和外圍設(shè)備。該器件架構(gòu)旨在優(yōu)化便攜式應(yīng)用中的電池壽命，無(wú)論是遠(yuǎn)程無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)還是智能手機(jī)。

MSP430F5249具有四個(gè)16位定時(shí)器，一個(gè)高性能10位ADC，兩個(gè)通用串行通信接口，硬件乘法器，DMA，比較器和具有報(bào)警功能的實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊。所有時(shí)鐘有效的功耗在8 MHz，3 V(閃存)或150μA/MHz(ram)時(shí)為2990μA/MHz。待機(jī)模式為1.4μA或1.9μA，喚醒時(shí)間為3.5μs。關(guān)閉模式，在3 V時(shí)具有完整的RAM保持為1.1μA，在3 V時(shí)的關(guān)斷模式僅為0.18μA。

MSP430F5239變體提供相同的功能，無(wú)需ADC。這些器件集成了128 KB閃存，非常適合需要更大存儲(chǔ)器的工業(yè)應(yīng)用，如模擬和數(shù)字傳感器系統(tǒng)，非常適合遠(yuǎn)程或危險(xiǎn)區(qū)域的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)。

互聯(lián)網(wǎng)連接

TI提供一系列無(wú)線網(wǎng)絡(luò)處理器模塊，專門用于實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)連接，同時(shí)為MCU提供最小的軟件和內(nèi)存開(kāi)銷。 CC3000模塊是一個(gè)完整的平臺(tái)解決方案，可減少組件數(shù)量并簡(jiǎn)化認(rèn)證。它附帶軟件驅(qū)動(dòng)程序，示例應(yīng)用程序和完整文檔，并支持IEEE 802.11b/g。有關(guān)使用CC3000和MSP430微控制器設(shè)計(jì)基本W(wǎng)i-Fi應(yīng)用程序的分步指南，德州儀器(TI)網(wǎng)站。 1 設(shè)計(jì)人員可以使用德州儀器維基站點(diǎn)上的MSP-EXP430G2 Launchpad開(kāi)發(fā)板包找到CC3300基本W(wǎng)i-Fi示例應(yīng)用程序。 2

該開(kāi)發(fā)套件提供兩個(gè)16 MHz MSP430微控制器，用于編程和調(diào)試的板載仿真，用于無(wú)線連接的附加模塊的按鈕，LED和插座等。最近發(fā)布的LaunchPad評(píng)估套件用戶指南 3 也可用。

圖2：德州儀器的MSP430G2 Launchpad評(píng)估板使用CC3000無(wú)線網(wǎng)絡(luò)處理器電源管理

“超低功耗”的定義隨著技術(shù)的發(fā)展而演變，并且由于存在許多低功耗狀態(tài)，因此比較器件可能會(huì)非常棘手。衡量電源低功率效率的一個(gè)有用指標(biāo)是其靜態(tài)電流(IQ)。請(qǐng)參閱這篇內(nèi)容豐富的白皮書，IQ：它是什么，它不是什么，以及如何使用它。 4

為了將收獲的能量轉(zhuǎn)換為可用功率，無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)需要功率管理設(shè)備，如降壓或降壓轉(zhuǎn)換器。 TI推出了TPS62740，旨在為微控制器(如MSP430)和通信設(shè)備(如CC3000(Wi-Fi)和CC2541(藍(lán)牙))供電。該降壓轉(zhuǎn)換器的目標(biāo)是300 mA輸出電流設(shè)計(jì)，在有效工作期間僅提供360 nA的靜態(tài)電流，在待機(jī)模式下提供70 nA的靜態(tài)電流。效率優(yōu)于90%，低至10μA。這款微型設(shè)備采用可充電鋰離子電池供電。輸出電壓可通過(guò)四個(gè)VSEL引腳選擇，范圍為1.8至3.3 V，步長(zhǎng)為100 mV。

為幫助設(shè)計(jì)人員評(píng)估該器件并測(cè)試其操作和功能，TPS62740EVM-186評(píng)估板隨用戶提供指南。該指南介紹了如何設(shè)置效率測(cè)量，避免常見(jiàn)錯(cuò)誤。

對(duì)于較低電流設(shè)計(jì)，TPS6273針對(duì)50 mA輸出電流電路，在有效工作期間提供370 nA靜態(tài)電流，在睡眠模式下提供15 nA靜態(tài)電流，在低于15μA的輸出電流下仍能實(shí)現(xiàn)90%的效率。

Boost充電器

一種用于從低壓輸出采集器(如熱電發(fā)電機(jī)或壓電設(shè)備)提取電力的常用設(shè)備，是一種增壓充電器集成DC/DC降壓轉(zhuǎn)換器。 TI的產(chǎn)品系列包括三款專門針對(duì)納米功率應(yīng)用的產(chǎn)品，如無(wú)電池?zé)o線傳感器節(jié)點(diǎn)。升壓轉(zhuǎn)換器還支持各種儲(chǔ)能元件，如可充電電池，超級(jí)電容器或傳統(tǒng)電容器bq25504可以在VIN低至330 mV的情況下啟動(dòng)，然后可以繼續(xù)將能量降至80 mV。靜態(tài)電流為330 nA。該器件實(shí)現(xiàn)了可編程最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)采樣網(wǎng)絡(luò)，以優(yōu)化功率到器件的傳輸?；蛘?，MCU可以提供外部參考電壓以產(chǎn)生更復(fù)雜的MPPT算法。關(guān)于其工作原理的更詳細(xì)解釋可以在之前發(fā)布的TechZone文章中找到。 5

評(píng)估板bq25504EVM-674，演示了具有電池管理功能的超低功耗升壓轉(zhuǎn)換器 - 采用應(yīng)用，與大多數(shù)MCU和3 V紐扣電池兼容。

bq25505升壓充電器，具有325 nA的有源靜態(tài)電流，增加了一個(gè)自主電源多路復(fù)用器柵極驅(qū)動(dòng)器，可確保在系統(tǒng)需要時(shí)提供恒定功率即使沒(méi)有來(lái)自收割機(jī)的能量，也要進(jìn)行操作?？梢远嗦窂?fù)用兩個(gè)存儲(chǔ)元件，以便為系統(tǒng)負(fù)載提供單個(gè)軌道。該器件非常適用于可在某些時(shí)間利用清除能量的應(yīng)用，從而延長(zhǎng)電池的使用壽命。最后，bq25570增加了降壓輸出調(diào)節(jié)，以確保系統(tǒng)提供外部可編程穩(wěn)壓電源。有源靜態(tài)電流為488 nA，效率優(yōu)于90%，低至10μA。此外，還有獨(dú)立的使能信號(hào)，允許應(yīng)用程序控制何時(shí)運(yùn)行穩(wěn)壓輸出，或?qū)⑵骷糜诔挽o態(tài)電流睡眠狀態(tài)，降至5 nA。

結(jié)論

大部分內(nèi)容物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)動(dòng)的大規(guī)模增長(zhǎng)預(yù)測(cè)將來(lái)自各種遠(yuǎn)程監(jiān)控應(yīng)用中智能無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的激增。這些節(jié)點(diǎn)可能完全或部分依賴能量收集來(lái)為超低功率設(shè)備提供燃料，這些設(shè)備提供所需的智能(MCU)，通信(RF網(wǎng)絡(luò)處理器)和電源管理(增強(qiáng)器和轉(zhuǎn)換器)。