無線傳感器節點（ WSN ）在促進物聯網（ IoT ）發展方面發揮著關鍵作用。WSN的優點在于，它的功耗極低，尺寸極小，安裝簡便。對很多物聯網的應用而言，譬如安裝在室外的應用，WSN可使用太陽能供電。當室內有光，系統就由太陽光供電，同時為細小紐扣電池或超級電容器充電，以在沒有光的情況下為系統供電。

在一般情況下，無線傳感器節點是傳感器為基礎的設備，負責監察溫度、濕度或壓力等條件。節點從任何類型的傳感器收集數據，然后以無線方式傳遞數據到控制單位，譬如計算機或移動設備，并在此處理、評估數據，并采取行動。理想情況下，節點可以由能量收集機制獲得作業電源，成為獨立運作的設備。從一般意義上講，能量收集的過程是捕捉并轉換來自光、振動，或熱等來源的極少量能量為電能的過程。

圖 1：能量收集系統設計示例

圖 1 顯示了能量收集系統的框圖。能量是由能量收集系統 （如太陽能板）收集，并由電源管理集成電路 （IC） （PMIC） 轉換成穩定的能量，再使用低漏、低阻抗的電容器儲存。這些能源能供給傳感器接口負載 （譬如微控制器MCU），而MCU是用無線方式來傳送數據的傳感器。本圖中，能量收集傳感器（ EHS ）是無線傳感器節點。

圖 2：無線傳感器節點系統示例

圖2顯示了無線傳感器節點的框圖。在這里，已處理的傳感器數據會透過低功耗藍牙（ BLE ）以無線方式傳輸。BLE 是用于短距離、低功耗無線應用的標準，以交流狀態或控制信息。BLE 在2。4 GHz ISM 頻帶及二進制頻移鍵控（GFSK）調制下運作，此支持1 Mbps 的數據速率。

而電源管理 IC是用來穩定能量收集設備所要求的功秏，以支持其超低功耗的運作。 打個比方，賽普拉斯S6AE103A PMIC 器件的電流消耗低至280 nA，啟動功率為 1。2uW（見圖3）。因此，在約100勒克斯（lx） 的低亮度的環境中，緊湊型太陽能電池依然可以獲得少量的能量。

圖 3：用于能量收集的S6AE103A PMIC 器件框圖

高效的無線傳感器節點設計

讓我們考慮一下設計無線傳感器節點所涉及的步驟：

第 1 步：選擇硬件：

在硬件方面，你需要適當的傳感器，一臺最終能用能量收集設備供電的MCU及 PMIC。你可能需要額外的無源組件，此視乎設計而定。

傳感器可以是仿真或數字形式。現今市面上很多傳感器是使用基于集成電路總線（I2C）、串行外設接口 （SPI）或異步收發傳輸器（UART）界面為標準的數字傳感器。電耗極低的傳感器在市面上亦有售。為了保持設備成本維持低水平，外形小巧，配有綜合BLE的MCU能夠簡化設計，并縮短推出市場的時間。為了進一步加快設計，許多廠商都使用完全綜合，完全通過認證的可編程模塊，例如賽普拉斯EZ-BLE Modules。模塊由一個主要MCU、兩塊結晶、芯片或跟蹤天線、擴展板及無源組件組成。由于這些模塊已經擁有必須的BLE認證，產品可以快速推出市場。

圖 4：BLE模塊示例：太陽能供能的低功耗藍牙傳感器信標CYALKIT-E02

第 2 步：設計固件和估計功耗

選擇了可編程的MCU 后，下一步就是編寫適當的固件。固件需要具備的基本功能是收集傳感器數據的接口，用無線傳送數據的BLE組件或堆棧，和能夠負責固件處理的CPU。

由于超低耗運作是關鍵，電流消耗總和需要由一開始納入考慮。總計電流消耗是傳感器所消耗的電流及MCU 所消耗的電流總和。由于傳感器通常不會消耗太多的總電流，其重點應該放在如何將MCU所消耗的電流減至最低。在優化電流之前，要考慮在MCU內在消耗電流的三個主要的組件：CPU、傳感器接口模塊（如 I2C 、SPI 等）和BLE子系統。這里，當無線電收音機開動（例如BLE Tx及Rx），電流的主要消費者會是BLE電收音機。

嵌入式 MCU 提供各種低功耗模式，以減少電流消耗。固件設計人員需要考慮這些低功耗模式和設計代碼，這樣，平均電流的消耗就能減至最低。例如，傳感數據并不是瞬速變更的，固件需要間中掃瞄傳感數據（例如每隔 5 至 10 秒鐘，時間間隔視乎傳感器而定）。傳感器的已讀數據通過 BLE， 以無線方式傳輸。

就 BLE 固件而言，傳感器可以連同 BLE 廣播包將數據發送。我們建議不要連同廣播包轉送太多其他數據，因為這樣會進一步增加電流。在廣播間隔與傳感器掃描間隔之間， MCU需進入低功耗模式，譬如是“休眠功能 ”。低電耗定時器就如看門狗定時器，可以在定時器倒數完畢時，喚醒設備。 為了使用低功耗操作，MCU進行了優化，提供一個 BLE 內部定時器，當廣播間隔結束，可喚醒進入了休眠功能的設備。圖 5顯示了操作的固件流程。

圖 5：為高效無線傳感器節點設計而設立的固件流程

只要設計好固件，您可以測量電流。你可以使用原型電路板測量電流。請注意，MCU的啟動及低耗模式的電流需要獨立量度。只要你知道MCU分別以啟動及低耗模式操作的時間，平均的電流消耗是：

有了平均電流的數字，你就可以將它乘以PMIC電壓，從而找出平均功率。