無線感測網路(Wireless Sensor Network, WSN)在促進物聯網(IoT)發展方面發揮著關鍵作用。WSN的優點在於它的功耗極低、尺寸極小且安裝簡便。對很多IoT的應用而言，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，同時為微小鈕扣電池或超級電容器充電，在沒有光源的情況下為系統供電。
一般情況下，WSN節點是以感測器為基礎設備，負責監測溫度、濕度或壓力等環境因子。節點可從任何類型的感測器收集資料，再以無線方式傳遞資料到控制單位，譬如電腦或行動裝置，並在該處處理、評估資料，接著採取行動。理想情況下，節點可由能量採集機制獲得作業電源，成為獨立運作的設備。簡單來說，能量採集的過程是捕捉並轉換來自光、振動或熱等來源的微量能量成電能的過程。
圖1顯示了能量採集系統(EHS)的設計範例。能量是由能量採集系統(如太陽能板)收集，並由電源管理積體電路轉換成穩定的能量，再使用低漏電、低阻抗的電容器儲存。這些能源能供給感測器介面負載，以無線傳輸感測器資料。圖1中，能量採集系統是無線感測器節點。
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| 圖1 能量採集系統設計示例 |
圖2顯示了無線感測器節點的框圖。在這裡，已處理的感測器資料會透過低功耗藍牙(BLE)以無線方式傳輸。BLE是用於短距離、低功耗無線應用的標準，在2.4 GHz ISM頻段及二進位頻移鍵控(FSK)調變下運作，支援1Mbps的資料速率。
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| 圖2 無線感測器節點系統示例 |
而電源管理晶片(PMIC)是用來穩定能量採集設備所收集的能量，並支援其本身的超低功耗運作。打個比方，賽普拉斯(Cypress)S6AE103A PMIC元件的電流消耗低至280奈安培(nA)，啟動功率為1.2微瓦(uW)(圖3)。因此，在約100照度(lx)的低亮度環境中，依然可以從緊湊型太陽能面板獲得少量的能量。
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| 圖3 用於能量採集的S6AE103A PMIC元件框圖 |
高效無線感測器節點設計
讓我們考慮一下設計無線感測器節點所涉及的步驟：
第一步－選擇硬體
在硬體方面，需要適當的感測器，一個最終能用能量採集設備供電的微控制器(MCU)以及PMIC，可能還會需要額外的被動元件。感測器可以是類比或數位感測器。現今市面上很多感測器是使用基於積體電路匯流排(I2C)串列周邊介面(SPI)或通用異步收發器(UART)介面的數位感測器。
配有整合BLE的MCU能夠簡化設計，並縮短上市的時間，以確保設備低成本和小型化。為了進一步加快設計，許多廠商會使用高度整合且通過認證的可程式設計模組。模組由一個主要MCU、兩個晶體、晶片或板載天線、外殼及被動元件組成。由於這些模組已經擁有必需的藍牙低功耗耗(BLE)認證，產品可以快速上市(圖4)。
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| 圖4 BLE模組示例：太陽能供電的低功耗藍牙感測器信標CYALKIT-E02 |
第二步－設計韌體和估計功耗
選擇了可程式設計的MCU後，下一步就是編寫適當的韌體。韌體需要具備的基本功能是收集感測器資料的介面，用無線傳送資料的BLE元件或堆疊以及能夠負責韌體處理的CPU。
由於超低功耗運作是關鍵，電流消耗總和需要從一開始納入考慮，總能量消耗是感測器所消耗的能量及MCU所消耗的能量總和。
由於感測器通常不會消耗太多總能量，因此重點會放在如何將MCU所消耗的能量減至最低。而在優化電流之前，要考慮MCU內在消耗能量的三個主要的元件：CPU、感測器介面模組和BLE子系統。
嵌入式MCU提供各種低功耗模式，以減少電流消耗。韌體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，感測資料並不是瞬速變更的，韌體每隔5至10秒鐘就必須掃描感測資料(實際間隔時間視感測器而定)。
感測器的已讀數據通過BLE以無線方式傳輸。就BLE韌體而言，感測器可以連同BLE廣播封包將資料發送，但建議不要連同廣播封包轉送太多資料，因為這會增加電流。
在廣播間隔與感測器掃描間隔之間，MCU須進入類似「休眠功能」的低功耗模式。而低功耗計時器就如看門狗計時器，可以在計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內部計時器，當廣播間隔結束就可喚醒進入了休眠功能的設備。圖5顯示了操作的韌體流程。
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| 圖5 為高效無線感測器節點設計而設立的韌體流程 |
設計好韌體後可以使用原型電路板測量電流，不過須注意MCU的啟動及低功耗模式的電流需要獨立測量。而只要知道MCU分別以啟動及低功耗模式操作的時間，就可以得知平均的電流消耗。有了平均電流的數字，再將它乘以PMIC電壓，就能推算出平均功率。
第三步－優化韌體
初始計算出的設計功率若太高，將導致能量採集PMIC無法支援。此情況下必須優化韌體，而執行優化MCU的啟動代碼能有效執行此操作。當MCU正在啟動，不須使用高頻外部時鐘以操作BLE，因此可以關掉此時鐘以便節省能源，而時鐘晶體也可以利用這些時間穩定下來。時鐘漸漸穩定後，MCU可再次調至低功耗模式，內部低頻時鐘可以在時鐘預備好的時候喚醒設備。簡言之，啟動代碼的執行時間可以很長，而韌體設計人員需要盡量減少啟動電流消耗。
降低平均電流消耗有幾種方法，如下：
第四步－設計硬體
有了功耗優化的韌體後，就能依PMIC設計硬體。圖6顯示了一個以能量採集為基礎的PMIC設計。圖7顯示備份電容器如何加配到PMIC設備，以及電容器能夠如何支援MCU。
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| 圖6 簡單的能量採集設計 |
首先，PMIC儲存太陽能到存放裝置VSTORE1(VST 1)，此例中為一個300微法(μF)的陶瓷電容器。當VST 1達到VOUTH V，能量就可以傳輸到MCU。但這個簡單的能量採集設計不能全日運作，原因是沒有備份電容器。
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| 圖7 能量採集與備份電容器 |
運作WSN所需的能量首先儲存在VST 1，剩餘的能量用於VST 2充電。儲存在VST 2的能量可於沒有光線照射的情況下持續提供予WSN。此外，還可以連接一個額外的鈕扣電池到PMIC增加可靠性，如圖8所示。
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| 圖8 多個電源輸入的能量採集 |
PMIC轉換兩種能量來源，以利WSN在任何情況下運作。轉換自動產生，使能源在有需要時供應給WSN。因此，這應該是WSN最適當的硬體設計。
連接到無線感測器節點的使用者介面的理想設計，可以是從WSN接收資料的手機應用。
感測器的資料可能會出現在廣播封包固定位置，而BLE應用可設計到能夠從這些位置提取相關資料，並將資料顯示至手機上。這種技術可用於管理多個WSN構成的複雜網路，配合硬體與韌體的優化，設計出高效無線感測器節點。
(本文作者任職於賽普拉斯)