無線傳感器節(jié)點(diǎn)可通過縮減傳感器尺寸、簡化維護(hù)問題和延長電池續(xù)航時(shí)間而降低實(shí)施成本。事實(shí)上，如果把重點(diǎn)集中在無電池的設(shè)計(jì)上，將能實(shí)現(xiàn)更大的成本效益。 設(shè)計(jì)無電池設(shè)備的最好方法是通過用于通信和能量采集的低功耗藍(lán)牙（BLE）等技術(shù)來降低無線傳感器系統(tǒng)的平均功耗。 微型無線傳感器 圖1為微型無線傳感器的架構(gòu)圖。該傳感器使用具有集成BLE射頻的微控制器（MCU）而創(chuàng)建，可以完全使用能量采集電源管理集成電路（IC??所提供的電源運(yùn)行。 [圖1：微型無線傳感器使用具有集成BLE射頻的微控制器（MCU）而創(chuàng)建，經(jīng)優(yōu)化后僅用能量采集電源管理IC所提供的電源運(yùn)行。圖中為完整的無線傳感器 -- CYALKIT-E02太陽能供電BLE傳感器參考設(shè)計(jì)套件（RDK）。] BLE的優(yōu)化 為了做到只用能量采集IC所提供的電源運(yùn)行，傳感器必須優(yōu)化其BLE系統(tǒng)以降低功耗。首先，設(shè)計(jì)人員必須了解BLE子系統(tǒng)的詳情。接下來，需要編寫固件代碼以滿足每種運(yùn)行/功率模式的要求。然后，設(shè)計(jì)人員必須分析實(shí)際功耗以確認(rèn)各種假設(shè)來進(jìn)一步提升系統(tǒng)的能效。 降低功耗技術(shù)的說明可參考賽普拉斯（Cypress）CYALKIT-E02太陽能供電BLE傳感器參考設(shè)計(jì)套件（RDK）。該RDK包含一個(gè)Cypress PSoC 4 BLE與S6AE10xA能量采集電源管理IC（PMIC）。 簡單、無功率優(yōu)化的BLE設(shè)計(jì)要首先把BLE射頻配置為處于不可連接廣播模式的信標(biāo)。BLE信標(biāo)是每隔一定時(shí)間向外進(jìn)行廣播的單向通信方法。它包含一些較小的數(shù)據(jù)包（30字節(jié)），而這些數(shù)據(jù)包構(gòu)成一個(gè)廣播數(shù)據(jù)包發(fā)送出去。想信標(biāo)被發(fā)現(xiàn)可在各類智能手機(jī)或計(jì)算機(jī)應(yīng)用中推送消息、app操作及提示。 圖2顯示了廣播通道數(shù)據(jù)包格式的BLE鏈路層格式。BLE鏈路層擁有“Preamble”（前導(dǎo)碼）、“Access Address”（接入地址）、“Protocol Data Unit（PDU）”（協(xié)議數(shù)據(jù)單元）和“Cyclic Redundancy Code（CRC）”（循環(huán)冗余碼）。請(qǐng)注意，以下信息僅適用于廣播通道數(shù)據(jù)包格式，不含“數(shù)據(jù)通道數(shù)據(jù)包”。 ---“Preamble”必須設(shè)置為“10101010b” ---“Access Address”必須設(shè)置為 ---“10001110100010011011111011010110b（0x8E89BED6）” ---“PDU”包含“報(bào)頭”和“凈載荷” BLE信標(biāo)的數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)屬于“凈載荷”中的“廣播數(shù)據(jù)”。 [圖2：廣播通道數(shù)據(jù)包格式的BLE鏈路層格式][圖3：BLE信標(biāo)數(shù)據(jù)包格式] 表1列出了設(shè)置值 可以使用電壓和電流波形計(jì)算平均消耗電流以確定BLE設(shè)計(jì)的高效。圖4顯示了無功率優(yōu)化設(shè)計(jì)的功耗結(jié)果。 [圖4：無功率優(yōu)化的BLE設(shè)計(jì)的電流消耗] 平均電流約為5 mA，從啟動(dòng)到待機(jī)的總功耗為34.76 mJ。為了做到使用環(huán)境能量運(yùn)行，我們需要降低消耗電流。 通過優(yōu)化固件實(shí)現(xiàn)低功耗 通過優(yōu)化以下4個(gè)功能以降低BLE設(shè)計(jì)的平均電流消耗： 1、低功率啟動(dòng) 2、深度睡眠 3、IMO時(shí)鐘設(shè)置 4、調(diào)試選擇 當(dāng)系統(tǒng)處于低功耗模式時(shí)，則需要利用看門狗定時(shí)器（WDT）來喚醒系統(tǒng)。 低功率啟動(dòng) 通電復(fù)位（POR）后，BLE系統(tǒng)通過調(diào)用不同組件的啟動(dòng)功能對(duì)這些組件進(jìn)行初始化。初始化時(shí)通過執(zhí)行以下步驟實(shí)現(xiàn)低功耗運(yùn)行： 1、在32.768-kHz watch晶體振蕩器（WCO）啟動(dòng)時(shí)，關(guān)閉24-MHz外部晶體振蕩器（ECO）以降低功耗。 2、500 ms后（WCO啟動(dòng)時(shí)間），啟用WDT以喚醒系統(tǒng)。 3、將MCU配置成在500 ms WCO啟動(dòng)時(shí)間內(nèi)處于深度睡眠模式。 4、WCO啟用后，重啟ECO以啟用BLE子系統(tǒng)（BLESS）接口。 5、把WCO置于低功耗模式，并將低頻時(shí)鐘（LFCLK）源從32‐kHz內(nèi)部低速振蕩器（ILO）改為WCO。 6、啟用WDT以喚醒系統(tǒng)。 7、將MCU置于深度睡眠模式。 [圖5：低功耗啟動(dòng)波形] 深度睡眠 用戶設(shè)計(jì)應(yīng)管理系統(tǒng)時(shí)鐘、系統(tǒng)功率模式和BLESS功率模式，以實(shí)現(xiàn)BLE MCU的低功耗運(yùn)行。 在BLE事件間隔期間，建議通過執(zhí)行以下步驟實(shí)現(xiàn)深度睡眠： 1、關(guān)閉ECO以降低功耗。 2、1.5s后（BLE事件間隔），啟用WDT以喚醒系統(tǒng)。 3、將MCU置于深度睡眠模式。 4、1.5s后，重啟ECO以啟用BLE子系統(tǒng)（BLESS）接口。 5、發(fā)送BLE廣播數(shù)據(jù)。 6、從步驟1開始重復(fù)。 [圖6：深度睡眠波形圖] IMO 時(shí)鐘設(shè)置 3-MHz到48-MHz內(nèi)部主振蕩器（IMO）是主要的內(nèi)部時(shí)鐘源。IMO的默認(rèn)頻率是48 MHz，可在3 MHz到48 MHz范圍內(nèi)以1 MHz的步長調(diào)節(jié)。在默認(rèn)的校準(zhǔn)設(shè)置下，IMO與本例中RDK的公差為±2%。圖7顯示了改變IMO頻率后的總功耗示例。 [圖7：IMO DC規(guī)格和示例總功耗]