MCU无线网络应用暨低功耗无线节点技术

益登科技技术经理 苗延骏。

具备无线射频技术的无线传感器，普遍应用于智能电表、居家自动化保全、交通╱桥梁等基础设施的环境监控、农耕监控等应用，而能靠阳光、风力、振动、热等能量采集技术且低功耗设计的无线传感技术，成为能降低部署与维护成本，普及传感应用的关键…

专业IC代理代理商益登科技(EDOM)技术经理苗延骏，介绍该公司所代理、由芯科实验室(Silicon Labs)研发的低功耗无线节点╱网络传感器MCU。Silicon Labs是领先业界的高效能类比与混合信号IC厂商，拥有一流的工程团队，发展出各种易于使用的高整合产品，提供客户强大效能、精巧体积和低耗电等优势，普遍应用于消费性、通讯、电脑、工业和车用电子。

苗延骏指出，由芯科实验室所开发的微控制器，所带来的关键性差异化特点，就在于：1.最低功耗。Silicon Labs Wireless MCU拥有目前正常作业模式(active mode)与睡眠模式(sleep mode)下的最低操作电流。2.最高效能。以CISC架构实作8051兼容MCU架构，并将时脉提高到100MHz。3.最佳类比转换：提供高分辨率╱高速类比数码转换，以及高精准谐振器。4.USB与无线连接能力：内嵌USB汇流排主控器与无线射频发送器。Silicon Labs的MCU提供超过300项产品细项，能广泛应用在超低功耗、敏感性类比转换╱传感、LCD显示、无线连接、USB/Smart界面、人机界面、车用电子与工业控制等领域。

聚焦MCU新兴应用 着眼于环境节电技术

苗延骏呼应论坛几位演讲者的看法，当前MCU的新兴应用，是在智能电表、医疗、家庭自动化╱保全、人机界面、照明与能量采集(Energy Harvesting)技术等，而Silicon Labs特别着重在能量采集装置，凭藉自身的超低功耗设计，辅以从周遭环境如太阳能、热能、操作者移动时产生的动能╱振动、风力与无线电波来供应电源，不仅对环境友善，设置成本与日后维护成本亦大幅降低。依IDTechEx预测，能量采集装置数量从2010年起的10年内，将会呈现指数型成长，估计到2019年达到100亿个，是2009年(5亿个)的20倍。

目前Silicon Labs提供的参考设计分为3部份：1.Wireless sensor node无线传感节点，搭配Si1012 wireless MCU芯片，藉由太阳能光电板供电，可量测温度、光阶与电压，可传送数据到连通PC的Wireless USB adapter。2.Wireless USB adapter，大小与一般USBU盘无异，可直接插入USB连接到PC，负责接收Wireless sensor node的数据。MCU根基于EZMac无线网络堆叠协定层，可以用HID USB软件方式驱动，同时针对射频(RF)与USB传输最佳化。3. Wireless sensor network GUI软件，可以图形化界面方式，直接监控显示传自各个无线传感点的数据，而无需任何特定的驱动程序。

无线传感节点的设计关键—能量采集技术与低功耗设计

苗延骏表示，无线传感节点设计关键，在于能提供完整的能量采集解决方案，提供所有无线网络堆叠协定与USB的驱动软件，而且在PCB电路设计上，还要涵括验证过的Wireless RF无线射频线路，并且整个传感系统要符合超低功耗的需求。藉由Silicon Labs的Si10xx无线MCU单芯片来控制，在深度睡眠模式仅20nA(奈安培)与2μs快速回复苏醒模式，搭配周边智能调配电流量来降低平均耗电量的设计，以满足用户需求。

Silicon Labs Si10xx MCU是产业界最低功耗的无线射频MCU，无论执行模式或睡眠模式均为最低功耗，LP睡眠模式下功耗为65nA且2μs快速回复；同时在无须外接功率放大芯片(PA)的条件下，可提供+20dBm的无线电波输出，以及-121dBM的无线电波接收敏锐度；MCU进入睡眠模式且Wireless RF待机模式下为350nA+450nA；MCU作用中且传输电波时功耗为29mA @+13dBm，接收电波功耗为19mA@-121dBM；内建DC转DC变压电路，可使用工作电压从0.9V~3.6V均可操作，启动内部变压功能最多耗费3μA。

苗延骏指出，当传感模块的薄膜电池电力耗尽，在系统无负载下以太阳能光电板进行充电，在一般灯泡的照射环境下，约50~200烛光的亮度，整个模块约24小时可充满电力；若是办公室内(靠近窗户)或户外阴天约1,000烛光的亮度下，则仅需6小时就能充满电力；当处于艳阳高照的环境下(10万烛光)，整个模块仅需2小时就充满电力；若直接插到USB界面埠以3mA进行充电，则仅需30分钟就充电完成。

另外Silicon Labs也提供一些可搭配无线射频电波转电力(RF Energy)像是Powercast P1110芯片、压电装置╱振动、热电转换装置的参考设计，使整个无线传感模块达到自主撷取电力╱发电而无需外接、替换电池的境界。

能量采集的无线传感模块应用实例

目前能量采集技术的应用上，可用于无线传感节点、居家建筑自动化、工业控制、保全、农耕场所监控与资产盘点。譬如交通行控╱管理系统，是藉由密集部署于各市郊区道路、桥梁、高速╱快速公路上的无线传感节点，实时回传各传感点的车流量至行控中心，由行控中心监控并进行智能导流。通常这些无线传感器，都固定在高架道路或桥梁的某些定点，万一失效时，要更换电池就相当费工且不便，此时采能量采集设计的无线传感模块就显现其效益。

苗延骏指出，目前Silicon Labs的无线传感模块可每秒检测1次，3分钟无动静便自动关闭，而一旦传感数据产生时即可2μs快速回复，整个传感系统的平均功耗仅仅11μA，在搭配能量采集像是太阳能光电板情况下，即使无任何光源，内建电池可支撑64小时，差不多可以支撑两天多，由于1天至少有10~12小时日照时间，加上即便在阴天环境下，仅6小时就充饱电力，因此不必担心整个传感器没电、无法工作的问题。

在工业控制应用上，像是厂房的机台设备监控点设置，多半要监控的是检测点的温度、电压，如果监控目标是马达，还会检测其马达转速，此时可在这些检测点使用压电(振动发电)或热电转换的无线传感器，一定时间间隔内仅传输几十个bytes到控制面板，就可有效掌握机台设备的状况。

另外在居家自动化╱保全应用上，像是烟雾传感器、瓦斯传感器、玻璃窗被入侵传感器等应用，由于这些环境多半是处于室内或靠窗户边，因此可能量采集的无线传感器，在1天至少有6小时即便阴天或户内光源下也能充饱电力。还有像桥梁这种公共建设，其传感器设置点根本无法去更换电池，此时可藉由传感器的太阳能、风能、振动或无线射频RF来供电，可使用一、二十年而无须去维护。

苗延骏总结指出，目前市场对于传感器技术越来越偏好能量采集的解决方案，这个市场逐渐在成长。由益登科技代理、芯科实验室提供关键性无线射频模块的能量采集解决方案，帮助业界快速进入这个市场。不仅设计套件包含了完整的无线网络堆叠协定与USB软件，其物料成本表(BOM)也相当低廉而具备竞争力，并有完整的PCB电路设计涵盖无线射频(RF)电路，以及相关的电路设计档案(Schematics and Gerber files)，Silicon Labs提供具能量采集且业界最低功耗的无线传感节点技术。