Como projetar Ultra Baixa Potência ZigBee Redes sem fio RF4CE

Tecnologia sem fio está evoluindo de comunicações para entre pessoas e computadores para comunicação entre máquinas. Há uma terceira onda de sem fio que está seguindo a integração quase onipresente de telefones celulares e de Internet sem fio (Wi-Fi) em nossas vidas.

Esta onda wireless terceiro consiste em sentido sem fio e redes de controle que pode conectar e controlar todos os tipos de equipamentos em nossas casas e empresas - de freezers para interruptores de luz, de produtos eletrônicos de consumo (TV, DVD-player) e controles remotos com sensores para a detecção ou proteção, e para travamento da porta central e travamento janela em nossas casas (como estamos acostumados em nossos carros).

Infelizmente, utilizando as tecnologias sem fios de hoje, a maior parte desses sensores sem fio e controlos requerem a utilização de uma quantidade significativa de baterias criando preocupações ambientais (acho produtos químicos tóxicos e metais pesados), assim como um problema sério de manutenção (troca de baterias continuamente). Portanto ultra-redes sem fio de baixa potência que necessitam de muito pouca energia são de grande interesse.

Isso inclui sistemas que podem funcionar com uma bateria de célula única para a vida de um dispositivo, bem como as redes sem fio e sensores que podem ser movidos a captação de energia (às vezes chamada de energia de limpeza). Criação de redes ultra-baixa potência sem fio e sistemas que podem ser executados fora a energia que está disponível no ambiente, em vez de baterias é uma tecnologia muito emocionante emergente.

No ano passado, a organização ZigBee parceria com vários dos eletrônicos de consumo maiores empresas do mundo (Panasonic, Philips, Sony e Samsung) para formar o que é conhecido como ZigBee RF4CE (Rádio Freqüência de Eletrônica de Consumo). Esta parceria indústria sinaliza o desenvolvimento de toda uma nova geração de dispositivos de controle remoto - para TVs, para casa e de automação de escritório, para muitos outros tipos de produtos de controle remoto que se comunicam via RF de baixa potência em vez de décadas de idade IR (infravermelho). Ao utilizar essas novas tecnologias de comunicação, que em breve deve estar vendo uma ampla gama de dispositivos remotos que não são apenas interoperáveis ​​entre as marcas e modelos, mas exigem tão pouca energia que as baterias nunca ter ser alterado ou recarregada. É até possível projetar e construir controles remotos que não necessita de quaisquer baterias em tudo e vai ter o seu poder de captação de energia.

Desafios das redes de sensores sem fio

O maior desafio técnico para o desenvolvimento dessas redes de sensores ultra-baixo consumo de energia está a gerir o consumo de energia sem reduzir a faixa ou funcionalidade, como a velocidade e padrões de conformidade. A eliminação que resulta da substituição da bateria, então, simplificar a manutenção e proporcionar um maior grau de facilidade de utilização e de segurança.

Baixíssimo consumo de energia

É evidente que o consumo de corrente - mili-amperes - e dever ciclismo são importantes em redes de sensores sem fios. No entanto, minimizando o consumo de corrente é apenas uma parte da solução. Existem várias questões essenciais fundamentais para o desenvolvimento de aplicações de baixa potência de sensores sem fio, mas tudo começa com o desenvolvimento de um ultra baixa potência chips de rádio transceptor.

Ao utilizar um controlador de comunicação design do chip central, em vez de um desenho centrado microcontrolador, juntamente com sincronizadas wake-up, é possível reduzir o consumo geral de energia em 65% ou mais.

A maioria das soluções requerem que o transceptor MCU de estar ligado durante todo o tempo, durante a transmissão de um pacote. Usando controlador picanço Tecnologia de comunicação GP500, o MCU só é necessário para processar os dados a serem transmitidos ou recebidos.

Redes de rádio mais baixo poder contar com uma abordagem centrada no processador que requer um microcontrolador para lidar com toda a inteligência para o transceptor. Isto exige que o microcontrolador estar acordado o tempo todo de que por sua vez requer energia adicional. Ao utilizar uma energia mais eficiente abordagem controlador de comunicação, o transceptor pode transmitir e receber os dados de forma independente a partir do microprocessador e o microprocessador é apenas despertado e usado quando for necessário para continuar a processar os dados.

Usando um hardware baseado agendador e sincronizador de dentro do próprio chip, o rádio só acorda quando necessário, para ver se há algum dado que precisa ser enviado. Se não, ele retorna para dormir. Se houver dados a serem enviados, então o controlador de acorda o microcontrolador. O chip se comunica a informação e, em seguida, volta a dormir até que a próxima vez que ele está programado para acordar. 9999 vezes fora de 10.000 - não há mensagem a ser enviada eo controlador não precisa energizar o microprocessador. Cada vez que os dados são enviados, os chips também transmitir uma mensagem de sincronização para garantir que todos juntos acordar no ciclo de trabalho seguinte.

Ao permitir que o controlador de comunicação decidir quando acordar e verificar as mensagens, é possível reduzir significativamente o consumo de energia em geral. Por causa do agendador e sincronizador dentro do controlador de comunicação, o sistema só acorda para um breve momento para verificar se existe alguma mensagem e volta a dormir. Ao permitir que o microprocessador de sono até que seja necessário, é possível conservar mais de 65% do consumo de energia em comparação com um típico o sempre no transceptor tradicional

Se este poder multiplicar nó individual economizando por uma rede sem fios de mais de 100 nós, é evidente que toda a rede será capaz de operar com energia muito menor do que uma rede tradicional baseado em microprocessador.

Poupança corrente de pico

Existem três estados de sensores sem fios típicos de nó para uma plataforma de sensor de uso geral sem fios. Cada um tem seu próprio nível de consumo atual. No estado de um, o microprocessador e transceptor está em modo de espera (10A). Em dois estados, o microprocessador é ligado enquanto o transceptor está dormindo (10 mA). No estado de três, tanto o transmissor e o microprocessador está acordado (27 mA).

Ao examinar atentamente o comportamento de consumo de energia de circuitos eletrônicos, torna-se aparente que o que inicialmente parece uma curva plana atual, na verdade, assemelha-se mais a uma cadeia de montanhas com picos e vales. Quando certos blocos funcionais se tornam ativos, eles desenham corrente de pico. Quando dois blocos funcionais efectuar-se simultaneamente, a amplitude pico dobra.

O segredo para reduzir a potência de pico está em gerenciar cuidadosamente o turn-on e turn-off tempo para funções-chave para que os picos de casal pode ser evitado.

Wake Up sincronizado e dormir permite a redução do consumo de energia para redes em malha de baixa potência

Uma das diferenças mais dramáticas entre a tecnologia sem fios de comunicações do sensor e outras bem conhecidas tecnologias sem fios é a capacidade de nós sensores para reencaminhar mensagens de outros nós localizados mais abaixo na cadeia de comunicação. Esta técnica, conhecida como malha de roteamento ou multi-hop em rede, fornece um meio eficaz e confiável de abrangendo grandes infra-estruturas, para além do alcance do que uma ligação sem fios simples pode fazer.

Para um nó de transmitir uma mensagem recebida de outro nó, ele precisa estar em um modo de despertar e de recepção quando a mensagem original sem fio chega. Infelizmente, o modo de recepção exige tanto poder que pode exaurir as baterias em questão de poucos dias. Como esta vida é muito curta poder para a maioria das aplicações da vida real, a solução mais simples, como especificado pela maioria dos padrões da indústria, é limitar a capacidade de multi-hop para os nós que estejam permanentemente conectados à rede elétrica. Em tal quadro, dispositivos de baixa potência, que são assumidas como estar em um modo de desligamento na maioria das vezes, não são capazes de retransmitir as mensagens de outros dispositivos. Estes dispositivos de baixo consumo de energia, conhecidos como dispositivos finais, estão localizados no início ou no fim da cadeia de comunicação.

Esse quadro, que combina dispositivos de rede movidos a malha de roteamento e de baixa potência finais dispositivos, funciona para algumas aplicações. Tomemos, por exemplo, um aplicativo iluminação de escritório utilizando interligados lâmpadas sem fio e interruptores de luz. As lâmpadas, que são conectados à fonte de alimentação principal, a casa de malha nós de comunicação de roteamento. As opções, que não são alimentados de alimentação, são um lugar natural para os dispositivos finais.

Muitas outras aplicações não se encaixam bem em tal quadro. Em aplicações como detecção de gás, detecção de incêndio, controle de acesso, agricultura de precisão, monitoramento de campo de batalha, vigilância de perímetro, monitoramento de temperatura do armazém, etc, de alimentação não está prontamente disponível, ou mesmo presente. Execução de um cabo de energia nestas aplicações seria de custo proibitivo, compensando o benefício de comunicação sem fio.

Para atender a essa classe de aplicações requer baixo consumo de energia de redes multi-hop, ou de baixa potência de roteamento, em que todos os nós, incluindo os nós da malha de roteamento, operam em modo de baixa energia.

Ao usar um "sincronizado despertar" esquema, é possível coordenar a actividade de recepção de uma forma que elimine a necessidade para a malha de nós de roteamento continuamente operam no modo de recepção, reduzindo assim significativamente o consumo de energia. A imagem abaixo mostra como baixo consumo de energia-roteamento funciona quando um nó quer enviar uma mensagem para o nó C, através do nó B. Todos os nós as imagens são de baixa potência nós, dormindo a maior parte do tempo.

Ao sincronizar o sono / acordar ciclos de nós de uns para os outros, nós acordamos quando eles esperam uma mensagem de um nó vizinho. Isto permite que os nós de encaminhamento para operar num estado de sono quase impotentes na maioria das vezes, conseguindo assim ultra-low-power operação. Claramente, mais wake-ups irá ocorrer do que o estritamente necessário para transportar os dados, como nós vizinhos nem sempre têm dados para transmitir. No entanto, a energia adicional necessária para periódicos wake-up e de sincronização é mais do que compensada pela energia economizada, eliminando a necessidade de uma operação de modo contínuo receber.

Desde o seu início, a tecnologia de sensores sem fio tem sido associada com baixo consumo de energia eletrônica. A maioria de baixa potência redes de sensores sem fio foram projetados para baixo consumo de energia, o que significa que eles consomem pouca energia quando ligado. Isso não é suficiente. Ao usar chips de comunicação centradas transceptor, redes mesh sem fio, e vigília sincronizada e dormir ciclos, os desenvolvedores agora podem criar sistemas que não precisa mesmo baterias e em vez disso, pode utilizar a energia de colheita para alimentar a rede de sensores a partir de fontes de energia ambientais.

O padrão de rede de sensores sem fio - IEEE 802.15.4

Para transceptores de sensores sem fio dominante e provavelmente único padrão real é a especificação IEEE 802.15.4. No entanto, tem havido esforços para usar o Bluetooth e Wi-Fi para aplicações em sensores de baixa potência. Na maioria dos casos relatados, Bluetooth e W-Fi foram utilizados de uma forma não normalizada, de fato tecer os princípios da IEEE 802.15.4 na sua implementação nativa. Ele é hoje amplamente aceito que o IEEE 802.15.4 oferece a melhor base para aplicações de rede de sensores sem fio.

Além disso o padrão IEEE 802.15.4, um número de fornecedores de tecnologia têm escolhida para construir transceptores proprietárias. A motivação principal parece ser uma redução da complexidade e, portanto, um ponto de potencial de custo mais baixo. No entanto, ele continua a ser visto se uma solução proprietária nunca vai atingir volumes suficientes para realmente chegar a esse ponto custo teoricamente inferior. Além disso, a redução da complexidade automaticamente anda de mãos dadas com a sacrificar o desempenho e limitando assim a sua aplicabilidade.

Tecnologias proprietárias são vulneráveis, por duas razões: (1) o proprietário da tecnologia controla a memória descritiva e, portanto, também o preço, e (2) o cliente depende do proprietário da tecnologia para melhoramentos e ininterruptas de abastecimento.

Mesmo dentro dos limites das normas, os fornecedores de tecnologia podem descobrir e aproveitar oportunidades de diferenciação.

Como um exemplo picanço desenvolveu transceptor e tecnologia de rede de pilha que é compatível com o IEEE 802.15.4/2.4 GHz padrão, mas inclui funcionalidades adicionais que permitem seu uso para aplicações de baixa potência ultra-. Uma aplicação de energia ultra-baixo-é definido como um aplicativo que é capaz de viver fora de uma bateria de célula de moeda ou energia fora colhida do meio ambiente através de uma célula solar, uma vibração colheitadeira de energia ou qualquer outro conversor de energia ambiente....