把感測器設計到電池供電的無線物聯網（IoT）設備里

物聯網(IoT)正在將現實世界裡的「模擬」事件轉換成網路的行動和反應，連在網路中的物聯網節點能夠監測模擬事件，並且在需要報告的事件發生時，將其進行轉化後通過互聯網報告給應用程序，以完成相應的任務。其中最突出的物聯網應用類別是使用電池供電的感測器，它們被放置在沒有電線的區域來監測事件，並通過無線網路與物聯網通信。大多數情況下，這些產品是始終開啟的、由電池操作的無線感測器，支持無線協議、一個 MCU 和至少一個 模擬感測器。

面臨的挑戰是在單一電池或一次充電的情況下，如何將產品足以感知環境的續航時間最大化。

該挑戰可細化為以下方面：

1. 根據應用程序要求，勝任實時感知任務;

2. 完成感測器測量，同時儘可能少地使用能源;

3. 保持「周期性工作」MCU 外圍設備，並讓 CPU 內核儘可能多地處於睡眠狀態。

在這種應用中，很多MCU的典型做法是喚醒MCU內核然後使用各種外設去完成感測器測量(圖 1)。當有事件 (例如開門) 需要報告時，MCU 進行了報告並返回至其周期性工作規律流程中。這將消耗大量電能，且不能使電池巡航時間最大化，因為運行的「整個 MCU」中，包括很多外圍設備和無關內核運轉都在消耗電能。

實際上，這種方法很可能導致較差的客戶體驗：客戶將設備置於其環境中，將其設置在網路上並啟用，但幾個月之後，設備就因為較差的電池電源管理能力而停止工作。

圖1 CPU 在每次測量中都進行查詢並保持活躍，從而導致較高電能消耗

1物聯網應用理想的電池供電、無線感測器節點解決方案

最佳解決方案將應對以上所述挑戰中的每一個方面，可在電池一次充電的情況下將產品完成環境感測的工作時間最大化。

考慮到以上情況，電池供電的物聯網感測器設備應提供：

1. 自主而節能的感測器管理和測量系統;

2. 可對每個感測器進行獨立配置的感測器輸入/輸出、閾值和配置;

3. 低功耗、可配置的邏輯引擎，僅當絕對需要時才會喚醒 MCU;

4. 用以為多次測量提供緩存的低功耗內存，並延長 CPU 喚醒間隔時間;

5. 低無線功耗。

2 Silicon Labs Gecko 低功耗感測器介面 (LESENSE)

幾年前，Silicon Labs 就預見到電池供電的無線感測器應用的重要性。自此，我們對低能耗的無線、MCU 和感測器技術進行了大規模的投入。

我們的 Gecko MCU 具有節能型的架構，並提供幾種關鍵系統，使其能更有效率地運作，其續航時間也長於其他 MCU。

Gecko 和 Wireless Gecko (以下合稱「Gecko MCU」) 使用低功耗感測器介面 (LESENSE)、外圍設備反射系統 (PRS) 和其他低功耗技術，可以在極低的功耗水平下運作，而同時內核與 MCU的大部分仍處於深度睡眠模式。

上述特性結合其他特性就可以節省很多電能。

表1對於電池供電的物聯網感測器系統的要求

3 Gecko LESENSE 詳情

LESENSE 是高度可配置感測器介面和系統，可自主連續管理並監控最多 16 個電阻性、電容性或電感性感測器， 並同時保持晶元整體處於深度睡眠模式，且內核 (CPU) 始終保持關閉。

LESENSE 包括一個定序器、一個計數和比較器單元、一個可配置解碼器，以及用於配置設置和測量結果存儲的 RAM。

1) 定序器可以操作低頻振蕩器，並通過 PRS 處理與其他外圍設備的相互作用，並可為感測器的工作周期和測量定時。

2) 計數和比較器單元對來自定序器的脈衝進行計數，並將信息與可配置閾值進行對比。

3) 解碼器/狀態機接收感測器測量，並根據最多 16 種可配置狀態和相關動作採取行動。

LESENSE 可配置感測器閾值

當外部事件超過感測器閾值時才喚醒 CPU 並不是一個革命性的概念。本質上，它會將恆定的 MCU 工作周期從圖 1 中移至單個事件;當模擬事件超過給定閾值時，MCU 蘇醒並執行各種行動。

但是，LESENSE 與之不同之處在於，它提供了一個完整的感測器系統，以便管理並監控感測器以及相關的外圍 設備，而不需要 CPU 的參與，MCU 參與度也為最低。這就是 LESENSE 的基本概念，而附加功能還進一步拓展 了概念。

LESENSE 也在不喚醒 CPU 的情況下對數量可配置的閾值事件進行緩衝。這使得系統能夠在一段較長的時間段內監控外部事件。LESENSE 通過自主周期性採集所需的外圍設備塊 (如模擬比較器、低頻振蕩器和感測器本身)，以便完成感測器測量，而 CPU 則保持在深度睡眠模式。

在以下概念圖中，LESENSE 被配置為允許感測器 1 超過其可配置閾值兩次之後才喚醒 CPU。

圖 2：每個啟用 LESENSE 的感測器輸入/輸出均為獨立且可配置的。

LESENSE 也提供附加功能，以管理並監控最多 16 個具有唯一閾值的不同感測器。在使用內置低功耗狀態機 (解碼器) 時，LESENSE 可在發送中斷喚醒 CPU 之前評估幾項事件。

在圖 3 中，LESENSE 對感測器 2 的事件 1、2 和 3 的測量信息進行緩衝，並在喚醒核心之前將這些信息與感測器 1 的事件 1 和 2 的測量數據相結合。這個簡單的使用實例採用 LESENSE 的單獨配置感測器、低功耗內存 和低功耗狀態機。

圖 3：在 CPU 中斷之前，多個感測器及唯一配置支持多個事件。

感測器節點從 LESENSE 緩衝測量中重新校準

由於很多感測器系統在各種不同的環境條件下實施，必須能夠在諸如溫度、濕度、電源電壓、透氣性和連接性等參數不斷變化的情況下進行可靠的操作。

LESENSE 的緩存功能可使 CPU 在被喚醒時重新校準自身多項讀數。這樣可避免隨著情況的變化發生多次重複校準的事件，進一步節約能源並提供更大的系統校準樣本集。

總結

LESENSE 可使 Gecko MCU 和無線 MCU 監控電阻性、電容性、電感性(和 IR)感測器，同時使能耗較高的內核和大部分 MCU 保持深度睡眠模式。LESENSE 能夠監控最多 16 個使用小於 1 μA 的感測器並提供可配置的閾 值，並提供了可對多個事件進行緩衝的 RAM，以及用於可配置喚醒中斷的狀態機。

開始了解 Gecko MCU、Wireless Gecko MCU 和 LESENSE：

· 關於 LESENSE 的培訓視頻

· 關於 LESENSE的培訓演示(來自視頻的幻燈片)

· 應用說明

o 電容感測 LESENSE (AN0028)

o 電感感測 LESENSE (AN0029)

o 電阻感測 LESENSE (AN0036)

o IR 感測 LESENSE (AN0053)

o PRS – 節能外圍設備反射系統 (AN0025)

· LESENSE – Silicon Labs 社區

· PRS – Silicon Labs 社區

· Gecko MCU (EFM32)

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