无线网络 - 自给自足，无线温度传感器的设计方案解析

　　无线网络

　　LTP5901 是一个完整的无线电模块，含有无线电收发器、嵌入式微处理器和网络软件。其物理设计由一块小型印刷电路板组成，可非常容易地焊接到包含该应用其余部分 （信号链路和电源管理） 之主电路板上。

　　在这个应用中，LTP5901 执行两种功能：无线网络和内务处理微处理器 （图 5）。当给一个网络管理器附近的多个 LTP5901 节点加电后，这些节点相互自动识别，并形成一个无线网格网络。整个网络自动完成时间同步，这意味着每个无线电模块都仅在非常短的特定时间间隔内加电。因此，每个节点都可以既发挥传感器信息源的作用，又作为路由节点，以向管理器转发来自其他节点的数据。这样，即使所有节点 （包括路由节点） 都以非常低的功率工作，依然可以建立一个高度可靠的低功耗网格网络，每个节点到管理器都有多条通路可用。这种无线电技术典型的节点间传送距离为 100 米，在有利的户外条件下，距离甚至可以更长。

　　图 5：LTP5901-IPM 仅需要非常少的连接，就能运行整个应用。所有无线网络功能 （包括固件和 RF 电路） 都已经内置在该模块中。3线 SPI 主器件与 LTC2484 的 SPI 端口通信。GPIO 引脚 （DP2） 控制传感器电源排序。内置 ADC 充当便利的电平转换器，从 LTC3330 读取能量收集状态标记 EH_ON。

　　LTP5901 含有一个 ARM Cortex-M3 微处理器内核，该内核运行网络软件。此外，这个内核还可通过用户提供的固件来设定，以执行特定于用户应用的任务。因此，无需任何第三方微处理器，就能够实现很多应用。在本文例子中，LTP5901 内部的微处理器通过在合适的时间接通和断开 LTC3330 的 LDO 来管理温度传感器的电源排序，以在两次温度读取之间节省功率。LTP5901 直接与 24 位 ADC 的 SPI 端口通信，该 ADC 读取温度传感器提供的温度值。最后，LTP5901 从 LTC3330 读取电源状态输出标记 （EH_ON），该标记指示用来给电路供电的是太阳能还是电池。

　　无线电模块的功耗可以用凌力尔特在官网在线提供的工具“SmartMesh功率与性能估计器 （SmartMesh Power and Performance Estimator）”来估计。对于一个有 20 个节点 （其中 10个节点以无线方式直接连接到管理器 （1 跳），另外 10 个节点间接连接到管理器 （两跳） ） 的典型网络而言，两跳节点的平均功耗约为 20μA，1 跳节点则为 40μA。这些数字是在每个节点每 10 秒报告一次温度数据的情况下得出的。1 跳节点消耗大约两倍功率的原因是，它们不仅发送自己的传感器数据，还充当路由节点，转发一些两跳节点的传感器数据。如果关闭一种称为 “Advertising”（宣告） 功能，那么上述功率可以进一步减少两倍。一旦“宣告”功能关闭，网络就不再识别想加入网络的新节点。除了这点不同，关闭广告功能对网络运行没有任何影响。

　　总体功耗

　　完整应用电路的总体功耗视各种不同因素而有所不同，其中包括每个传感器测量温度的频度以及所有节点在网络中的配置方式。对于一个每 10 秒报告一次温度数据的传感器节点而言，典型功耗为传感器部分低于 20μA，无线电模块部分可能为 20μA，总的平均负载电流约为 40μA。

　　小型 2 英寸 x 2 英寸太阳能电池板 （例如 Amorton 系列） 甚至在相对中等的室内照明条件下 （200 流明），也可产生 40μA 电流，而在强光照条件下，则能够产生大得多的电流。这意味着，在很多条件下，这个应用可以完全依靠太阳能电池板电源运行。如果该电路处于黑暗中，需要完全靠电池电源运行，那么一节 2.4Ah AA 电池 （例如 Tadiran XOL 系列） 可给该应用供电差不多7 年。在较低或可变光照条件下，该电路自动在太阳能电源和电池电源之间来回切换，以便尽可能利用太阳能，以延长电池寿命。

　　结论

　　凌力尔特的信号链路、电源管理和无线网络产品可用来实现完整、真正的无线传感器网络产品的设计。该时间同步无线网格网络确保用最少的功率，可靠地在节点间传送数据。内置的微处理器可设定传感器电路电源的占空比。高效率、高集成度电源管理 IC 可完全用小型太阳能电池板给该应用供电，或者用一个小型电池给该应用供电很多年。