MCU無線網路應用暨低功耗無線節點技術

益登科技技術經理 苗延駿。

具備無線射頻技術的無線感測器，普遍應用於智慧電表、居家自動化保全、交通╱橋樑等基礎設施的環境監控、農耕監控等應用，而能靠陽光、風力、振動、熱等能量採集技術且低功耗設計的無線感測技術，成為能降低部署與維護成本，普及感測應用的關鍵…

專業IC代理通路商益登科技(EDOM)技術經理苗延駿，介紹該公司所代理、由芯科實驗室(Silicon Labs)研發的低功耗無線節點╱網路感測器MCU。Silicon Labs是領先業界的高效能類比與混合訊號IC廠商，擁有一流的工程團隊，發展出各種易於使用的高整合產品，提供客戶強大效能、精巧體積和低耗電等優勢，普遍應用於消費性、通訊、電腦、工業和車用電子。

苗延駿指出，由芯科實驗室所開發的微控制器，所帶來的關鍵性差異化特點，就在於：1.最低功耗。Silicon Labs Wireless MCU擁有目前正常作業模式(active mode)與睡眠模式(sleep mode)下的最低操作電流。2.最高效能。以CISC架構實作8051相容MCU架構，並將時脈提高到100MHz。3.最佳類比轉換：提供高解析度╱高速類比數位轉換，以及高精準諧振器。4.USB與無線連接能力：內嵌USB匯流排主控器與無線射頻發送器。Silicon Labs的MCU提供超過300項產品細項，能廣泛應用在超低功耗、敏感性類比轉換╱感測、LCD顯示、無線連接、USB/Smart介面、人機介面、車用電子與工業控制等領域。

聚焦MCU新興應用 著眼於環境節電技術

苗延駿呼應論壇幾位演講者的看法，當前MCU的新興應用，是在智慧電表、醫療、家庭自動化╱保全、人機介面、照明與能量採集(Energy Harvesting)技術等，而Silicon Labs特別著重在能量採集裝置，憑藉自身的超低功耗設計，輔以從周遭環境如太陽能、熱能、操作者移動時產生的動能╱振動、風力與無線電波來供應電源，不僅對環境友善，設置成本與日後維護成本亦大幅降低。依IDTechEx預測，能量採集裝置數量從2010年起的10年內，將會呈現指數型成長，估計到2019年達到100億個，是2009年(5億個)的20倍。

目前Silicon Labs提供的參考設計分為3部份：1.Wireless sensor node無線感測節點，搭配Si1012 wireless MCU晶片，藉由太陽能光電板供電，可量測溫度、光階與電壓，可傳送資料到連通PC的Wireless USB adapter。2.Wireless USB adapter，大小與一般USB隨身碟無異，可直接插入USB連接到PC，負責接收Wireless sensor node的資料。MCU根基於EZMac無線網路堆疊協定層，可以用HID USB軟體方式驅動，同時針對射頻(RF)與USB傳輸最佳化。3. Wireless sensor network GUI軟體，可以圖形化介面方式，直接監控顯示傳自各個無線感測點的資料，而無需任何特定的驅動程式。

無線感測節點的設計關鍵—能量採集技術與低功耗設計

苗延駿表示，無線感測節點設計關鍵，在於能提供完整的能量採集解決方案，提供所有無線網路堆疊協定與USB的驅動軟體，而且在PCB電路設計上，還要涵括驗證過的Wireless RF無線射頻線路，並且整個感測系統要符合超低功耗的需求。藉由Silicon Labs的Si10xx無線MCU單晶片來控制，在深度睡眠模式僅20nA(奈安培)與2μs快速回復甦醒模式，搭配週邊智慧調配電流量來降低平均耗電量的設計，以滿足用戶需求。

Silicon Labs Si10xx MCU是產業界最低功耗的無線射頻MCU，無論執行模式或睡眠模式均為最低功耗，LP睡眠模式下功耗為65nA且2μs快速回復；同時在無須外接功率放大晶片(PA)的條件下，可提供+20dBm的無線電波輸出，以及-121dBM的無線電波接收敏銳度；MCU進入睡眠模式且Wireless RF待機模式下為350nA+450nA；MCU作用中且傳輸電波時功耗為29mA @+13dBm，接收電波功耗為19mA@-121dBM；內建DC轉DC變壓電路，可使用工作電壓從0.9V~3.6V均可操作，啟動內部變壓功能最多耗費3μA。

苗延駿指出，當感測模組的薄膜電池電力耗盡，在系統無負載下以太陽能光電板進行充電，在一般燈泡的照射環境下，約50~200燭光的亮度，整個模組約24小時可充滿電力；若是辦公室內(靠近窗戶)或戶外陰天約1,000燭光的亮度下，則僅需6小時就能充滿電力；當處於艷陽高照的環境下(10萬燭光)，整個模組僅需2小時就充滿電力；若直接插到USB介面埠以3mA進行充電，則僅需30分鐘就充電完成。

另外Silicon Labs也提供一些可搭配無線射頻電波轉電力(RF Energy)像是Powercast P1110晶片、壓電裝置╱振動、熱電轉換裝置的參考設計，使整個無線感測模組達到自主擷取電力╱發電而無需外接、替換電池的境界。

能量採集的無線感測模組應用實例

目前能量採集技術的應用上，可用於無線感測節點、居家建築自動化、工業控制、保全、農耕場所監控與資產盤點。譬如交通行控╱管理系統，是藉由密集部署於各市郊區道路、橋樑、高速╱快速公路上的無線感測節點，即時回傳各感測點的車流量至行控中心，由行控中心監控並進行智慧導流。通常這些無線感測器，都固定在高架道路或橋樑的某些定點，萬一失效時，要更換電池就相當費工且不便，此時採能量採集設計的無線感測模組就顯現其效益。

苗延駿指出，目前Silicon Labs的無線感測模組可每秒檢測1次，3分鐘無動靜便自動關閉，而一旦感測資料產生時即可2μs快速回復，整個感測系統的平均功耗僅僅11μA，在搭配能量採集像是太陽能光電板情況下，即使無任何光源，內建電池可支撐64小時，差不多可以支撐兩天多，由於1天至少有10~12小時日照時間，加上即便在陰天環境下，僅6小時就充飽電力，因此不必擔心整個感測器沒電、無法工作的問題。

在工業控制應用上，像是廠房的機台設備監控點設置，多半要監控的是檢測點的溫度、電壓，如果監控目標是馬達，還會檢測其馬達轉速，此時可在這些檢測點使用壓電(振動發電)或熱電轉換的無線感測器，一定時間間隔內僅傳輸幾十個bytes到控制面板，就可有效掌握機台設備的狀況。

另外在居家自動化╱保全應用上，像是煙霧感測器、瓦斯感測器、玻璃窗被入侵感測器等應用，由於這些環境多半是處於室內或靠窗戶邊，因此可能量採集的無線感測器，在1天至少有6小時即便陰天或戶內光源下也能充飽電力。還有像橋樑這種公共建設，其感測器設置點根本無法去更換電池，此時可藉由感測器的太陽能、風能、振動或無線射頻RF來供電，可使用一、二十年而無須去維護。

苗延駿總結指出，目前市場對於感測器技術越來越偏好能量採集的解決方案，這個市場逐漸在成長。由益登科技代理、芯科實驗室提供關鍵性無線射頻模組的能量採集解決方案，幫助業界快速進入這個市場。不僅設計套件包含了完整的無線網路堆疊協定與USB軟體，其物料成本表(BOM)也相當低廉而具備競爭力，並有完整的PCB電路設計涵蓋無線射頻(RF)電路，以及相關的電路設計檔案(Schematics and Gerber files)，Silicon Labs提供具能量採集且業界最低功耗的無線感測節點技術。