Как снизить потребление сети беспроводных датчиков

Беспроводные технологии используются не только для связи людей между собой или людей с компьютерами. Появляется новый вид связи — между электронными устройствами. За рубежом он получил название «третья волна беспроводных систем». Примером сети третьей волны является система «умный дом», когда в помещении расположено множество датчиков и исполнительных устройств, которыми в отсутствие хозяина управляет сервер.
Развитие подобных систем сдерживает высокое потребление энергии современными беспроводными устройствами. Задача инженеров заключается не только в уменьшении потребляемого тока, но и в применении других подходов, например перехода на специализированные связные ИС, что позволило бы сэкономить до 65% потребляемой мощности.

Большинство современных систем с низким потреблением строится на основе центрального процессора (ЦП). В таких системах для управления приемопередатчиками нужен дополнительный микроконтроллер (МК), который постоянно находится в активном режиме. Это неэкономично.
Более эффективный подход основан на использовании коммуникационного, или связного, МК, позволяющего осуществлять обмен данными независимо от ЦП. В этом случае ЦП переходит в активный режим только тогда, когда необходимо произвести обработку данных.
Дальнейшая оптимизация достигается путем использования аппаратного планировщика и схемы синхронизации внутри чипа. Планировщик периодически переводит приемопередатчик в активный режим, чтобы посмотреть, имеются ли данные для отправки или приема. При отсутствии таковых он возвращается в спящий режим. Если данные есть, планировщик дает команду включения микроконтроллеру.
Синхронное включение и отключение устройств помогает снизить мощность потребления в развитых сетях, когда между узлами существует несколько путей распространения.
Одно из главных отличий сети датчиков от других беспроводных сетей заключается в том, что датчики могут пересылать сообщения, полученные от других узлов сети. Данный прием называется маршрутизацией или ретрансляцией. Это эффективный и надежный способ создания такой развитой инфраструктуры, которая невозможна в случае одиночной беспроводной связи.
Чтобы узел переслал полученное от другого узла сообщение, он должен находиться в активном состоянии и режиме приема. К сожалению, это очень энергоемкий режим. Более правильное решение — применять маршрутизацию только среди тех узлов, которые всегда находятся в активном режиме. Тогда другие устройства, которые большую часть времени находятся в спящем режиме, не участвуют в маршрутизации. Обычно это конечные устройства, расположенные в начале и конце передающей линии.
Заметим, что рассмотренный принцип подходит не для всех систем. Например, он годится для системы освещения, но неприменим для систем обнаружения утечки газа.
В системах с синхронным включением ретрансляционные узлы большую часть времени находятся в спящем режиме, что позволяет существенно снизить потребление.
Принцип пересылки сообщений в таких сетях показан на рисунке 1. После пробуждения устройство сразу обнаруживает сообщения от соседей и пересылает его. Можно сказать, что доставка сообщения будет производиться в спящем режиме.

Рис. 1. Эффективная передача сообщений с применением синхронного включения и отключения устройств

Изложенные методы позволяют снизить энергопотребление настолько, что система сможет работать без батарейного источника питания, используя только полученную из окружающей среды энергию.

Для наиболее эффективного расхода энергии устройством разработчик должен учесть следующие факторы.
1. Пиковое значение тока. Это важный параметр, который необходимо учитывать при проектировании. При внимательном изучении графика потребления становится видно, что мощность потребления резко увеличивается при активизации отдельных блоков. Для сглаживания этого эффекта следует избегать одновременного включения или выключения нескольких блоков.
2. Своевременное отключение питания. Когда батарея практически разряжена, устройство не может правильно функционировать. В схеме необходимо предусмотреть блок детектирования разряда батареи, чтобы до наступления полного разряда успеть проинформировать другие устройства о скором отключении и завершить все текущие операции.
3. Ток в спящем режиме. Обычно разработчики стремятся к тому, чтобы ток потребления при обмене данными был минимальным, забывая о потреблении системы в спящем режиме. Ток утечки может составлять десятки мкА, однако для систем, беспрерывно работающих в течение нескольких лет, это довольно много.
4. Время включения. При использовании принципа отключения неиспользуемых блоков необходимо обеспечить быстрый возврат устройств в активное состояние. При «пробуждении» блока или модуля сначала устанавливается стабилизатор напряжения, включаются тактовые генераторы и цифровые схемы. Все эти операции должны производиться в определенном порядке как можно быстрее, чтобы на процесс включения затрачивалось как можно меньше энергии.

Существует несколько стандартов беспроводной передачи данных. Все они имеют разное назначение, поэтому к выбору стандарта для той или иной сети следует отнестись внимательно. Рассмортим самые распространенные интерфейсы: Wi-Fi, Bluetooth и ZigBee.
Стандарт Wi-Fi появился как замена проводному Ethernet. Он обеспечивает высокую скорость обмена на небольших расстояниях. Устройства Wi-Fi потребляют много энергии, чтобы обеспечить требуемое быстродействие. С расстоянием и при наличии преград скорость передачи резко снижается.
Bluetooth разработан для мобильных устройств и используется для подключения беспроводных наушников или сотового телефона к навигатору GPS или ПК. Скорость передачи по Bluetooth составляет примерно 1 Мбит/с. Этого достаточно для передачи голоса, но на порядок ниже, чем по Wi-Fi. Однако и потребление ниже, поскольку рассчитано на питание от аккумулятора телефона. Длина линии при обмене по Bluetooth небольшая, учитывая, что телефон обычно располагается в непосредственной близости от ПК или наушников.
В сети датчиков требования совсем другие, в т.ч. и по энергопотреблению. Датчики зачастую работают в течение нескольких лет от батарейки величиной с монету или от энергии, преобразованной из окружающей среды. Аккумулятор не перезаряжается, как в мобильнике или ПК.
Объединяющая датчики сеть предъявляет особые требования по надежности и дальности связи. В отличие от других видов сетей, она обычно имеет большое количество узлов. С другой стороны, скорость передачи в ней не так критична, поскольку объем передаваемых данных невелик.
Для беспроводных приемопередатчиков основным и, возможно, единственным стандартом является IEEE 802.15.4 (ZigBee). Предпринимались попытки использовать Bluetooth или Wi-Fi вместо ZigBee, но они не увенчались успехом, поскольку архитектура этих сетей не подходит для обеспечения связи между датчиками. Bluetooth и Wi-Fi приходилось использовать в нестандартном для них режиме, подстраивая параметры под 802.15.4.