CN105307251B - 一种低功耗物联网模块及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低功耗物联网模块及其控制方法，具有内置RF前端的CPU主芯片，包括天线、匹配网络、高通滤波器HPF、低通滤波器LPF、平衡网络、接收端口和发送端口；其中，接收端口通过平衡网络连接低通滤波器LPF；发射端口通过耦合电容连接低通滤波器LPF；低通滤波器LPF、高通滤波器HPF、匹配网络和天线顺序串联连接。同时，公开了一种低功耗控制方法，CPU设置为睡眠状态，并设置为RF前端触发唤醒的工作方式；设置RF前端按10∶1方式执行休眠与工作，若未接收到有效数据则进入休眠模式；当收到有效数据时，自动唤醒CPU处理，待处理完后CPU自动进入睡眠模式。

Description

一种低功耗物联网模块及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种低功耗物联网模块及其控制方法，尤其涉及一种采用本发明的MFSK890模块，尤其适合应用于单火线供电、电池供电等超低功耗需求的物联网模块。
背景技术
无线网络具有免连接线、安装位置不受空间限制等优点，但无线网络的可靠性依赖于供电方式、抗干扰能力等因素，特别是野外无线传感网络、电池供电的近场无线系统、智能家居中采用单火线取电技术作为电子系统供电方式的设备等，如单火线开关、智能家居中采用电池供电的门磁、门铃、RF遥控器、RFID卡、无线智能系统的主控模块等。系统功耗大其电池续航能力差导致无线网络寿命缩短；在单火线工作的电子系统中，由于电子系统和负载串联，功耗大则流经负载的电流大，容易引起负载的误动作，如单火线开关中功耗大引起负载LED灯的爆闪、荧光灯微亮等现象。因此大多数物联网系统必须采用超低功耗设计。
作为无线物联网的核心模块，其超低功耗电路和控制软件的设计是整个系统的关键技术。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种物联网模块，可在单火线供电、电池供电的无线物联网场景如遥控器、门磁、RFID读写器等应用中作为核心控制模块，满足其超低功耗的要求。
一种低功耗物联网模块，具有内置RF前端的CPU主芯片，包括天线、匹配网络、高通滤波器HPF、低通滤波器LPF、平衡网络C13、L1、C3、接收端口RFI和发送端口RFO；
其中，接收端口，通过平衡网络C13、L1、C3耦合到低通滤波器LPF；
发射端口，通过耦合电容C14连接到低通滤波器LPF；
低通滤波器LPF、高通滤波器HPF、匹配网络和天线顺序串联连接；
接收数据通过天线、匹配网络接收，并依次通过高通滤波器HPF，低通滤波器LPF，平衡网络C13、L1、C3，发送到接收端口；
发射数据通过发射端口、耦合电容C14耦合，并依次通过低通滤波器LPF，高通滤波器HPF，匹配网络，发送到天线进行发射。
所述物联网模块可采用一种低功耗控制方法，物联网模块的CPU设置为睡眠状态，并设置为RF前端触发唤醒的工作方式；设置RF前端按10～15∶1方式执行休眠与工作，即RF前端用不到10％的时间用于扫描RF前端是否接收到数据，如果没有接收到有效数据则进入睡眠模式，减少工作电流；当收到有效数据时，自动唤醒CPU处理，待处理完后自动进入睡眠模式。
优选的，物联网模块提高通信速率以缩短通信时间；每帧使用时间不到5mS。
优选的，当所述物联网模块仅使用单向发射模式时，CPU和RF前端均进入深度睡眠，由IO口电平触发唤醒，期间耗电量＜2μA。
一种低功耗控制模块，包括：
第一设置单元，用于设置CPU为睡眠状态，并设置为RF前端触发唤醒的工作方式；
第二设置单元，用于设置RF前端按10～15∶1方式执行休眠与工作，即RF前端用不到10％的时间用于扫描RF前端是否接收到数据；
判断单元，用于判断是否接收到有效数据；
模式切换单元，如果没有接收到有效数据则进入睡眠模式，减少工作电流；当收到有效数据时，自动唤醒CPU处理，待处理完后自动进入睡眠模式。
通过本发明中的物联网模块，可作为单火线开关、智能家居中采用电池供电的门磁、门铃、RF遥控器、RFID卡、无线智能系统的主控模块，满足了单火线供电、电池供电的工作场景中所需的超低功耗要求。同时，通过本发明中的控制方法，CPU设置成WOR(wake onradio)模式，CPU一直处于休眠状态，只有RF前端接收到有效数据才唤醒，降低了CPU的功耗，并且RF前端设置成休眠工作状态，其中休眠工作时间比为10～15∶1，同时也降低了RF前端的功耗，解决了系统功耗大，电池续航能力差，导致无线网络寿命缩短的技术问题。
附图说明
图1为物联网模块功能引脚设计图；
图2为物联网模块的RF前端外围电路图；
图3为物联网模块超低功耗控制流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细说明。
本发明的物联网模块采用MFSK890芯片进行电路设计。如图1所示为物联网模块功能引脚。
如图2所示为物联网模块的RF前端外围电路图，包括天线ANT、匹配网络、高通滤波器HPF、低通滤波器LPF、平衡网络C13、L1、C3、接收端口RFI和发送端口RFO；接收端口和发射端口耦合至MFSK890模块的输入和输出引脚。
并且，接收端口RFI，通过平衡网络C13、L1、C3连接低通滤波器LPF；
发射端口RFO，通过耦合电容C14连接低通滤波器LPF；
低通滤波器LPF、高通滤波器HPF、匹配网络和天线顺序串联连接；
接收数据通过天线、匹配网络接收，并依次通过高通滤波器HPF，低通滤波器LPF，平衡网络C13、L1、C3，发送到接收端口；
发射数据通过发射端口、耦合电容C14接收，并依次通过低通滤波器LPF，高通滤波器HPF，匹配网络，发送到天线进行发射。
该物联网模块的工作参数为：
频段：433.3mHZ、433.5mHZ
输出功率：+17dBM(可调)
接收灵敏度：-120dbm(2k速率)
使用速率：100kbps
空旷距离：＞300m
工作温度：-20℃～+85℃
电源电压：DC+2.0V～+3.6V(典型值+3.3V)
待机电流：A：接收端＜1mA(若使用于开关类产品)
B：深度睡眠＜2μA(若使用于遥控器，门磁、RFID卡等)
瞬间最大工作电流：80mA(发射)
18mA(接收)。
如图3所示为所述物联网模块执行超低功耗控制的方法步骤，首先，初始化模块的时钟系统，将芯片的IO引脚设置为高阻态；初始化RF前端工作参数，校准RF频率；设置模块波特率和工作频率；提高模块通信速率以缩短通信时间，确保每帧使用时间不到5mS；CPU设置为深度睡眠，并设置为RF前端触发唤醒的工作方式；RF前端按10～15∶1方式执行休眠与工作，即RF前端用10％的时间用于扫描RF前端是否接收到数据，如果没有接收到有效数据则进入休眠方式，从而减少工作电流；当RF前端收到有效数据时，自动唤醒CPU处理，待处理完后自动进入睡眠模式，以减少CPU损耗。
当仅物联网模块用于单向发射模式时，如用于遥控器、门磁、RFID卡等时，只有按键发生时才触发工作。此时CPU处于深度睡眠，RF前端亦处于深度睡眠，CPU设置为IO口电平触发唤醒，CPU执行工作处理，并唤醒RF前端发射，期间耗电量＜2μA。
当物联网模块仅用于单向接收模式时，如用于电子遥控开关类产品、灯具内置控制器时，CPU处于深度睡眠，RF前端处于10～15∶1工作方式，接收有效数据后再触发唤醒CPU进行处理，期间耗电量＜1mA。
该超低功耗控制的方法可以采用计算机软件的方式进行实施，还可以采用其他本领域普通技术人员所熟知的SOC硬件、DSP等方式来实现。
虽然通过实施例描述了本发明，本领域普通技术人员知道，本发明有许多变形和变化而不脱离本发明的精神，希望所附的权利要求包括这些变形和变化而不脱离本发明的精神。

Claims (5)

1.一种低功耗物联网模块，其特征在于：具有内置RF前端的CPU主芯片，包括天线、匹配网络、高通滤波器HPF、低通滤波器LPF、平衡网络(C13、L1、C3)、接收端口(RFI)和发送端口(RFO)；
其中，接收端口，通过平衡网络(C13、L1、C3)连接低通滤波器LPF；
发射端口，通过耦合电容(C14)连接低通滤波器LPF；
低通滤波器LPF、高通滤波器HPF、匹配网络和天线顺序串联连接；
接收数据通过天线、匹配网络接收，并依次通过高通滤波器HPF，低通滤波器LPF，平衡网络(C13、L1、C3)，发送到接收端口；
发射数据通过发射端口、耦合电容(C14)匹配，并依次通过低通滤波器LPF，高通滤波器HPF，匹配网络，发送到天线进行发射。
2.根据权利要求1所述的模块，接收端口和发射端口耦合至MFSK890芯片的输入和输出引脚。
3.根据权利要求1所述的模块，其中，所述模块的工作频段为433.3mHZ、433.5mHZ，接收灵敏度为-120dbm，使用速率为100kbps，工作温度为-20℃～+85℃，电源电压为DC+2.0V～+3.6V，瞬间最大发射工作电流为80mA，瞬间最大接收工作电流为18mA；所述模块的输出功率可调；所述模块使用的空旷距离大于300m。
4.根据权利要求1-3任一所述的模块，其中，所述模块采用低功耗的控制方式：CPU设置为睡眠模式，并设置为RF前端触发唤醒的工作方式；设置RF前端按10:1方式执行休眠与工作，即RF前端用10％的时间用于扫描RF前端是否接收到数据，如果没有接收到有效数据则RF进入休眠模式；当收到有效数据时，自动唤醒CPU处理，待处理完后CPU自动进入睡眠模式。
5.一种权利要求1所述的低功耗物联网模块的控制方法，其特征在于：
接收数据通过天线、匹配网络接收，并依次通过高通滤波器HPF，低通滤波器LPF，平衡网络(C13、L1、C3)，发送到接收端口；
发射数据通过发射端口、耦合电容(C14)接收，并依次通过低通滤波器LPF，高通滤波器HPF，匹配网络，发送到天线进行发射。
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