Сенсор гаснет, но возвращается в свой слот без поиска сети

На стенде узел сначала теряет питание основного домена: останавливаются MCU и основной радиотракт, исчезает оперативное состояние. Затем RF-источник снова заряжает буфер, плата просыпается и занимает положенный ей момент передачи. Она не начинает заново слушать эфир в надежде найти сеть. Именно этот короткий эпизод авторы MagPie превращают в основу протокола для battery-free сенсоров.

Обычное расписание TDMA предполагает, что у каждого участника непрерывно идут часы и сохранена история предыдущих обменов. У харвестера это предположение ломается физикой накопителя: напряжение на буфере пересекает порог brownout, вычислительный домен обесточивается, а следующий энергетический импульс приходит в случайный момент. Если после каждого такого провала искать sink и заново договариваться о слоте, энергия уходит на повторное присоединение вместо измерений и полезных пакетов.

MagPie разделяет узел на два энергетических домена. Основной домен с STM32WL33CC1 и радио может отключаться полностью. Отдельно питаемый LP-RTC AM1805 продолжает хранить фазу эпохи и версию расписания; при новом подъёме напряжения узел сверяет время, проходит энергетические пороги и возвращается в назначенный слот. Wake-up receiver нужен для первого контакта и расширяет окно, в котором сенсор может услышать сеть. В протокол также заложены идемпотентное выделение слотов и versioned schedules: повтор сообщения после brownout не должен создать вторую запись о том же узле.

Здесь есть неприятная для сверхэкономичных схем деталь: память о времени оказывается отдельной нагрузкой, которую нельзя списать как «несколько десятков наноампер». Авторы приводят расчёт для 10 мФ и полезного перепада 1.5 В. При 55 нА резервный домен теоретически держится 75.8 часа. Суммарная утечка 1 мкА сокращает срок до 4.0 часов, а 5 мкА — до 0.82 часа. Утечка суперконденсатора, изоляции, делителей и самой платы здесь определяет, сохранит ли узел контекст до следующего прихода энергии.

В шестиплатной демонстрации пять reporting boards и sink работали 11.05 часа. Сеть сформировалась за 945 с, затем sink принял 2998 пакетов, средняя задержка от источника до sink составила 13.2 с. Это доказывает жизнеспособность цикла «погас — восстановился — вернулся в слот», однако не даёт packet delivery ratio: авторы не записали число запланированных возможностей передачи. Полный энергетический баланс тоже не измерен шунтами: в нём отсутствуют отдельные данные о преобразователе, пороговой обвязке, ложных пробуждениях, NVM-коммитах и резервном домене.

Симуляции сильнее показывают логику протокола, чем свойства реального эфира. MagPie завершил 100 из 100 first-rendezvous попыток в пяти сценариях, тогда как Find в двух наиболее тяжёлых сценариях дошёл до 93 и 36 из 100. Модель масштабирования до 120 узлов остаётся одной collision domain со slotted Aloha и исключает fading, hidden terminals, capture и энергетическую готовность передатчика. Авторы также тестировали контролируемое RF-питание Powercast на 915 МГц. Поэтому результат нельзя читать как доказательство автономной работы от слабого ambient harvesting.

Самая ценная мысль MagPie относится к границе между схемой питания и протоколом. Brownout здесь перестаёт быть аварией, которую firmware должен пережить случайно. Он становится штатным переходом состояния сети. Для таких устройств резервный таймер, его утечки, пороги включения и правила повторной передачи входят в MAC ровно так же глубоко, как формат пакета и длительность слота.

Источники и документы
arXiv:2608.25292, «Rethinking Battery-free Sensing Communication via Wake-up Radios»: arXiv:2608.25292
Полный текст препринта: arXiv:2608.25292
STM32WL33, документация STMicroelectronics: https://www.st.com/en/microcontrollers-microprocessors/stm32wl33kb.html
Datasheet STM32WL33xx: https://www.st.com/resource/en/datasheet/stm32wl33cb.pdf