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根据Gartner的调查报告显示,到2022年一个典型家庭中的智能设备数量可能超过500个(Gartner新闻,201598日)为了使家庭自动化产品变得越来越智能,包括无线收发器和创新传感器在内的低成本物联网技术被引入。然而,要成功设计这些家居互连产品,设计人员需要应对诸多挑战,包括构建外形小巧的产品,形成最低成本的材料清单(BOM),以及可以可靠地运行数年而不用更换电池。那么,如何才能成功克服这些挑战呢?

 

在上述挑战中,电池问题在大多数设备中都会遇到。针对此,Silicon Labs系统工程师Jason Rock最近撰写了一篇题为“电池供电型无线IoT传感器产品设计中的五项基本考虑因素”的文章,来与开发人员共同探讨电池方面的挑战。Jason从如下五个方面进行了深入的分析:1)差异化的市场会带来差异化的需求;2)如何在Wi-FiZigBeeBluetooth Smart等多种无线协议之间进行选择;3)考虑工作模式和休眠模式中的发送强度、持续时间和占空比等因素;4)传感器的设计及其中对电池的考量;5)根据空间限制和能量储存来考量电池的选择。当考虑了以上这些设计因素后,产品设计人员可以有效地在低成本电池上实现可靠运行的小尺寸产品。还犹豫什么,快观看精彩文章,开启您的低能耗运行之路吧。

 

电池供电型无线IoT传感器产品设计中五项基本考虑因素

作者:SiliconLabs系统工程师 Jason Rock

 

物联网(IoT)就在我们身边。Gartner最近的调查报告显示到2022年一个典型家庭中的智能设备数量可能超过500个(Gartner新闻,2015年9月8日)。通过引进包括无线收发器和创新传感器在内的低成本物联网技术,我们希望家庭自动化产品将变得越来越智能。但这些功能特性消耗能量,并且这些设备中大多数通过电池供电。

 

这将带来引人关注的挑战。为了成功设计家居互连的产品,设计人员通常必须构建外形小巧的产品,它们具有最低成本的材料清单(BOM)并且可以可靠地运行数年而不用更换电池。

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在你开始设计之前,重要的是要了解目标市场,因为每种市场都会导致对于成本、可靠性和电池寿命的差异化需求。以下是两个极端的例子,它们表明市场需求如何迫使设计人员做出取舍。

 

基于订购的服务提供商

基于订购的服务提供商(例如,有线或卫星互联网服务)更关注长期、可靠操作的重要性,而非获得最低的BOM成本或者实现最小的外形尺寸。

 

这些公司会在产品成本与现场维修成本之间进行权衡,根据故障原因不同,每次现场技术支持的成本大约在200至2000美元之间。当然,如果问题仅仅是电池耗尽,成本权衡的结果显然是应该提供更大的电池或采用更低功耗设计。

 

自己动手实现的家庭自动化

虽然这个细分市场看重可靠性,但是这些消费者往往基于成本、尺寸和外观选择产品。这个市场中通常选择小尺寸电池以适应美观的外壳。此外,为获得低售价,产品成本必须低。如果DIY的人获得产品后,产品却失效了,那么消费者更换失效产品的成本要比专业服务提供商市场中需要的更换成本低得多才可以;因此,产品设计人员愿意在这些方面做出某种取舍。

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当一个产品需要无线连接时,选择何种协议将成为影响电池寿命的主要因素。有几种无线选择可以考虑,其中一些可能是特定目标市场优先选择的,甚至是必需的。

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Wi-Fi是消费无线产品中常用的协议。Wi-Fi能够在高吞吐率下获得大数据流,但相对于其他无线协议来说更加费电。Wi-Fi产品通常采用家用交流电或者需要频繁充电,因为他们没有针对那些采用极低吞吐率、电池供电的产品进行优化。

 

例如,大多数家庭自动化传感器(例如磁力门窗传感器和被动红外(PIR)运动探测器)长期处于静止状态,它们不能从Wi-Fi所提供的大数据流中获得益处。这些传感器可以利用适合电池供电的无线标准,例如Bluetooth®Smart(也称为“BLE”)或者ZigBee®。Bluetooth Smart针对直接点对点通信应用,而ZigBee针对多节点网状网络应用。

 

作为点对点技术,Bluetooth®Smart或者“BLE”可能更适用于查询家中的智能设备,例如门锁等。而对于网状网络而言,ZigBee可能更适用于多样性智能设备,例如恒温器、门感应器、甚至窗帘等,它们被配置成自动通信模式并且极少需要用户参与配置。网状网络也具有内建的容错机制,可以消除单点故障,这使得它比点对点技术更可靠。

 

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表1:无线协议对比

 

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一旦选择某种无线技术,设计人员需要考虑的下一个因素是确定工作模式和休眠模式中的发送强度、持续时间和占空比需求。

 

大多数现代无线收发器都提供了休眠模式,从而在不使用时可以节省电量。设备处于休眠模式的时间越长,它消耗的电量就越少,就越能够延长电池寿命。然而,当评估设备的无线功耗负载时,无线收发器电气规格中休眠状态的功耗数据不应当作为唯一输入参数。无线收发器的唤醒时间、发送之前的预处理算法以及重新返回休眠状态所需要的时间也都影响功耗,在计算整体无线功耗预算时也应当把它们包括在内。

 

无线传输的频率或占空比将直接影响产品的电池寿命。占空比在某种程度上由无线标准需求、软件算法和如何正常使用设备来决定的。例如,门传感器中的开/关事件将引起无线数据传输;然而,这种传感器也可能发送或者接收周期性的轮询事件,以便实现网状网络中节点状态的更新。图1提供了对于该过程的概述。

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图1:一个轮询事件中无线收发器的动态电流消耗

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一般情况下,每个应用都需要特定类型的传感器;一氧化碳检测器需要一氧化碳传感器,烟雾探测器需要电离或光电传感器,运动检测器需要PIR传感器,等等。一旦选择好传感器的类型,如何设计以及选择什么样的MCU便会影响最终可以节省多少能量、节约多少成本。下面的参考设计提供了一些思路。

 

Silicon Labs的RD-0030-0201ZigBee接触式传感器参考设计监视门或窗入口。主要的传感器是以簧片开关来检测附近磁体的存在,并确定入口是否打开或者关闭。一旦磁场达到某一阈值时,传感器假定入口状态已经改变,并且开启无线通知循环。

 

当提到入口事件的数量时,虽然它影响电池寿命,但是当测量覆盖多个入口事件时,数量本身并非很大的影响因素,如图2所示。

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图2:接触式传感器电池寿命

 

然而,如果簧片开关被长时间保持在某一个特定状态(打开或关闭),并且该状态在电池电源与地之间构成极低的阻抗电路,那么它能够影响电池寿命。为了避免这种情况,SiliconLabs开发的参考设计在簧片开关处于打开或者关闭时,电池电源与地之间具有千欧级的阻抗,因此簧片开关的状态在电池选择时可以忽略不计。换句话说,门传感器可以保持打开或关闭状态多日,却对电池寿命影响极小。

 

MCU选择也会造成传感器节点功耗的差异。RD-0039-0201ZigBee电容式感应调光开关参考设计是用于控制基于ZigBee的LED照明节点。这个设计是电池供电的,使用ZigBee,可以放置在任何平坦的表面上,实现完全无线的灯控。它采用电容式传感器检测使用者的物理接触,从而响应特定的光控命令。

参考设计采用小型、低容量的CR2032电池。为了节约能量,设计采用了Silicon Labs低成本、高能效的8位EFM8SB1 MCU去实现触摸感应能力。该电路设计运行在1μA以下,可以为光控命令(例如开、关或者亮度控制)检测多个触摸点和手势。

 

而且,这些电容事件采用相对缓慢、毫秒占空比率进行监视,因为相对于大多数MCU能力而言,人们已经习惯于相对缓慢的人机界面响应。这样可以节省电池电量又不牺牲可用性。

 

当你的产品设计考虑电池的目标使用寿命时,所有这些因素都应该加以考虑。

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当考虑好影响电池寿命的目标市场和电子元器件之后,接下来要考虑不同的电池选项。一般情况下,更小尺寸的电池比更大尺寸的电池拥有更少的存储能力,通常用毫安时(mAh)描述。此外,电池的化学成分也影响其成本及其存储能力。

 

碱性电池,例如1.5伏的AA和AAA,是非常低成本且具有高存储能力的;但是,它们尺寸大、容易产生高漏损,通常仅限于手持设备,例如电视机遥控器等。此外,两个碱性电池通常被用于实现最小3V的供电,这是大多数消费产品所需要的。

 

锂电池,如CR2或CR123A有较小尺寸,重量也比碱性电池小,但具有较高的成本;因此,这些电池仅仅用于需要小尺寸和低漏损的设计,例如安全传感器。

 

至于更小的纽扣电池,例如CR2032,当考虑容量尺寸比时它是高效的,而且对比碱性电池,它有表现更好的低漏损率。然而,考虑到它们的容量仅不到两节AAA电池容量的四分之一,这些纽扣电池主要用在为极低功耗而优化的设计中。表2提供了这些电池之间差异性的概述。

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当考虑好影响电池寿命的目标市场和电子元器件之后,接下来要考虑不同的电池选项。一般情况下,更小尺寸的电池比更大尺寸的电池拥有更少的存储能力,通常用毫安时(mAh)描述。此外,电池的化学成分也影响其成本及其存储能力。

 

碱性电池,例如1.5伏的AA和AAA,是非常低成本且具有高存储能力的;但是,它们尺寸大、容易产生高漏损,通常仅限于手持设备,例如电视机遥控器等。此外,两个碱性电池通常被用于实现最小3V的供电,这是大多数消费产品所需要的。

 

锂电池,如CR2或CR123A有较小尺寸,重量也比碱性电池小,但具有较高的成本;因此,这些电池仅仅用于需要小尺寸和低漏损的设计,例如安全传感器。

 

至于更小的纽扣电池,例如CR2032,当考虑容量尺寸比时它是高效的,而且对比碱性电池,它有表现更好的低漏损率。然而,考虑到它们的容量仅不到两节AAA电池容量的四分之一,这些纽扣电池主要用在为极低功耗而优化的设计中。表2提供了这些电池之间差异性的概述。

当以上这些设计考虑因素被采用后,最大好处是低成本IoT传感器有能力为给定的目标市场提供更长的电池寿命。

 

例如,RD-0030-0201ZigBee接触式传感器参考设计在单个CR2032供电条件下可运行长达五年。而RD-0039-0201ZigBee电容式感应调光开关参考设计比一般的电池供电的消费类遥控器还有更长的使用寿命。

 

获得长电池寿命的部分贡献也要归功于低休眠电流的EM3587ZigBee Pro收发器,以及高效的唤醒和发送数据的能力。该特殊设计配置大约每分钟提供一次状态更新,这也最小化了电池使用量。

 

从参考设计开启能耗节省之路

通过仔细评估本文中介绍的设计考虑因素,产品设计人员可以有效的在低成本电池上实现可靠运行的小尺寸产品。

 

Silicon Labs提供的一系列IoT参考设计降低了设计的复杂性,并且为特定应用优化了电池使用寿命,例如门/窗传感器(RD-0030-0201)和电容检测调光器开关(RD-0039-0201)。欲了解更多信息或评估这些参考设计,请浏览网站:silabs.com/iot

 

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