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电池供电无线IoT装置设计，看这篇就够了
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物联网(IoT)就在我们身边。根据Gartner在2015年9月的调查报告显示，到2022年时一个典型家庭中的智慧型装置数量可能超过500个。 透过引进包括无线收发器和创新感测器等低成本的物联网技术，我们希望家庭自动化产品变得越来越智慧。但这些功能特性会消耗能量，而且这些装置大多数都透过电池供电。 这将带来值得关注的挑战。为了成功地设计连网家庭产品，设计人员通常必须建构外形小巧的产品，它们不仅必须具备最低成本的材料清单(BOM)，而且还必须能够可靠地运行数年而不需更换电池。 差异化市场需求不尽相同 在你开始进行设计之前，重要的是要了解目标市场，因为每一种市场都会导致对于成本、可靠性和电池寿命的不同需求。以下是两个极端的例子，它们说明市场需求如何迫使设计人员做出取舍。 订购型服务供应商 订购型的服务供应商(例如有线或卫星网际网路服务)更关注长期、可靠作业的重要性，而非获得最低的BOM成本或者实现最小的外形尺寸。 这些公司会在产品的成本与现场维修成本之间进行权衡，根据故障原因不同，每次现场技术支援的成本大约在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的设计。 家庭自动化DIY 虽然这个区隔市场看重可靠性，但消费者往往基于成本、尺寸和外观选择产品。这个市场通常选择小尺寸电池以适应美观的外壳设计。此外，为了获得低售价，产品成本也必须较低。如果购买了DIY产品后却发现故障了，那么更换故障消费产品的成本必须比专业服务供应商市场中需要的更换成本低得多才可行；因此，产品设计人员必须在这些方面做出某种取舍。 电池效率和无线——并非总是显而易见的选择 当一个产品需要无线连结时，选择何种协定将成为影响电池寿命的主要因素。目前有几种无线选择可以考量，其中一些可能是特定目标市场较优先或甚至是必要的选择(表1）。 无线通讯消耗大量能量：发送和接收的无线资料串流每小时消耗数毫安培(milliamps)能量，这远远超出两个低成本AAA电池所提供的能量。 Wi-Fi是消费无线产品中常用的协定。Wi-Fi能够在高资料传输率时获得较大的资料串流，但相对于其他无线协定来说却更加耗电。Wi-Fi产品通常采用电源插座或者需要频繁充电，因为他们并未针对那些采用极低资料传输率的电池供电型产品进行最佳化。 例如，大多数的家庭自动化感测器——例如磁力门窗感测器和被动红外线(PIR)动作探测器——长期处于静止状态，它们无法从Wi-Fi所提供的大量资料串流中获得好处。这些感测器可以利用电池适用的无线标准，例如Bluetooth Smart(也称为BLE)或者ZigBee。Bluetooth Smart针对直接点对点通讯应用，而ZigBee则针对多节点网状网路应用。 作为点对点技术，Bluetooth Smart(或BLE)可能更适用于查询家中的智慧型装置，例如门锁等。而对于网状网路而言，ZigBee可能更适用于多种智慧装置，例如恒温器、大门感测器以及甚至是窗帘等，都能被配置成自动通讯模式，而且极少需要使用者的介入。网状网路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。 
表1：无线协定特性比较 工作周期——装置多久通讯一次？ 一旦选择了某种无线技术，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、持续时间和工作周期(Duty Cycle)等需求。 大多数的现代无线收发器都提供了休眠模式，因而在不使用时可以节省能量。装置处于休眠模式的时间越长，所消耗的电量就越少，就越能够延长电池寿命。然而，当评估装置的无线功耗预算时，不应仅将无线收发器电气规格中休眠状态的功耗资料当作唯一输入参数。无线收发器的唤醒时间、发送之前的预处理演算法以及重新返回休眠状态所需要的时间也会影响功耗，必须在计算整体无线功耗预算时将它包括在内。 无线传输的频率或工作周期将直接影响产品的电池寿命。工作周期在某种程度上由无线标准需求、软体演算法以及如何正常使用装置来决定。例如，大门感测器中的开/关事件将引起无线资料传输；然而，这种感测器也可能发送或者接收周期性的无线轮询事件，以便更新网状网路中的节点状态。图1提供对于该过程的概述。 
图1：无线收发器在一次轮询事件中的动态电流消耗 切合实际的感测器设计 一般情况下，每一种应用都需要特定类型的感测器；一氧化碳(CO)检测器需要CO感测器、烟雾探测器需要电离(ionization)或光电感测器、动作检测器需要焦电型红外线感测器(PIR)等等。一旦选择好感测器的类型，如何进行设计以及选择什么样的MCU均会影响最终可以节省的能量与成本多寡。 例如，芯科实验室(Silicon Labs)的RD-0030-0201 ZigBee接触式感测器参考设计可用于监测大门或窗户等入口。主要的感测器是以簧片开关来检测附近磁体的存在，并确定入口是否开启或者关闭。一旦磁场达到某一阈值时，感测器假定入口状态已经改变，因而启动无线通知循环。 入口进出事件的次数虽然影响电池寿命，但是当测量涵盖多个入口事件时，这些次数本身并非很大的影响因素，如图2所示。 
图2：接触式感测器电池寿命 然而，如果簧片开关被长时间保持在某一个特定状态(开启或关闭)，而且在电池供应之间构成极低的阻抗电路，那么它可能影响电池寿命。为了避免这种情况，Silicon Labs开发的参考设计在簧片开关处于开启或者关闭时，电池供应之间具有千欧姆级(kilo-ohms)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，大门感测器可以保持开启或关闭状态多日，但对电池寿命影响极小。 MCU的选择也会造成感测器节点功耗的差异。RD-0039-0201 ZigBee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使其得以放置在任何平坦的表面上，实现完全无线的灯控。它还采用了电容式感测器以检测使用者的实体接触，进而回应特定的光控命令。 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位元EFM8SB1 MCU来实现触控感应能力。该电路设计运行在1uA以下，可以为光控命令(例如开、关或者亮度控制)检测多个触控点和手势。 而且，这些电容事件采用相对缓慢、毫秒级的工作周期率进行监视，因为相对于大多数MCU的能力而言，人们已经习惯于相对缓慢的人机介面回应。这样可以节省电池电量又不牺牲可用性。 当你为产品设计考虑所需达到的电池使用寿命时，所有的这些因素都应该加以考虑。 调整MCU轮询频率节省能量却不对使用者产生影响：MCU电容事件采用相对缓慢、毫秒工作周期率进行监视，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介面回应。这样可以节省电池电量又不牺牲可用性。 设计中的空间限制和储存能量 一旦将影响电池寿命的目标市场和电子元件纳入考虑之后，接下来要讨论不同的电池选项。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储存能力，通常以每小时毫安培(mAh)计。此外，电池的化学成份也影响其成本以及其储存效益。 例如1.5V的AA和AAA硷性电池，具有非常低成本以及高储存性能的优点；但是，它们的尺寸大、容易产生高漏电损耗，通常仅限于手持装置使用，例如电视机遥控器等。此外，大多数的消费产品中通常需要两个硷性电池以实现最小3V的供电。 而像CR2或CR123A等锂电池的尺寸较小，重量也比硷性电池轻，但具有较高的成本；因此，这些电池仅用于需要小尺寸和低漏电损耗的设计，例如安全感测器。 至于更小的钮扣型电池，例如CR2032，在容量尺寸方面较高效，而且比硷性电池表现出更好的低漏损率。然而，考量其容量不到两节AAA电池容量的四分之一，这些钮扣电池主要用于极低功耗而最佳化的设计中。表2提供了这些电池之间差异性比较。 
表2：各类电池比较 结论 在纳入以上这些设计考虑因素后，最大的好处就是低成本IoT感测器有能力为既定目标市场提供更长的电池寿命。此外，在仔细评估文中介绍的设计考虑因素后，也有助于产品设计人员有效的在低成本电池上实现可靠运行的小尺寸产品。 例如，Silicon Labs提供的一系列IoT参考设计降低了设计的复杂性，并且为特定应用最佳化电池使用寿命，例如门/窗感测器(RD-0030-0201)和电容检测调光器开关(RD-0039-0201)。RD-0030-0201 ZigBee接触式感测器参考设计可在单个CR2032供电条件下可运行长达五年，而RD-0039-0201 ZigBee电容式感应调光开关参考设计比一般电池供电的消费类遥控器具有更长的使用寿命。 获得较长电池寿命的一部份贡献可归功于低休眠电流的EM3587 ZigBee Pro收发器，以及高效率唤醒和发送资料的能力。该特殊设计配置大约每分钟提供一次状态更新，而这也使得电池使用量得以降至最低。 从参考设计开启能耗节省之路 透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。 例如，Silicon Labs提供一系列IoT参考设计，不仅降低了设计的复杂性，并且为特定应用最佳化电池使用寿命，例如门/窗感测器(RD-0030-0201)和电容检测调光器开关(RD-0039-0201)。
表1：无线协定特性比较 工作周期——装置多久通讯一次？ 一旦选择了某种无线技术，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、持续时间和工作周期(Duty Cycle)等需求。 大多数的现代无线收发器都提供了休眠模式，因而在不使用时可以节省能量。装置处于休眠模式的时间越长，所消耗的电量就越少，就越能够延长电池寿命。然而，当评估装置的无线功耗预算时，不应仅将无线收发器电气规格中休眠状态的功耗资料当作唯一输入参数。无线收发器的唤醒时间、发送之前的预处理演算法以及重新返回休眠状态所需要的时间也会影响功耗，必须在计算整体无线功耗预算时将它包括在内。 无线传输的频率或工作周期将直接影响产品的电池寿命。工作周期在某种程度上由无线标准需求、软体演算法以及如何正常使用装置来决定。例如，大门感测器中的开/关事件将引起无线资料传输；然而，这种感测器也可能发送或者接收周期性的无线轮询事件，以便更新网状网路中的节点状态。图1提供对于该过程的概述。 图1：无线收发器在一次轮询事件中的动态电流消耗 切合实际的感测器设计 一般情况下，每一种应用都需要特定类型的感测器；一氧化碳(CO)检测器需要CO感测器、烟雾探测器需要电离(ionization)或光电感测器、动作检测器需要焦电型红外线感测器(PIR)等等。一旦选择好感测器的类型，如何进行设计以及选择什么样的MCU均会影响最终可以节省的能量与成本多寡。 例如，芯科实验室(Silicon Labs)的RD-0030-0201 ZigBee接触式感测器参考设计可用于监测大门或窗户等入口。主要的感测器是以簧片开关来检测附近磁体的存在，并确定入口是否开启或者关闭。一旦磁场达到某一阈值时，感测器假定入口状态已经改变，因而启动无线通知循环。 入口进出事件的次数虽然影响电池寿命，但是当测量涵盖多个入口事件时，这些次数本身并非很大的影响因素，如图2所示。 图2：接触式感测器电池寿命 然而，如果簧片开关被长时间保持在某一个特定状态(开启或关闭)，而且在电池供应之间构成极低的阻抗电路，那么它可能影响电池寿命。为了避免这种情况，Silicon Labs开发的参考设计在簧片开关处于开启或者关闭时，电池供应之间具有千欧姆级(kilo-ohms)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，大门感测器可以保持开启或关闭状态多日，但对电池寿命影响极小。 MCU的选择也会造成感测器节点功耗的差异。RD-0039-0201 ZigBee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使其得以放置在任何平坦的表面上，实现完全无线的灯控。它还采用了电容式感测器以检测使用者的实体接触，进而回应特定的光控命令。 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位元EFM8SB1 MCU来实现触控感应能力。该电路设计运行在1uA以下，可以为光控命令(例如开、关或者亮度控制)检测多个触控点和手势。 而且，这些电容事件采用相对缓慢、毫秒级的工作周期率进行监视，因为相对于大多数MCU的能力而言，人们已经习惯于相对缓慢的人机介面回应。这样可以节省电池电量又不牺牲可用性。 当你为产品设计考虑所需达到的电池使用寿命时，所有的这些因素都应该加以考虑。 调整MCU轮询频率节省能量却不对使用者产生影响：MCU电容事件采用相对缓慢、毫秒工作周期率进行监视，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介面回应。这样可以节省电池电量又不牺牲可用性。 设计中的空间限制和储存能量 一旦将影响电池寿命的目标市场和电子元件纳入考虑之后，接下来要讨论不同的电池选项。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储存能力，通常以每小时毫安培(mAh)计。此外，电池的化学成份也影响其成本以及其储存效益。 例如1.5V的AA和AAA硷性电池，具有非常低成本以及高储存性能的优点；但是，它们的尺寸大、容易产生高漏电损耗，通常仅限于手持装置使用，例如电视机遥控器等。此外，大多数的消费产品中通常需要两个硷性电池以实现最小3V的供电。 而像CR2或CR123A等锂电池的尺寸较小，重量也比硷性电池轻，但具有较高的成本；因此，这些电池仅用于需要小尺寸和低漏电损耗的设计，例如安全感测器。 至于更小的钮扣型电池，例如CR2032，在容量尺寸方面较高效，而且比硷性电池表现出更好的低漏损率。然而，考量其容量不到两节AAA电池容量的四分之一，这些钮扣电池主要用于极低功耗而最佳化的设计中。表2提供了这些电池之间差异性比较。 表2：各类电池比较 结论 在纳入以上这些设计考虑因素后，最大的好处就是低成本IoT感测器有能力为既定目标市场提供更长的电池寿命。此外，在仔细评估文中介绍的设计考虑因素后，也有助于产品设计人员有效的在低成本电池上实现可靠运行的小尺寸产品。 例如，Silicon Labs提供的一系列IoT参考设计降低了设计的复杂性，并且为特定应用最佳化电池使用寿命，例如门/窗感测器(RD-0030-0201)和电容检测调光器开关(RD-0039-0201)。RD-0030-0201 ZigBee接触式感测器参考设计可在单个CR2032供电条件下可运行长达五年，而RD-0039-0201 ZigBee电容式感应调光开关参考设计比一般电池供电的消费类遥控器具有更长的使用寿命。 获得较长电池寿命的一部份贡献可归功于低休眠电流的EM3587 ZigBee Pro收发器，以及高效率唤醒和发送资料的能力。该特殊设计配置大约每分钟提供一次状态更新，而这也使得电池使用量得以降至最低。 从参考设计开启能耗节省之路 透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。 例如，Silicon Labs提供一系列IoT参考设计，不仅降低了设计的复杂性，并且为特定应用最佳化电池使用寿命，例如门/窗感测器(RD-0030-0201)和电容检测调光器开关(RD-0039-0201)。