透過引進包括無線收發器和創新感測器等低成本的物聯網技術,我們希望家庭自動化產品變得越來越智慧。但這些功能特性會消耗能量,而且這些裝置大多數都透過電池供電。

這將帶來值得關注的挑戰。為了成功地設計連網家庭產品,設計人員通常必須建構外形小巧的產品,它們不僅必須具備最低成本的材料清單(BOM),而且還必須能夠可靠地運行數年而不需更換電池。

差異化市場需求不盡相同

在你開始進行設計之前,重要的是要了解目標市場,因為每一種市場都會導致對於成本、可靠性和電池壽命的不同需求。以下是兩個極端的例子,它們說明市場需求如何迫使設計人員做出取捨。

訂購型服務供應商

訂購型的服務供應商(例如有線或衛星網際網路服務)更關注長期、可靠作業的重要性,而非獲得最低的BOM成本或者實現最小的外形尺寸。

這些公司會在產品的成本與現場維修成本之間進行權衡,根據故障原因不同,每次現場技術支援的成本大約在200至2000美元之間。當然,如果問題僅僅是電池耗盡,成本權衡的結果顯然是應該提供更大的電池或採用更低功耗的設計。

家庭自動化DIY

雖然這個區隔市場看重可靠性,但消費者往往基於成本、尺寸和外觀選擇產品。這個市場通常選擇小尺寸電池以適應美觀的外殼設計。此外,為了獲得低售價,產品成本也必須較低。如果購買了DIY產品後卻發現故障了,那麼更換故障消費產品的成本必須比專業服務供應商市場中需要的更換成本低得多才可行;因此,產品設計人員必須在這些方面做出某種取捨。

電池效率和無線——並非總是顯而易見的選擇

當一個產品需要無線連結時,選擇何種協定將成為影響電池壽命的主要因素。目前有幾種無線選擇可以考量,其中一些可能是特定目標市場較優先或甚至是必要的選擇(表1)。

無線通訊消耗大量能量:發送和接收的無線資料串流每小時消耗數毫安培(milliamps)能量,這遠遠超出兩個低成本AAA電池所提供的能量。

Wi-Fi是消費無線產品中常用的協定。Wi-Fi能夠在高資料傳輸率時獲得較大的資料串流,但相對於其他無線協定來說卻更加耗電。Wi-Fi產品通常採用電源插座或者需要頻繁充電,因為他們並未針對那些採用極低資料傳輸率的電池供電型產品進行最佳化。

例如,大多數的家庭自動化感測器——例如磁力門窗感測器和被動紅外線(PIR)動作探測器——長期處於靜止狀態,它們無法從Wi-Fi所提供的大量資料串流中獲得好處。這些感測器可以利用電池適用的無線標準,例如Bluetooth Smart(也稱為BLE)或者ZigBee。Bluetooth Smart針對直接點對點通訊應用,而ZigBee則針對多節點網狀網路應用。

作為點對點技術,Bluetooth Smart(或BLE)可能更適用於查詢家中的智慧型裝置,例如門鎖等。而對於網狀網路而言,ZigBee可能更適用於多種智慧裝置,例如恆溫器、大門感測器以及甚至是窗簾等,都能被配置成自動通訊模式,而且極少需要使用者的介入。網狀網路也具有內建的容錯機制,可以消除單點故障,這使得它比點對點技術更可靠。

20160718 Silabs TA31T1 表1:無線協定特性比較

工作週期——裝置多久通訊一次?

一旦選擇了某種無線技術,設計人員需要考慮的下一個因素是確定工作模式和休眠模式中的發送強度、持續時間和工作週期(Duty Cycle)等需求。

大多數的現代無線收發器都提供了休眠模式,因而在不使用時可以節省能量。裝置處於休眠模式的時間越長,所消耗的電量就越少,就越能夠延長電池壽命。然而,當評估裝置的無線功耗預算時,不應僅將無線收發器電氣規格中休眠狀態的功耗資料當作唯一輸入參數。無線收發器的喚醒時間、發送之前的預處理演算法以及重新返回休眠狀態所需要的時間也會影響功耗,必須在計算整體無線功耗預算時將它包括在內。

無線傳輸的頻率或工作週期將直接影響產品的電池壽命。工作週期在某種程度上由無線標準需求、軟體演算法以及如何正常使用裝置來決定。例如,大門感測器中的開/關事件將引起無線資料傳輸;然而,這種感測器也可能發送或者接收週期性的無線輪詢事件,以便更新網狀網路中的節點狀態。圖1提供對於該過程的概述。

20160718 Silabs TA31P1 圖1:無線收發器在一次輪詢事件中的動態電流消耗

切合實際的感測器設計

一般情況下,每一種應用都需要特定類型的感測器;一氧化碳(CO)檢測器需要CO感測器、煙霧探測器需要電離(ionization)或光電感測器、動作檢測器需要焦電型紅外線感測器(PIR)等等。一旦選擇好感測器的類型,如何進行設計以及選擇什麼樣的MCU均會影響最終可以節省的能量與成本多寡。

例如,芯科實驗室(Silicon Labs)的RD-0030-0201 ZigBee接觸式感測器參考設計可用於監測大門或窗戶等入口。主要的感測器是以簧片開關來檢測附近磁體的存在,並確定入口是否開啟或者關閉。一旦磁場達到某一閾值時,感測器假定入口狀態已經改變,因而啟動無線通知循環。

入口進出事件的次數雖然影響電池壽命,但是當測量涵蓋多個入口事件時,這些次數本身並非很大的影響因素,如圖2所示。

20160718 Silabs TA31P2 圖2:接觸式感測器電池壽命

然而,如果簧片開關被長時間保持在某一個特定狀態(開啟或關閉),而且在電池供應之間構成極低的阻抗電路,那麼它可能影響電池壽命。為了避免這種情況,Silicon Labs開發的參考設計在簧片開關處於開啟或者關閉時,電池供應之間具有千歐姆級(kilo-ohms)的阻抗,因此簧片開關的狀態在電池選擇時可以忽略不計。換句話說,大門感測器可以保持開啟或關閉狀態多日,但對電池壽命影響極小。

MCU的選擇也會造成感測器節點功耗的差異。RD-0039-0201 ZigBee電容式感應調光開關參考設計是用於控制基於ZigBee的LED照明節點。這個設計是電池供電的,使用ZigBee使其得以放置在任何平坦的表面上,實現完全無線的燈控。它還採用了電容式感測器以檢測使用者的實體接觸,進而回應特定的光控命令。

參考設計採用小型、低容量的CR2032電池。為了節約能量,設計採用了Silicon Labs低成本、高能效的8位元EFM8SB1 MCU來實現觸控感應能力。該電路設計運行在1uA以下,可以為光控命令(例如開、關或者亮度控制)檢測多個觸控點和手勢。

而且,這些電容事件採用相對緩慢、毫秒級的工作週期率進行監視,因為相對於大多數MCU的能力而言,人們已經習慣於相對緩慢的人機介面回應。這樣可以節省電池電量又不犧牲可用性。

當你為產品設計考慮所需達到的電池使用壽命時,所有的這些因素都應該加以考慮。

調整MCU輪詢頻率節省能量卻不對使用者產生影響:MCU電容事件採用相對緩慢、毫秒工作週期率進行監視,因為相對於大多數MCU能力而言,人們已經習慣於相對緩慢的人機介面回應。這樣可以節省電池電量又不犧牲可用性。

設計中的空間限制和儲存能量

一旦將影響電池壽命的目標市場和電子元件納入考慮之後,接下來要討論不同的電池選項。一般情況下,更小尺寸的電池比更大尺寸的電池擁有更少的儲存能力,通常以每小時毫安培(mAh)計。此外,電池的化學成份也影響其成本以及其儲存效益。

例如1.5V的AA和AAA鹼性電池,具有非常低成本以及高儲存性能的優點;但是,它們的尺寸大、容易產生高漏電損耗,通常僅限於手持裝置使用,例如電視機遙控器等。此外,大多數的消費產品中通常需要兩個鹼性電池以實現最小3V的供電。

而像CR2或CR123A等鋰電池的尺寸較小,重量也比鹼性電池輕,但具有較高的成本;因此,這些電池僅用於需要小尺寸和低漏電損耗的設計,例如安全感測器。

至於更小的鈕扣型電池,例如CR2032,在容量尺寸方面較高效,而且比鹼性電池表現出更好的低漏損率。然而,考量其容量不到兩節AAA電池容量的四分之一,這些鈕扣電池主要用於極低功耗而最佳化的設計中。表2提供了這些電池之間差異性比較。

20160718 Silabs TA31T2 表2:各類電池比較

結論

在納入以上這些設計考慮因素後,最大的好處就是低成本IoT感測器有能力為既定目標市場提供更長的電池壽命。此外,在仔細評估文中介紹的設計考慮因素後,也有助於產品設計人員有效的在低成本電池上實現可靠運行的小尺寸產品。

例如,Silicon Labs提供的一系列IoT參考設計降低了設計的複雜性,並且為特定應用最佳化電池使用壽命,例如門/窗感測器(RD-0030-0201)和電容檢測調光器開關(RD-0039-0201)。RD-0030-0201 ZigBee接觸式感測器參考設計可在單個CR2032供電條件下可運行長達五年,而RD-0039-0201 ZigBee電容式感應調光開關參考設計比一般電池供電的消費類遙控器具有更長的使用壽命。

獲得較長電池壽命的一部份貢獻可歸功於低休眠電流的EM3587 ZigBee Pro收發器,以及高效率喚醒和發送資料的能力。該特殊設計配置大約每分鐘提供一次狀態更新,而這也使得電池使用量得以降至最低。

從參考設計開啟能耗節省之路

透過仔細評估本文中介紹的設計考慮因素,產品設計人員可以有效的在低成本電池上實現可靠運行的小尺寸產品。

例如,Silicon Labs提供一系列IoT參考設計,不僅降低了設計的複雜性,並且為特定應用最佳化電池使用壽命,例如門/窗感測器(RD-0030-0201)和電容檢測調光器開關(RD-0039-0201)。