物聯網感測器 SoC Wi-Fi 藍牙 Zigbee Z-Wave Thread

電池/SoC/天線面面俱到　物聯網感測器設計有一套(1)

2024-01-19

Ben Garcia

感測器可將數據轉化為某種行動來簡化生活的能力，構成物聯網(IoT)的支柱。隨著聯網設備的激增，聯網感測器引發了一場技術革命，使其在生活的地位中從方便提升為必需。

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現在的科技世界讓人們瞭解到，感測器可將數據轉化為某種行動來簡化生活的能力，構成物聯網(IoT)的支柱。現代感測器幾乎具有各種形狀和尺寸，現在也許擁有多個整合至少一個感測器的設備。從根本上來說，感測器的工作是獲取光、溫度或壓力等輸入資料，並使用這些數據以適當的方式做出回應。例如，當室溫低於指定臨界值時，恆溫器會打開加熱器。感測器並不是新的產品，畢竟，恆溫器已經使用了近140年。但隨著聯網設備的激增，聯網感測器引發了一場技術革命，使其在生活的地位中從方便提升為必需。讓居家更舒適、汽車更安全、咖啡更及時便利、商務更有效率。

剖析智慧感測器

電池供電的感測器需要印刷電路板(PCB)，這對構成感測器的許多組件會產生影響，包括天線和射頻功能。本文不會花太多時間討論PCB，但重要的是不要低估它對感測器性能的影響。

電池是感測器設計中的另一個關鍵要素，因為它必須提供所需的能量，電池還決定了設備的尺寸要求，只需使用更大的電池即可滿足不斷提高的性能要求或使用壽命，但考慮到消費者日益要求更小的產品，大尺寸電池不符實際需求。例如，如果門或窗的感測器必須使用D型號電池，那麼它就不會非常有用或有吸引力。即使是AA或AAA電池的笨重也會給消費者帶來問題。趨勢之一是，雖然設備變得越來越小，但電池壽命實際上在增加。

電池供電感測器的下一個重要組件是無線系統單晶片(SoC)。優化SoC至關重要：

．接收靈敏度

．發射功率

．具有適當的處理器速度

．有足夠的快閃記憶體和隨機存取記憶體(RAM)來執行協議

還需要感測元件來執行感測器最初設計的功能。下一個重要組件是在感測器上運行的軟體，它負責管理所有其他組件並驅動感測器傳輸的通訊。最後，最終的一個組件是外殼，外殼的尺寸形狀受電池尺寸的影響，它還會影響射頻性能—某些塑膠，甚至這些塑膠著色使用的顏料可能影響設備射頻的傳輸特性。

感測器開發電池選項比較

表1比較了開發人員在建構連接感測器時的一些電池選擇。CR123A鋰電池的電壓為3.0，適合單節電池為低壓電路供電，此選項具有相對較大的電容量，以及較大的體積。表列的第二款電池是稍小的CR2鋰電池，具有相同3Ｖ的額定電壓，但容量稍低且尺寸較小。第三種類型是CR2032鈕扣鋰電池，它是列表中最小的，非常適合縮減感測器尺寸。最後兩種電池類型(鹼性AA和鹼性AAA)均具有相當大的容量，但與CR2032鈕扣電池相比尺寸較大。這些電池只能產生1.5伏特的電壓，這意味著需要兩顆電池才能產生與鈕扣鋰電池相同的3V電壓。因此，除非設計需要非常大的容量，否則，選擇鈕扣電池具有最小外形設計的直接優勢。

鈕扣鋰電池還有另一個需要考慮的特性：此電池類型可提供的最大脈衝負載或放電。在表1中，可以看到顯示的CR2032以及其他鈕扣鋰電池具有的最大脈衝能力非常小。雖然這個數字表示鈕扣電池可以提供的最大脈衝負載，但其容量會顯著降低。

鈕扣鋰電池的內阻較大；參見圖1中的兩個例子。左邊是僅由電池供電的電路。右側是由電池和電源管理IC供電的電路。鈕扣鋰電池上的高峰值電流會引起或產生壓降，而導致電路斷電甚至需復位電路。此外，從鈕扣鋰電池汲取高峰值電流會顯著降低電池壽命。傳統上，這些缺點是透過添加一個非常大的電容器來解決。圖1左顯示了由並聯大電容鈕扣鋰電池進行高功率射頻傳輸所產生的脈衝放電。在此示例中，脈衝峰值為38.5mA。任何超過15mA的電流都會降低鈕扣電池的電池壽命，此狀況並不理想。右邊可以看到同樣的高功率RF傳輸，但在這裡，同一個鈕扣鋰電池由Silicon Labs EFP01節能電源管理IC進行管理。不僅峰值放電從38.5mA減少到僅11.8mA，而且可以使用更小的47μF儲存電容器。

無線SoC

建構電池供電感測器的下一個重要考慮因素是無線SoC。這是感測器的核心。圖2比較了Silicon Labs的EFR32無線設備的系列1和系列2產品：系列1和系列2均提供低功耗、多頻段和多協議選項等廣泛的應用。系列2對核心平台進行了重大更新，包括專用的加密安全核心。

由左至右，EFR32xG1和EFR32xG14適合2.4GHz或sub-GHz運行的單協議電池供電設備。列表中的第二款是EFR32xG13裝置，這些設備專為2.4GHz或sub-GHz運行設計，適合單一和動態的多協議電池供電設備。其次，EFR32xG12適合2.4GHz運行頻率的動態多協議、電池供電設備。最後是EFR32xG22，為2.4GHz運行設計，適合單一和動態的多協議電池供電設備。所有SoC均結合了節能型微控制器和高度整合的無線電接收器。

SoC的能量運行模式會影響電池容量，並最終影響電池的壽命。對於典型無線的接觸感測器，電池壽命主要取決於睡眠電流。

可以在圖3中看到睡眠的影響有多大。應用事項、數據輪詢，甚至電池壽命期間的自放電或無線更新都無法與睡眠的能耗相比。在Silicon Labs設備中，能源模式分為EM0(活動)、EM2(保留RAM的睡眠)、EM3(停止)和EM4(休眠)。EM4提供最低的睡眠電流，但從EM4喚醒需要較長的重置時間。這很難滿足Zigbee、Thread等協議標準的認證要求。