物聯(lián)網(wǎng)(IoT)就在我們身邊。根據(jù)Gartner在2015年9月的調(diào)查報(bào)告顯示，到2022年時(shí)一個(gè)典型家庭中的智慧型裝置數(shù)量可能超過(guò)500個(gè)。

　　透過(guò)引進(jìn)包括無(wú)線收發(fā)器和創(chuàng)新感測(cè)器等低成本的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，我們希望家庭自動(dòng)化產(chǎn)品變得越來(lái)越智慧。但這些功能特性會(huì)消耗能量，而且這些裝置大多數(shù)都透過(guò)電池供電。

　　這將帶來(lái)值得關(guān)注的挑戰(zhàn)。為了成功地設(shè)計(jì)連網(wǎng)家庭產(chǎn)品，設(shè)計(jì)人員通常必須建構(gòu)外形小巧的產(chǎn)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(yùn)行數(shù)年而不需更換電池。

　　差異化市場(chǎng)需求不盡相同

　　在你開(kāi)始進(jìn)行設(shè)計(jì)之前，重要的是要了解目標(biāo)市場(chǎng)，因?yàn)槊恳环N市場(chǎng)都會(huì)導(dǎo)致對(duì)于成本、可靠性和電池壽命的不同需求。以下是兩個(gè)極端的例子，它們說(shuō)明市場(chǎng)需求如何迫使設(shè)計(jì)人員做出取舍。

　　訂購(gòu)型服務(wù)供應(yīng)商

　　訂購(gòu)型的服務(wù)供應(yīng)商(例如有線或衛(wèi)星網(wǎng)際網(wǎng)路服務(wù))更關(guān)注長(zhǎng)期、可靠作業(yè)的重要性，而非獲得最低的BOM成本或者實(shí)現(xiàn)最小的外形尺寸。

　　這些公司會(huì)在產(chǎn)品的成本與現(xiàn)場(chǎng)維修成本之間進(jìn)行權(quán)衡，根據(jù)故障原因不同，每次現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)支援的成本大約在200至2000美元之間。當(dāng)然，如果問(wèn)題僅僅是電池耗盡，成本權(quán)衡的結(jié)果顯然是應(yīng)該提供更大的電池或采用更低功耗的設(shè)計(jì)。

　　家庭自動(dòng)化DIY

　　雖然這個(gè)區(qū)隔市場(chǎng)看重可靠性，但消費(fèi)者往往基于成本、尺寸和外觀選擇產(chǎn)品。這個(gè)市場(chǎng)通常選擇小尺寸電池以適應(yīng)美觀的外殼設(shè)計(jì)。此外，為了獲得低售價(jià)，產(chǎn)品成本也必須較低。如果購(gòu)買(mǎi)了DIY產(chǎn)品后卻發(fā)現(xiàn)故障了，那么更換故障消費(fèi)產(chǎn)品的成本必須比專(zhuān)業(yè)服務(wù)供應(yīng)商市場(chǎng)中需要的更換成本低得多才可行；因此，產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員必須在這些方面做出某種取舍。

　　電池效率和無(wú)線——并非總是顯而易見(jiàn)的選擇

　　當(dāng)一個(gè)產(chǎn)品需要無(wú)線連結(jié)時(shí)，選擇何種協(xié)定將成為影響電池壽命的主要因素。目前有幾種無(wú)線選擇可以考量，其中一些可能是特定目標(biāo)市場(chǎng)較優(yōu)先或甚至是必要的選擇(表1）。

　　無(wú)線通訊消耗大量能量：發(fā)送和接收的無(wú)線資料串流每小時(shí)消耗數(shù)毫安培(milliamps)能量，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出兩個(gè)低成本AAA電池所提供的能量。

　　Wi-Fi是消費(fèi)無(wú)線產(chǎn)品中常用的協(xié)定。Wi-Fi能夠在高資料傳輸率時(shí)獲得較大的資料串流，但相對(duì)于其他無(wú)線協(xié)定來(lái)說(shuō)卻更加耗電。Wi-Fi產(chǎn)品通常采用電源插座或者需要頻繁充電，因?yàn)樗麄儾⑽瘁槍?duì)那些采用極低資料傳輸率的電池供電型產(chǎn)品進(jìn)行最佳化。

　　例如，大多數(shù)的家庭自動(dòng)化感測(cè)器——例如磁力門(mén)窗感測(cè)器和被動(dòng)紅外線(PIR)動(dòng)作探測(cè)器——長(zhǎng)期處于靜止?fàn)顟B(tài)，它們無(wú)法從Wi-Fi所提供的大量資料串流中獲得好處。這些感測(cè)器可以利用電池適用的無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)，例如Bluetooth Smart(也稱(chēng)為BLE)或者ZigBee。Bluetooth Smart針對(duì)直接點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊應(yīng)用，而ZigBee則針對(duì)多節(jié)點(diǎn)網(wǎng)狀網(wǎng)路應(yīng)用。

　　作為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)技術(shù)，Bluetooth Smart(或BLE)可能更適用于查詢(xún)家中的智慧型裝置，例如門(mén)鎖等。而對(duì)于網(wǎng)狀網(wǎng)路而言，ZigBee可能更適用于多種智慧裝置，例如恒溫器、大門(mén)感測(cè)器以及甚至是窗簾等，都能被配置成自動(dòng)通訊模式，而且極少需要使用者的介入。網(wǎng)狀網(wǎng)路也具有內(nèi)建的容錯(cuò)機(jī)制，可以消除單點(diǎn)故障，這使得它比點(diǎn)對(duì)點(diǎn)技術(shù)更可靠。

　　表1：無(wú)線協(xié)定特性比較

　　工作周期——裝置多久通訊一次？

　　一旦選擇了某種無(wú)線技術(shù)，設(shè)計(jì)人員需要考慮的下一個(gè)因素是確定工作模式和休眠模式中的發(fā)送強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間和工作周期(Duty Cycle)等需求。

　　大多數(shù)的現(xiàn)代無(wú)線收發(fā)器都提供了休眠模式，因而在不使用時(shí)可以節(jié)省能量。裝置處于休眠模式的時(shí)間越長(zhǎng)，所消耗的電量就越少，就越能夠延長(zhǎng)電池壽命。然而，當(dāng)評(píng)估裝置的無(wú)線功耗預(yù)算時(shí)，不應(yīng)僅將無(wú)線收發(fā)器電氣規(guī)格中休眠狀態(tài)的功耗資料當(dāng)作唯一輸入?yún)?shù)。無(wú)線收發(fā)器的喚醒時(shí)間、發(fā)送之前的預(yù)處理演算法以及重新返回休眠狀態(tài)所需要的時(shí)間也會(huì)影響功耗，必須在計(jì)算整體無(wú)線功耗預(yù)算時(shí)將它包括在內(nèi)。

　　無(wú)線傳輸?shù)念l率或工作周期將直接影響產(chǎn)品的電池壽命。工作周期在某種程度上由無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)需求、軟體演算法以及如何正常使用裝置來(lái)決定。例如，大門(mén)感測(cè)器中的開(kāi)/關(guān)事件將引起無(wú)線資料傳輸；然而，這種感測(cè)器也可能發(fā)送或者接收周期性的無(wú)線輪詢(xún)事件，以便更新網(wǎng)狀網(wǎng)路中的節(jié)點(diǎn)狀態(tài)。圖1提供對(duì)于該過(guò)程的概述。

　　圖1：無(wú)線收發(fā)器在一次輪詢(xún)事件中的動(dòng)態(tài)電流消耗

　　切合實(shí)際的感測(cè)器設(shè)計(jì)

　　一般情況下，每一種應(yīng)用都需要特定類(lèi)型的感測(cè)器；一氧化碳(CO)檢測(cè)器需要CO感測(cè)器、煙霧探測(cè)器需要電離(ionization)或光電感測(cè)器、動(dòng)作檢測(cè)器需要焦電型紅外線感測(cè)器(PIR)等等。一旦選擇好感測(cè)器的類(lèi)型，如何進(jìn)行設(shè)計(jì)以及選擇什么樣的MCU均會(huì)影響最終可以節(jié)省的能量與成本多寡。

　　例如，芯科實(shí)驗(yàn)室(Silicon Labs)的RD-0030-0201 ZigBee接觸式感測(cè)器參考設(shè)計(jì)可用于監(jiān)測(cè)大門(mén)或窗戶等入口。主要的感測(cè)器是以簧片開(kāi)關(guān)來(lái)檢測(cè)附近磁體的存在，并確定入口是否開(kāi)啟或者關(guān)閉。一旦磁場(chǎng)達(dá)到某一閾值時(shí)，感測(cè)器假定入口狀態(tài)已經(jīng)改變，因而啟動(dòng)無(wú)線通知循環(huán)。

　　入口進(jìn)出事件的次數(shù)雖然影響電池壽命，但是當(dāng)測(cè)量涵蓋多個(gè)入口事件時(shí)，這些次數(shù)本身并非很大的影響因素，如圖2所示。　

　　圖2：接觸式感測(cè)器電池壽命

　　然而，如果簧片開(kāi)關(guān)被長(zhǎng)時(shí)間保持在某一個(gè)特定狀態(tài)(開(kāi)啟或關(guān)閉)，而且在電池供應(yīng)之間構(gòu)成極低的阻抗電路，那么它可能影響電池壽命。為了避免這種情況，Silicon Labs開(kāi)發(fā)的參考設(shè)計(jì)在簧片開(kāi)關(guān)處于開(kāi)啟或者關(guān)閉時(shí)，電池供應(yīng)之間具有千歐姆級(jí)(kilo-ohms)的阻抗，因此簧片開(kāi)關(guān)的狀態(tài)在電池選擇時(shí)可以忽略不計(jì)。換句話說(shuō)，大門(mén)感測(cè)器可以保持開(kāi)啟或關(guān)閉狀態(tài)多日，但對(duì)電池壽命影響極小。

　　MCU的選擇也會(huì)造成感測(cè)器節(jié)點(diǎn)功耗的差異。RD-0039-0201 ZigBee電容式感應(yīng)調(diào)光開(kāi)關(guān)參考設(shè)計(jì)是用于控制基于ZigBee的LED照明節(jié)點(diǎn)。這個(gè)設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)完全無(wú)線的燈控。它還采用了電容式感測(cè)器以檢測(cè)使用者的實(shí)體接觸，進(jìn)而回應(yīng)特定的光控命令。

　　參考設(shè)計(jì)采用小型、低容量的CR2032電池。為了節(jié)約能量，設(shè)計(jì)采用了Silicon Labs低成本、高能效的8位元EFM8SB1 MCU來(lái)實(shí)現(xiàn)觸控感應(yīng)能力。該電路設(shè)計(jì)運(yùn)行在1uA以下，可以為光控命令(例如開(kāi)、關(guān)或者亮度控制)檢測(cè)多個(gè)觸控點(diǎn)和手勢(shì)。

　　而且，這些電容事件采用相對(duì)緩慢、毫秒級(jí)的工作周期率進(jìn)行監(jiān)視，因?yàn)橄鄬?duì)于大多數(shù)MCU的能力而言，人們已經(jīng)習(xí)慣于相對(duì)緩慢的人機(jī)介面回應(yīng)。這樣可以節(jié)省電池電量又不犧牲可用性。

　　當(dāng)你為產(chǎn)品設(shè)計(jì)考慮所需達(dá)到的電池使用壽命時(shí)，所有的這些因素都應(yīng)該加以考慮。

　　調(diào)整MCU輪詢(xún)頻率節(jié)省能量卻不對(duì)使用者產(chǎn)生影響：MCU電容事件采用相對(duì)緩慢、毫秒工作周期率進(jìn)行監(jiān)視，因?yàn)橄鄬?duì)于大多數(shù)MCU能力而言，人們已經(jīng)習(xí)慣于相對(duì)緩慢的人機(jī)介面回應(yīng)。這樣可以節(jié)省電池電量又不犧牲可用性。

　　設(shè)計(jì)中的空間限制和儲(chǔ)存能量

　　一旦將影響電池壽命的目標(biāo)市場(chǎng)和電子元件納入考慮之后，接下來(lái)要討論不同的電池選項(xiàng)。一般情況下，更小尺寸的電池比更大尺寸的電池?fù)碛懈俚膬?chǔ)存能力，通常以每小時(shí)毫安培(mAh)計(jì)。此外，電池的化學(xué)成份也影響其成本以及其儲(chǔ)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(chǔ)存性能的優(yōu)點(diǎn)；但是，它們的尺寸大、容易產(chǎn)生高漏電損耗，通常僅限于手持裝置使用，例如電視機(jī)遙控器等。此外，大多數(shù)的消費(fèi)產(chǎn)品中通常需要兩個(gè)鹼性電池以實(shí)現(xiàn)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，這些電池僅用于需要小尺寸和低漏電損耗的設(shè)計(jì)，例如安全感測(cè)器。

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

　　表2：各類(lèi)電池比較

　　結(jié)論

　　在納入以上這些設(shè)計(jì)考慮因素后，最大的好處就是低成本IoT感測(cè)器有能力為既定目標(biāo)市場(chǎng)提供更長(zhǎng)的電池壽命。此外，在仔細(xì)評(píng)估文中介紹的設(shè)計(jì)考慮因素后，也有助于產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員有效的在低成本電池上實(shí)現(xiàn)可靠運(yùn)行的小尺寸產(chǎn)品。

　　例如，Silicon Labs提供的一系列IoT參考設(shè)計(jì)降低了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，并且為特定應(yīng)用最佳化電池使用壽命，例如門(mén)/窗感測(cè)器(RD-0030-0201)和電容檢測(cè)調(diào)光器開(kāi)關(guān)(RD-0039-0201)。RD-0030-0201 ZigBee接觸式感測(cè)器參考設(shè)計(jì)可在單個(gè)CR2032供電條件下可運(yùn)行長(zhǎng)達(dá)五年，而RD-0039-0201 ZigBee電容式感應(yīng)調(diào)光開(kāi)關(guān)參考設(shè)計(jì)比一般電池供電的消費(fèi)類(lèi)遙控器具有更長(zhǎng)的使用壽命。

　　獲得較長(zhǎng)電池壽命的一部份貢獻(xiàn)可歸功于低休眠電流的EM3587 ZigBee Pro收發(fā)器，以及高效率喚醒和發(fā)送資料的能力。該特殊設(shè)計(jì)配置大約每分鐘提供一次狀態(tài)更新，而這也使得電池使用量得以降至最低。

　　從參考設(shè)計(jì)開(kāi)啟能耗節(jié)省之路

　　透過(guò)仔細(xì)評(píng)估本文中介紹的設(shè)計(jì)考慮因素，產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員可以有效的在低成本電池上實(shí)現(xiàn)可靠運(yùn)行的小尺寸產(chǎn)品。

　　例如，Silicon Labs提供一系列IoT參考設(shè)計(jì)，不僅降低了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，并且為特定應(yīng)用最佳化電池使用壽命，例如門(mén)/窗感測(cè)器(RD-0030-0201)和電容檢測(cè)調(diào)光器開(kāi)關(guān)(RD-0039-0201)。