如何最大限度地延長無線傳感器的運行時間

家庭自動化、活動監視器、遠程傳感器節點和胎壓監視器等應用使用小型電池運行，需要較長的運行時間。對無線磁性窗口報警傳感器系統的討論說明了在小型紐扣電池上獲得長時間運行的挑戰。該設計解決方案表明，集成微控制器和閃存的高性能四頻多通道收發器有助于最大限度地延長遠程無線傳感器的電池運行時間。

介紹

電池運行時間是遠程無線傳感器的關鍵功能。無線傳感器正變得無處不在，滲透到最多樣化的應用中，如家庭自動化、活動監視器、遠程傳感器節點和胎壓監視器，僅舉幾大類。運行時間要求從一年到二十年不等，對這些移動設備的設計提出了嚴峻的挑戰。此設計解決方案將首先回顧一些運行時挑戰的情況。其次，它將討論無線傳感器系統的典型實現及其缺點，最后，它將介紹一種新的超低功耗RF ISM收發器，有助于最大限度地延長遠程無線傳感器的電池運行時間。

運行時要求

例如，無線磁性窗戶報警器和無線鎖在家庭和酒店中越來越受歡迎。它們必須使用單個電池運行至少一年。在其他示例中，監控水和漏水、地震、氣體、濕度和溫度的遠程抄表器需要自主運行長達 20 年。在每種情況下，遠程系統都需要小巧且便宜，使用容量有限的非常小的電池運行，通常只使用幾分之一安培小時 （Ah）。為了滿足如此艱巨的運行時間要求，設計人員必須明智地使用傳感器電池中的每個庫侖。

典型傳感器系統

典型的無線磁性窗口報警傳感器系統（遠程傳感器子系統和中央控制臺）如圖2所示。為遠程傳感器子系統供電的 1.5V 紐扣電池由升壓轉換器調節。遠程傳感器子系統大部分時間處于深度睡眠模式，升壓轉換器和收發器處于關斷狀態。每當磁傳感器激活時，子系統就會被喚醒（上拉電阻R和晶體管T），并將報警信號發送到智能收發器進行處理并將報警傳輸到中央控制臺。

圖2.無線磁性窗戶報警傳感器系統。

在遠程傳感器處于深度睡眠模式期間，需要消耗盡可能少的功率。在常規喚醒和不頻繁的傳輸時間內，它可以吸收高達100mA的短脈沖電流。

壁掛式中央控制臺的收發器與建筑物或現場的每個子系統進行無線通信。其收發器通過UART與負責控制整個系統的主控制器CPU通信。

電池運行時間

假設紐扣電池的容量為150mAh，運行時間要求為2年。數學非常簡單：必須管理傳感器操作，使其平均電流消耗不超過8.5μA（8.5μA x 365d/y x 24h/d x 2y = 150mAh）！這沒什么可過的。

典型解決方案

目前可用的典型解決方案是在深度睡眠中消耗1μA電流，這仍然占用了12%的總電池運行時間！很明顯，傳感器中的每個組件都需要做得更好，才能將運行時損失降低到更可接受的水平。理想情況下，如果遠程傳感器保持低于此水平（100nA）一個數量級，則運行時損耗將降低到更可接受的1.2%。

超低功耗收發器

MAX7037 sub-1GHz、超低功耗、RF ISM收發器可以滿足如此嚴格的要求。圖 3 顯示了其功能圖。

圖3.MAX7037功能框圖

MAX7037為高性能、四頻多通道收發器，集成8051微控制器、閃存和傳感器接口。它支持 300MHz 至 930MHz 范圍內的標準 ISM 頻段，輸出功率高達 10dBm。電源電壓范圍為 2.1V 至 5.5V，使其能夠應對各種能源，例如太陽能電池、機電或熱電能。在圖2中，MAX7037取代了每個“收發器+ μC”模塊。硬件實現的發送和接收例程使高效收發器系統能夠實現無線故障安全多頻段/多通道通信，具有先進的FSK（頻移鍵控）和ASK（幅度移鍵控）協議功能。休眠模式允許輕松實現具有快速反應時間的低功耗應用。

無線單元的超低功耗解決方案

在事件驅動的無線傳感器應用中，MAX7037大部分時間處于深度睡眠模式。在這種模式下，電流消耗為100nA （最大值）。當檢測到事件時，傳感器通常通過中斷向微控制器發出信號。短數據包由微控制器形成，并以指定頻率傳輸。數據包需要包含傳感器的一些標識符，例如指示其狀態的標志字節。它還需要錯誤檢測或適用于數據包內容的某種校驗和或其他錯誤檢測代碼。此外，數據包的第一個字節是數據包有效負載中的字節數。除了要求第一個字節指示有效負載的長度外，對數據包有效負載的內容沒有限制。

使用的射頻頻率可以從標準sub-GHz ISM頻率中選擇;例如，315MHz 或 868MHz。根據系統部署在世界的哪個部分，應使用該區域的 ISM 頻段。如果可以選擇頻率，最理想的是建筑物中使用的最低頻率，因為較低頻率的信號會更好地通過墻壁傳播。但是，干擾因素可能會決定頻率的選擇。

使用我們之前提到的遠程無線磁性窗口報警傳感器示例，MAX7037將運行時間損耗從12%（3個月）降低到1.2%（9天）！

毫微功耗升壓轉換器

MAX17222毫微功耗升壓轉換器也是該應用的理想選擇。憑借其 400mV 的最小輸入操作，它可以從 1.5V 電池中汲取最后一滴能量。它還提供了一個 0.5A 峰值電感器電流限值和一個采用單個標準 1% 電阻器的可選輸出電壓。其新穎的真關斷?模式可產生納安級（典型值為 0.5nA）的漏電流，使其成為真正的毫微功耗器件。

中央控制臺

中央控制臺始終處于打開狀態。主控制器CPU定期輪詢位于同一位置的MAX7037，以檢查是否收到數據包。收到數據包后，CPU 確認內容沒有錯誤，如果是，則廣播 ACK（確認）數據包。當遠端子系統中的MAX7037收到帶有ID的ACK時，返回深度睡眠模式。如果來自子系統的數據包出現錯誤，主控制器 CPU 將改為發送否定確認 （NAK）。如果在一定超時時間內未收到 ACK 或收到 NAK，子系統控制器將重新發送原始數據包。所描述的握手協議是一種可能的替代方法。當使用FSK調制時，MAX7037可以傳輸高達125kbps的數據。

結論

我們討論了許多無線傳感器系統中對電池運行時間的極其嚴格的要求。我們回顧了一個典型的無線應用系統，該系統由于深度睡眠模式下過度泄漏而浪費了12%的電池壽命。我們展示了使用MAX7037如何將運行時間損失從12%（3個月）降低到1.2%（9天）！MAX7037具有超低的100nA深度睡眠電流，可顯著降低漏電流，有助于實現此類應用所需的長電池運行時間。

反過來，MAX17222毫微功耗升壓轉換器具有真關斷模式，為MAX7037收發器提供理想的功率升壓。

審核編輯：郭婷