【導(dǎo)讀】家庭自動(dòng)化、活動(dòng)監(jiān)視器、遠(yuǎn)程傳感器節(jié)點(diǎn)和胎壓監(jiān)視器等應(yīng)用使用小型電池運(yùn)行，需要較長(zhǎng)的運(yùn)行時(shí)間。對(duì)無線磁性窗口報(bào)警傳感器系統(tǒng)的討論說明了在小型紐扣電池上獲得長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的挑戰(zhàn)。該設(shè)計(jì)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(fā)器有助于最大限度地延長(zhǎng)遠(yuǎn)程無線傳感器的電池運(yùn)行時(shí)間。
家庭自動(dòng)化、活動(dòng)監(jiān)視器、遠(yuǎn)程傳感器節(jié)點(diǎn)和胎壓監(jiān)視器等應(yīng)用使用小型電池運(yùn)行，需要較長(zhǎng)的運(yùn)行時(shí)間。對(duì)無線磁性窗口報(bào)警傳感器系統(tǒng)的討論說明了在小型紐扣電池上獲得長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的挑戰(zhàn)。該設(shè)計(jì)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(fā)器有助于最大限度地延長(zhǎng)遠(yuǎn)程無線傳感器的電池運(yùn)行時(shí)間。
介紹
電池運(yùn)行時(shí)間是遠(yuǎn)程無線傳感器的關(guān)鍵功能。無線傳感器正變得無處不在，滲透到最多樣化的應(yīng)用中，如家庭自動(dòng)化、活動(dòng)監(jiān)視器、遠(yuǎn)程傳感器節(jié)點(diǎn)和胎壓監(jiān)視器，僅舉幾大類。運(yùn)行時(shí)間要求從一年到二十年不等，對(duì)這些移動(dòng)設(shè)備的設(shè)計(jì)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。此設(shè)計(jì)解決方案將首先回顧一些運(yùn)行時(shí)挑戰(zhàn)的情況。其次，它將討論無線傳感器系統(tǒng)的典型實(shí)現(xiàn)及其缺點(diǎn)，最后，它將介紹一種新的超低功耗RF ISM收發(fā)器，有助于最大限度地延長(zhǎng)遠(yuǎn)程無線傳感器的電池運(yùn)行時(shí)間。
運(yùn)行時(shí)要求
例如，無線磁性窗戶報(bào)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(gè)電池運(yùn)行至少一年。在其他示例中，監(jiān)控水和漏水、地震、氣體、濕度和溫度的遠(yuǎn)程抄表器需要自主運(yùn)行長(zhǎng)達(dá) 20 年。在每種情況下，遠(yuǎn)程系統(tǒng)都需要小巧且便宜，使用容量有限的非常小的電池運(yùn)行，通常只使用幾分之一安培小時(shí) （Ah）。為了滿足如此艱巨的運(yùn)行時(shí)間要求，設(shè)計(jì)人員必須明智地使用傳感器電池中的每個(gè)庫侖。
典型傳感器系統(tǒng)
典型的無線磁性窗口報(bào)警傳感器系統(tǒng)（遠(yuǎn)程傳感器子系統(tǒng)和中央控制臺(tái)）如圖2所示。為遠(yuǎn)程傳感器子系統(tǒng)供電的 1.5V 紐扣電池由升壓轉(zhuǎn)換器調(diào)節(jié)。遠(yuǎn)程傳感器子系統(tǒng)大部分時(shí)間處于深度睡眠模式，升壓轉(zhuǎn)換器和收發(fā)器處于關(guān)斷狀態(tài)。每當(dāng)磁傳感器激活時(shí)，子系統(tǒng)就會(huì)被喚醒（上拉電阻R和晶體管T），并將報(bào)警信號(hào)發(fā)送到智能收發(fā)器進(jìn)行處理并將報(bào)警傳輸?shù)街醒肟刂婆_(tái)。
圖2.無線磁性窗戶報(bào)警傳感器系統(tǒng)。
在遠(yuǎn)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(guī)喚醒和不頻繁的傳輸時(shí)間內(nèi)，它可以吸收高達(dá)100mA的短脈沖電流。
壁掛式中央控制臺(tái)的收發(fā)器與建筑物或現(xiàn)場(chǎng)的每個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行無線通信。其收發(fā)器通過UART與負(fù)責(zé)控制整個(gè)系統(tǒng)的主控制器CPU通信。
電池運(yùn)行時(shí)間
假設(shè)紐扣電池的容量為150mAh，運(yùn)行時(shí)間要求為2年。數(shù)學(xué)非常簡(jiǎn)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(yùn)行時(shí)間！很明顯，傳感器中的每個(gè)組件都需要做得更好，才能將運(yùn)行時(shí)損失降低到更可接受的水平。理想情況下，如果遠(yuǎn)程傳感器保持低于此水平（100nA）一個(gè)數(shù)量級(jí)，則運(yùn)行時(shí)損耗將降低到更可接受的1.2%。
超低功耗收發(fā)器
MAX7037 sub-1GHz、超低功耗、RF ISM收發(fā)器可以滿足如此嚴(yán)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(fā)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(nèi)的標(biāo)準(zhǔn) ISM 頻段，輸出功率高達(dá) 10dBm。電源電壓范圍為 2.1V 至 5.5V，使其能夠應(yīng)對(duì)各種能源，例如太陽能電池、機(jī)電或熱電能。在圖2中，MAX7037取代了每個(gè)“收發(fā)器+ μC”模塊。硬件實(shí)現(xiàn)的發(fā)送和接收例程使高效收發(fā)器系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)無線故障安全多頻段/多通道通信，具有先進(jìn)的FSK（頻移鍵控）和ASK（幅度移鍵控）協(xié)議功能。休眠模式允許輕松實(shí)現(xiàn)具有快速反應(yīng)時(shí)間的低功耗應(yīng)用。
無線單元的超低功耗解決方案
在事件驅(qū)動(dòng)的無線傳感器應(yīng)用中，MAX7037大部分時(shí)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(dāng)檢測(cè)到事件時(shí)，傳感器通常通過中斷向微控制器發(fā)出信號(hào)。短數(shù)據(jù)包由微控制器形成，并以指定頻率傳輸。數(shù)據(jù)包需要包含傳感器的一些標(biāo)識(shí)符，例如指示其狀態(tài)的標(biāo)志字節(jié)。它還需要錯(cuò)誤檢測(cè)或適用于數(shù)據(jù)包內(nèi)容的某種校驗(yàn)和或其他錯(cuò)誤檢測(cè)代碼。此外，數(shù)據(jù)包的第一個(gè)字節(jié)是數(shù)據(jù)包有效負(fù)載中的字節(jié)數(shù)。除了要求第一個(gè)字節(jié)指示有效負(fù)載的長(zhǎng)度外，對(duì)數(shù)據(jù)包有效負(fù)載的內(nèi)容沒有限制。
使用的射頻頻率可以從標(biāo)準(zhǔn)sub-GHz ISM頻率中選擇;例如，315MHz 或 868MHz。根據(jù)系統(tǒng)部署在世界的哪個(gè)部分，應(yīng)使用該區(qū)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?yàn)檩^低頻率的信號(hào)會(huì)更好地通過墻壁傳播。但是，干擾因素可能會(huì)決定頻率的選擇。
使用我們之前提到的遠(yuǎn)程無線磁性窗口報(bào)警傳感器示例，MAX7037將運(yùn)行時(shí)間損耗從12%（3個(gè)月）降低到1.2%（9天）！
毫微功耗升壓轉(zhuǎn)換器
MAX17222毫微功耗升壓轉(zhuǎn)換器也是該應(yīng)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(gè) 0.5A 峰值電感器電流限值和一個(gè)采用單個(gè)標(biāo)準(zhǔn) 1% 電阻器的可選輸出電壓。其新穎的真關(guān)斷?模式可產(chǎn)生納安級(jí)（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(tái)
中央控制臺(tái)始終處于打開狀態(tài)。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(shù)據(jù)包。收到數(shù)據(jù)包后，CPU 確認(rèn)內(nèi)容沒有錯(cuò)誤，如果是，則廣播 ACK（確認(rèn)）數(shù)據(jù)包。當(dāng)遠(yuǎn)端子系統(tǒng)中的MAX7037收到帶有ID的ACK時(shí)，返回深度睡眠模式。如果來自子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)包出現(xiàn)錯(cuò)誤，主控制器 CPU 將改為發(fā)送否定確認(rèn) （NAK）。如果在一定超時(shí)時(shí)間內(nèi)未收到 ACK 或收到 NAK，子系統(tǒng)控制器將重新發(fā)送原始數(shù)據(jù)包。所描述的握手協(xié)議是一種可能的替代方法。當(dāng)使用FSK調(diào)制時(shí)，MAX7037可以傳輸高達(dá)125kbps的數(shù)據(jù)。
結(jié)論
我們討論了許多無線傳感器系統(tǒng)中對(duì)電池運(yùn)行時(shí)間的極其嚴(yán)格的要求。我們回顧了一個(gè)典型的無線應(yīng)用系統(tǒng)，該系統(tǒng)由于深度睡眠模式下過度泄漏而浪費(fèi)了12%的電池壽命。我們展示了使用MAX7037如何將運(yùn)行時(shí)間損失從12%（3個(gè)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(shí)現(xiàn)此類應(yīng)用所需的長(zhǎng)電池運(yùn)行時(shí)間。
反過來，MAX17222毫微功耗升壓轉(zhuǎn)換器具有真關(guān)斷模式，為MAX7037收發(fā)器提供理想的功率升壓。
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