安全傳感器經(jīng)常受到電池壽命短的困擾。通過將低功耗無線協(xié)議與低功耗處理器相結(jié)合，這不一定是一個問題。

寬帶服務(wù)提供商（BSP），如有線和電信公司，正準(zhǔn)備推出住宅安全服務(wù) - 基于ZigBee無線規(guī)范 - 增強(qiáng)其當(dāng)前的語音，視頻和數(shù)據(jù)服務(wù)。 ZigBee使BSP能夠提供一系列附加服務(wù)，例如安全，能源管理，照明控制和醫(yī)療保健應(yīng)用，這些應(yīng)用統(tǒng)稱為安全，監(jiān)控和自動化（SMA）服務(wù)。

安全傳感器電池壽命代表SMA解決方案在實(shí)用性，成本效益和市場接受度方面的關(guān)鍵考慮因素，在包括無線通信范圍，互操作性，認(rèn)證，生態(tài)系統(tǒng)和現(xiàn)場可升級性在內(nèi)的一系列因素中排名靠前。由Ember Corporation和iControl，Inc。開發(fā)的SMA解決方案專門用于延長接觸式傳感器的電池壽命。本文討論了這種工程合作的結(jié)果。

Ember Corporation是基于ZigBee協(xié)議的低功耗無線網(wǎng)絡(luò)解決方案的領(lǐng)導(dǎo)者。除安全傳感器外，它還為各種低功耗ZigBee設(shè)備開發(fā)了業(yè)界領(lǐng)先的解決方案，包括燃?xì)獗?，門鎖和電池供電的恒溫器。 iControl是SMA解決方案的領(lǐng)先提供商，使BSP能夠?yàn)槠淇蛻敉瞥鱿乱淮?wù)。除接觸傳感器外，iControl的SMA平臺還集成了各種ZigBee傳感器，包括運(yùn)動傳感器，煙霧報警器，玻璃破碎探測器，CO探測器，遙控鑰匙，無線鍵盤，車庫門開啟器等。

基于事實(shí)上，普通住宅安全系統(tǒng)使用了七年，BSP通常要求接觸傳感器的初始產(chǎn)品提供至少三年的電池壽命，以及導(dǎo)致電池壽命延長七到十年的路線圖。 》通過協(xié)作開發(fā)工作，Ember和iControl優(yōu)化了對電池壽命至關(guān)重要的傳感器和無線電操作，并預(yù)計電池壽命將超過三年。這些結(jié)果是通過iControl利用Ember業(yè)界領(lǐng)先的EM357 ZigBee片上系統(tǒng)（SoC），微調(diào)iControl的安全傳感器網(wǎng)絡(luò)操作以及Ember的ZigBee軟件中的軟件優(yōu)化來實(shí)現(xiàn)的。展望未來，Ember已經(jīng)確定大量其他軟件優(yōu)化將iControl的接觸式傳感器延長至十年以上的電池使用壽命。

iControl基于ZigBee的SMA平臺基礎(chǔ)知識

iControl開發(fā)的屢獲殊榮的SMA平臺對其開放，技術(shù)不可靠的軟件基礎(chǔ)設(shè)施與業(yè)界唯一的“一體化”SMA觸摸屏 - 將報警系統(tǒng)，通信網(wǎng)關(guān)和家庭自動化平臺集成到一個設(shè)備中。這些組件包括SMA TouchScreen控制臺，各種安全傳感器，以及與第三方設(shè)備（如恒溫器，照明控制和門鎖）的輕松集成。 Ember的ZigBee軟件為整個系統(tǒng)提供雙向無線網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，如圖1所示。

圖1：Ember ZigBee網(wǎng)絡(luò)軟件。

iControl的安全傳感器

每個iControl安全傳感器都是Ember EM357處理器，它基于32位ARM Cortex-M3處理器。 EM357是業(yè)界領(lǐng)先的ZigBee處理器，具有電流消耗和射頻（RF）性能。

接觸式傳感器用于門窗安全。它們要么關(guān)閉要么開放; Ember EM357上的通用輸入輸出（GPIO）線用于檢測開關(guān)的狀態(tài)。雙擲開關(guān)在檢測到門或窗打開或關(guān)閉之前不會消耗電流。在深度睡眠期間，傳感器僅消耗0.65μA，這來自EM357用于執(zhí)行定期數(shù)據(jù)輪詢的功率。

iControl接觸傳感器組件包括以下內(nèi)容：

Ember EM357 ZigBee SoC功率放大器和低 - 噪聲放大器電路簧片開關(guān)：監(jiān)視門窗狀態(tài)的簡單開關(guān)機(jī)制一個CR2電池，額定電流為800 mAh

圖2顯示了iControl接觸傳感器。

圖2：iControl接觸傳感器。

技術(shù)背景

在計算電池壽命時，有必要了解驅(qū)動功耗的四個因素：

運(yùn)行狀態(tài)傳感器和無線電參數(shù)計算中使用的各種測量單位電池技術(shù)

運(yùn)行狀態(tài)

安全傳感器執(zhí)行的每個活動都屬于兩種類型的操作狀態(tài)之一：穩(wěn)態(tài)操作或周期性事件。本節(jié)介紹了每種運(yùn)行狀態(tài)以及如何測量每種運(yùn)行狀態(tài)的平均電流。

穩(wěn)態(tài)運(yùn)行

穩(wěn)態(tài)運(yùn)行是正常的空閑狀態(tài)，傳感器處于休眠狀態(tài)時電流消耗最小。電流消耗是一致的，能量使用可以最佳地精確表示為μA。在計算電池壽命時，必須考慮兩種不同的操作狀態(tài)：

無線電休眠電流電池自放電

周期性事件

周期性事件在運(yùn)行期間以不同的間隔發(fā)生;因此，它們的電流消耗不能直接測量，因?yàn)樗梢杂糜诜€(wěn)態(tài)事件。相反，事件期間消耗的總能量以μC為單位測量，然后根據(jù)事件頻率轉(zhuǎn)換為平均電流。

下面的等式顯示了這個計算：

有兩個周期性事件的類型：

Ember EM357無線電傳輸Ember EM357數(shù)據(jù)調(diào)查

傳感器和無線電參數(shù)

每個安全傳感器都有一個傳感器和一個無線電;兩個組件都有不同的參數(shù)，影響電池壽命。這些參數(shù)以電流消耗或能量消耗計算;差異將在本節(jié)后面解釋。表1總結(jié)了由Ember和iControl確定的無線電和傳感器參數(shù)。

參數(shù)說明類型單位無線電參數(shù)無線電睡眠電流當(dāng)無線電處于空閑狀態(tài)時消耗的穩(wěn)態(tài)電流穩(wěn)態(tài)操作μA無線電傳輸完成所需的能量數(shù)據(jù)輪詢操作并發(fā)送數(shù)據(jù)包周期事件μC數(shù)據(jù)輪詢完成數(shù)據(jù)輪詢操作和發(fā)送數(shù)據(jù)包所需的能量周期事件μC傳感器參數(shù)傳感器待機(jī)電流空閑時傳感器消耗的穩(wěn)態(tài)電流穩(wěn)態(tài)操作μA事件能量給定傳感器響應(yīng)物理事件（例如開門）所需的能量周期事件μC表1：無線電和傳感器參數(shù)。

測量單位

三個測量單位用于開發(fā)傳感器電池壽命計算：μC，μA和mAh。根據(jù)表1，無線電和傳感器事件以μA或μC表示，這取決于是否正在測量穩(wěn)態(tài)電流（μA）或確定與特定時間間隔的事件相關(guān)聯(lián)的電流（μC）。整體鋰電池容量以mAh表示。

用庫侖測量的事件可以很容易地轉(zhuǎn)換為mAh。一個庫侖（C）等于一安培秒（As）。庫侖表示每秒一安培電流流過電路的電子數(shù)。例如，如果每次數(shù)據(jù)輪詢?yōu)?00μC，并且事件每秒發(fā)生一次，則平均電流為200μA。

電池技術(shù)

iControl制造的安全傳感器由CR2鋰電池供電。為了準(zhǔn)確計算由鋰電池供電的設(shè)備的電池壽命，必須考慮自放電和內(nèi)部電阻。電池可以通過電路移動的電子總數(shù)稱為其容量，單位為mAh。雖然這個容量是固定的，但電池壽命根據(jù)電池供電的操作而變化。

自放電是電池中的一種現(xiàn)象，其中內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)減少電池的存儲電荷而電極之間沒有任何連接。自放電會縮短電池的保質(zhì)期，并使電池在實(shí)際投入使用時的電量低于預(yù)期。為了模擬自放電，該團(tuán)隊增加了3.24μA的連續(xù)自放電電流。

電池的降額是為了解釋在無線電操作期間變得非常重要的內(nèi)部電阻。例如，iControl在其傳感器中使用的鋰電池從800 mAh降至600 mAh，以應(yīng)對電池的內(nèi)阻。

電池操作底漆：

考慮能耗的一種方法是考慮電池作為水箱，水的體積代表可供使用的總能量。通過連接到水箱的管道和水龍頭以一定的速率排空水，這類似于電路的電流流動。任何可以減少或中斷此流量的操作都會延長水在水箱中的剩余時間（或電池中剩余的能量）。

電池壽命計算

安全傳感器電池的壽命通過劃分來計算電池容量（以mAh表示）乘以總平均電流（以μA表示）。該公式如下所示：

總平均電流是關(guān)鍵因素;它是所有事件的總和，包括穩(wěn)態(tài)和周期性，以及電池自放電。這個公式如下所示，其中我代表當(dāng)前：

“技術(shù)背景”部分為所有用于測量和計算每個變量的工作奠定了基礎(chǔ)。以下部分提供了這些公式中用于確定接觸式傳感器電池壽命的實(shí)際值。

接觸式傳感器電池壽命計算

如上所述，接觸式傳感器電池壽命的計算方法是將電池容量除以平均電流消耗。雖然通過降低電池容量來容易地估計電池容量，但是通過對由無線電和傳感器發(fā)生的所有穩(wěn)態(tài)和周期性事件求和來獲得平均電流消耗。以下是這些事件的列表：

穩(wěn)態(tài)操作

- 無線電睡眠電流

- 電池自放電

周期性事件

- 數(shù)據(jù)調(diào)查

- 無線電傳輸

總平均電流方程式如下：

每天的事件總數(shù)估計為100.此值由應(yīng)用程序定義，但可以調(diào)整此變量以適應(yīng)不同的安全方案。同樣，數(shù)據(jù)輪詢率設(shè)置為每27分鐘一次，或每天53次輪詢。

表2顯示了這些事件中的每一個及其相應(yīng)的值。

操作類型參數(shù)事件能量事件數(shù)平均電流穩(wěn)定 - 狀態(tài)無線電睡眠電流N/AN/A.65μA穩(wěn)態(tài)電池自放電N/AN/A3.42μA周期性數(shù)據(jù)輪詢1944μC53/天1.19μA周期性無線電傳輸1944μC100/天2.25μA表2：能量接觸傳感器組件消耗。

使用表2中的值：

要計算電池壽命，請應(yīng)用以下公式：

因此，Ember和iControl實(shí)現(xiàn)了最初的目標(biāo)，即基于目前可用于推廣給消費(fèi)者的技術(shù)，為接觸式傳感器獲得超過三年的電池壽命。

結(jié)論

Ember和iControl合作開發(fā)傳感器增強(qiáng)SMA平臺功能并滿足寬帶服務(wù)提供商的要求。如本白皮書所示，此次合作的結(jié)果提供了傳感器電池壽命，非常適合典型家庭安全環(huán)境中的實(shí)際維護(hù)考慮因素。

通過優(yōu)化與電流和能耗相關(guān)的所有參數(shù)，延長電池壽命。 Ember的產(chǎn)品路線圖包含各種軟件優(yōu)化，旨在改善所有電池供電的ZigBee設(shè)備的電池壽命。