电池供电无线IoT装置设计，看这篇就够了

物联网(IoT)就在我们身边。根据Gartner在2015年9月的调查报告显示，到2022年时一个典型家庭中的智慧型装置数量可能超过500个。

透过引进包括无线收发器和创新感测器等低成本的物联网技术，我们希望家庭自动化产品变得越来越智慧。但这些功能特性会消耗能量，而且这些装置大多数都透过电池供电。

这将带来值得关注的挑战。为了成功地设计连网家庭产品，设计人员通常必须建构外形小巧的产品，它们不仅必须具备最低成本的材料清单(BOM)，而且还必须能够可靠地运行数年而不需更换电池。

差异化市场需求不尽相同

在你开始进行设计之前，重要的是要了解目标市场，因为每一种市场都会导致对于成本、可靠性和电池寿命的不同需求。以下是两个极端的例子，它们说明市场需求如何迫使设计人员做出取舍。

订购型服务供应商

订购型的服务供应商(例如有线或卫星网际网路服务)更关注长期、可靠作业的重要性，而非获得最低的BOM成本或者实现最小的外形尺寸。

这些公司会在产品的成本与现场维修成本之间进行权衡，根据故障原因不同，每次现场技术支援的成本大约在200至2000美元之间。当然，如果问题仅仅是电池耗尽，成本权衡的结果显然是应该提供更大的电池或采用更低功耗的设计。

家庭自动化DIY

虽然这个区隔市场看重可靠性，但消费者往往基于成本、尺寸和外观选择产品。这个市场通常选择小尺寸电池以适应美观的外壳设计。此外，为了获得低售价，产品成本也必须较低。如果购买了DIY产品后却发现故障了，那么更换故障消费产品的成本必须比专业服务供应商市场中需要的更换成本低得多才可行；因此，产品设计人员必须在这些方面做出某种取舍。

电池效率和无线--并非总是显而易见的选择

当一个产品需要无线连结时，选择何种协定将成为影响电池寿命的主要因素。目前有几种无线选择可以考量，其中一些可能是特定目标市场较优先或甚至是必要的选择(表1）。

无线通讯消耗大量能量：发送和接收的无线资料串流每小时消耗数毫安培(milliamps)能量，这远远超出两个低成本AAA电池所提供的能量。

Wi-Fi是消费无线产品中常用的协定。Wi-Fi能够在高资料传输率时获得较大的资料串流，但相对于其他无线协定来说却更加耗电。Wi-Fi产品通常采用电源插座或者需要频繁充电，因为他们并未针对那些采用极低资料传输率的电池供电型产品进行最佳化。

例如，大多数的家庭自动化感测器--例如磁力门窗感测器和被动红外线(PIR)动作探测器--长期处于静止状态，它们无法从Wi-Fi所提供的大量资料串流中获得好处。这些感测器可以利用电池适用的无线标准，例如Bluetooth Smart(也称为BLE)或者ZigBee。Bluetooth Smart针对直接点对点通讯应用，而ZigBee则针对多节点网状网路应用。

作为点对点技术，Bluetooth Smart(或BLE)可能更适用于查询家中的智慧型装置，例如门锁等。而对于网状网路而言，ZigBee可能更适用于多种智慧装置，例如恒温器、大门感测器以及甚至是窗帘等，都能被配置成自动通讯模式，而且极少需要使用者的介入。网状网路也具有内建的容错机制，可以消除单点故障，这使得它比点对点技术更可靠。

表1：无线协定特性比较

工作周期--装置多久通讯一次？

一旦选择了某种无线技术，设计人员需要考虑的下一个因素是确定工作模式和休眠模式中的发送强度、持续时间和工作周期(Duty Cycle)等需求。

大多数的现代无线收发器都提供了休眠模式，因而在不使用时可以节省能量。装置处于休眠模式的时间越长，所消耗的电量就越少，就越能够延长电池寿命。然而，当评估装置的无线功耗预算时，不应仅将无线收发器电气规格中休眠状态的功耗资料当作唯一输入参数。无线收发器的唤醒时间、发送之前的预处理演算法以及重新返回休眠状态所需要的时间也会影响功耗，必须在计算整体无线功耗预算时将它包括在内。

无线传输的频率或工作周期将直接影响产品的电池寿命。工作周期在某种程度上由无线标准需求、软体演算法以及如何正常使用装置来决定。例如，大门感测器中的开/关事件将引起无线资料传输；然而，这种感测器也可能发送或者接收周期性的无线轮询事件，以便更新网状网路中的节点状态。图1提供对于该过程的概述。

图1：无线收发器在一次轮询事件中的动态电流消耗

切合实际的感测器设计

一般情况下，每一种应用都需要特定类型的感测器；一氧化碳(CO)检测器需要CO感测器、烟雾探测器需要电离(ionization)或光电感测器、动作检测器需要焦电型红外线感测器(PIR)等等。一旦选择好感测器的类