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。

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

安全傳感器電池壽命代表SMA解決方案在實用性，成本效益和市場接受度方面的關鍵考慮因素，在包括無線通信范圍，互操作性，認證，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)絡解決方案的領導者。除安全傳感器外，它還為各種低功耗ZigBee設備開發(fā)了業(yè)界領先的解決方案，包括燃氣表，門鎖和電池供電的恒溫器。 iControl是SMA解決方案的領先提供商，使BSP能夠為其客戶推出下一代服務。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重要的傳感器和無線電操作，并預計電池壽命將超過三年。這些結(jié)果是通過iControl利用Ember業(yè)界領先的EM357 ZigBee片上系統(tǒng)（SoC），微調(diào)iControl的安全傳感器網(wǎng)絡操作以及Ember的ZigBee軟件中的軟件優(yōu)化來實現(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)不可靠的軟件基礎設施與業(yè)界唯一的“一體化”SMA觸摸屏 - 將報警系統(tǒng)，通信網(wǎng)關和家庭自動化平臺集成到一個設備中。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)絡基礎設施，如圖1所示。

圖1：Ember ZigBee網(wǎng)絡軟件。

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。它們要么關閉要么開放; Ember EM357上的通用輸入輸出（GPIO）線用于檢測開關的狀態(tài)。雙擲開關在檢測到門或窗打開或關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：監(jiān)視門窗狀態(tài)的簡單開關機制一個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)介紹了每種運行狀態(tài)以及如何測量每種運行狀態(tài)的平均電流。

穩(wěn)態(tài)運行

穩(wěn)態(tài)運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，因為它可以用于穩(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。為了準確計算由鋰電池供電的設備的電池壽命，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)部化學反應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，并使電池在實際投入使用時的電量低于預期。為了模擬自放電，該團隊增加了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。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.此值由應用程序定義，但可以調(diào)整此變量以適應不同的安全方案。同樣，數(shù)據(jù)輪詢率設置為每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，請應用以下公式：

因此，Ember和iControl實現(xiàn)了最初的目標，即基于目前可用于推廣給消費者的技術(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SMA平臺功能并滿足寬帶服務提供商的要求。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)境中的實際維護考慮因素。

通過優(yōu)化與電流和能耗相關的所有參數(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設備的電池壽命。