安全传感器的电池寿命优化方案

安全传感器经常受到电池寿命短的困扰。通过将低功耗无线协议与低功耗处理器相结合，这不一定是一个问题。

宽带服务提供商（BSP），如有线和电信公司，正准备推出住宅安全服务 - 基于ZigBee无线规范 - 增强其当前的语音，视频和数据服务。 ZigBee使BSP能够提供一系列附加服务，例如安全，能源管理，照明控制和医疗保健应用，这些应用统称为安全，监控和自动化（SMA）服务。

安全传感器电池寿命代表SMA解决方案在实用性，成本效益和市场接受度方面的关键考虑因素，在包括无线通信范围，互操作性，认证，生态系统和现场可升级性在内的一系列因素中排名靠前。由Ember Corporation和iControl，Inc。开发的SMA解决方案专门用于延长接触式传感器的电池寿命。本文讨论了这种工程合作的结果。

Ember Corporation是基于ZigBee协议的低功耗无线网络解决方案的领导者。除安全传感器外，它还为各种低功耗ZigBee设备开发了业界领先的解决方案，包括燃气表，门锁和电池供电的恒温器。 iControl是SMA解决方案的领先提供商，使BSP能够为其客户推出下一代服务。除接触传感器外，iControl的SMA平台还集成了各种ZigBee传感器，包括运动传感器，烟雾报警器，玻璃破碎探测器，CO探测器，遥控钥匙，无线键盘，车库门开启器等。

基于事实上，普通住宅安全系统使用了七年，BSP通常要求接触传感器的初始产品提供至少三年的电池寿命，以及导致电池寿命延长七到十年的路线图。 》通过协作开发工作，Ember和iControl优化了对电池寿命至关重要的传感器和无线电操作，并预计电池寿命将超过三年。这些结果是通过iControl利用Ember业界领先的EM357 ZigBee片上系统（SoC），微调iControl的安全传感器网络操作以及Ember的ZigBee软件中的软件优化来实现的。展望未来，Ember已经确定大量其他软件优化将iControl的接触式传感器延长至十年以上的电池使用寿命。

iControl基于ZigBee的SMA平台基础知识

iControl开发的屡获殊荣的SMA平台对其开放，技术不可靠的软件基础设施与业界唯一的“一体化”SMA触摸屏 - 将报警系统，通信网关和家庭自动化平台集成到一个设备中。这些组件包括SMA TouchScreen控制台，各种安全传感器，以及与第三方设备（如恒温器，照明控制和门锁）的轻松集成。 Ember的ZigBee软件为整个系统提供双向无线网络基础设施，如图1所示。

图1：Ember ZigBee网络软件。

iControl的安全传感器

每个iControl安全传感器都是Ember EM357处理器，它基于32位ARM Cortex-M3处理器。 EM357是业界领先的ZigBee处理器，具有电流消耗和射频（RF）性能。

接触式传感器用于门窗安全。它们要么关闭要么开放; Ember EM357上的通用输入输出（GPIO）线用于检测开关的状态。双掷开关在检测到门或窗打开或关闭之前不会消耗电流。在深度睡眠期间，传感器仅消耗0.65μA，这来自EM357用于执行定期数据轮询的功率。

iControl接触传感器组件包括以下内容：

Ember EM357 ZigBee SoC功率放大器和低 - 噪声放大器电路簧片开关：监视门窗状态的简单开关机制一个CR2电池，额定电流为800 mAh

图2显示了iControl接触传感器。

图2：iControl接触传感器。

技术背景

在计算电池寿命时，有必要了解驱动功耗的四个因素：

运行状态传感器和无线电参数计算中使用的各种测量单位电池技术

运行状态

安全传感器执行的每个活动都属于两种类型的操作状态之一：稳态操作或周期性事件。本节介绍了每种运行状态以及如何测量每种运行状态的平均电流。

稳态运行

稳态运行是正常的空闲状态，传感器处于休眠状态时电流消耗最小。电流消耗是一致的，能量使用可以最佳地精确表示为μA。在计算电池寿命时，必须考虑两种不同的操作状态：

无线电休眠电流电池自放电

周期性事件

周期性事件在运行期间以不同的间隔发生;因此，它们的电流消耗不能直接测量，因为它可以用于稳态事件。相反，事件期间消耗的总能量以μC为单位测量，然后根据事件频率转换为平均电流。

下面的等式显示了这个计算：

有两个周期性事件的类型：

Ember EM357无线电传输Ember EM357数据调查

传感器和无线电参数

每个安全传感器都有一个传感器和一个无线电;两个组件都有不同的参数，影响电池寿命。这些参数以电流消耗或能量消耗计算;差异将在本节后面解释。表1总结了由Ember和iControl确定的无线电和传感器参数。

参数说明类型单位无线电参数无线电睡眠电流当无线电处于空闲状态时消耗的稳态电流稳态操作μA无线电传输完成所需的能量数据轮询操作并发送数据包周期事件μC数据轮询完成数据轮询操作和发送数据包所需的能量周期事件μC传感器参数传感器待机电流空闲时传感器消耗的稳态电流稳态操作μA事件能量给定传感器响应物理事件（例如开门）所需的能量周期事件μC表1：无线电和传感器参数。

测量单位

三个测量单位用于开发传感器电池寿命计算：μC，μA和mAh。根据表1，无线电和传感器事件以μA或μC表示，这取决于是否正在测量稳态电流（μA）或确定与特定时间间隔的事件相关联的电流（μC）。整体锂电池容量以mAh表示。

用库仑测量的事件可以很容易地转换为mAh。一个库仑（C）等于一安培秒（As）。库仑表示每秒一安培电流流过电路的电子数。例如，如果每次数据轮询为200μC，并且事件每秒发生一次，则平均电流为200μA。

电池技术

iControl制造的安全传感器由CR2锂电池供电。为了准确计算由锂电池供电的设备的电池寿命，必须考虑自放电和内部电阻。电池可以通过电路移动的电子总数称为其容量，单位为mAh。虽然这个容量是固定的，但电池寿命根据电池供电的操作而变化。

自放电是电池中的一种现象，其中内部化学反应减少电池的存储电荷而电极之间没有任何连接。自放电会缩短电池的保质期，并使电池在实际投入使用时的电量低于预期。为了模拟自放电，该团队增加了3.24μA的连续自放电电流。

电池的降额是为了解释在无线电操作期间变得非常重要的内部电阻。例如，iControl在其传感器中使用的锂电池从800 mAh降至600 mAh，以应对电池的内阻。

电池操作底漆：

考虑能耗的一种方法是考虑电池作为水箱，水的体积代表可供使用的总能量。通过连接到水箱的管道和水龙头以一定的速率排空水，这类似于电路的电流流动。任何可以减少或中断此流量的操作都会延长水在水箱中的剩余时间（或电池中剩余的能量）。

电池寿命计算

安全传感器电池的寿命通过划分来计算电池容量（以mAh表示）乘以总平均电流（以μA表示）。该公式如下所示：

总平均电流是关键因素;它是所有事件的总和，包括稳态和周期性，以及电池自放电。这个公式如下所示，其中我代表当前：

“技术背景”部分为所有用于测量和计算每个变量的工作奠定了基础。以下部分提供了这些公式中用于确定接触式传感器电池寿命的实际值。

接触式传感器电池寿命计算

如上所述，接触式传感器电池寿命的计算方法是将电池容量除以平均电流消耗。虽然通过降低电池容量来容易地估计电池容量，但是通过对由无线电和传感器发生的所有稳态和周期性事件求和来获得平均电流消耗。以下是这些事件的列表：

稳态操作

- 无线电睡眠电流

- 电池自放电

周期性事件

- 数据调查

- 无线电传输

总平均电流方程式如下：

每天的事件总数估计为100.此值由应用程序定义，但可以调整此变量以适应不同的安全方案。同样，数据轮询率设置为每27分钟一次，或每天53次轮询。

表2显示了这些事件中的每一个及其相应的值。

操作类型参数事件能量事件数平均电流稳定 - 状态无线电睡眠电流N/AN/A.65μA稳态电池自放电N/AN/A3.42μA周期性数据轮询1944μC53/天1.19μA周期性无线电传输1944μC100/天2.25μA表2：能量接触传感器组件消耗。

使用表2中的值：

要计算电池寿命，请应用以下公式：

因此，Ember和iControl实现了最初的目标，即基于目前可用于推广给消费者的技术，为接触式传感器获得超过三年的电池寿命。

结论

Ember和iControl合作开发传感器增强SMA平台功能并满足宽带服务提供商的要求。如本白皮书所示，此次合作的结果提供了传感器电池寿命，非常适合典型家庭安全环境中的实际维护考虑因素。

通过优化与电流和能耗相关的所有参数，延长电池寿命。 Ember的产品路线图包含各种软件优化，旨在改善所有电池供电的ZigBee设备的电池寿命。