如何最大限度地延长无线传感器的运行时间

家庭自动化、活动监视器、远程传感器节点和胎压监视器等应用使用小型电池运行，需要较长的运行时间。对无线磁性窗口报警传感器系统的讨论说明了在小型纽扣电池上获得长时间运行的挑战。该设计解决方案表明，集成微控制器和闪存的高性能四频多通道收发器有助于最大限度地延长远程无线传感器的电池运行时间。

介绍

电池运行时间是远程无线传感器的关键功能。无线传感器正变得无处不在，渗透到最多样化的应用中，如家庭自动化、活动监视器、远程传感器节点和胎压监视器，仅举几大类。运行时间要求从一年到二十年不等，对这些移动设备的设计提出了严峻的挑战。此设计解决方案将首先回顾一些运行时挑战的情况。其次，它将讨论无线传感器系统的典型实现及其缺点，最后，它将介绍一种新的超低功耗RF ISM收发器，有助于最大限度地延长远程无线传感器的电池运行时间。

运行时要求

例如，无线磁性窗户报警器和无线锁在家庭和酒店中越来越受欢迎。它们必须使用单个电池运行至少一年。在其他示例中，监控水和漏水、地震、气体、湿度和温度的远程抄表器需要自主运行长达 20 年。在每种情况下，远程系统都需要小巧且便宜，使用容量有限的非常小的电池运行，通常只使用几分之一安培小时 （Ah）。为了满足如此艰巨的运行时间要求，设计人员必须明智地使用传感器电池中的每个库仑。

典型传感器系统

典型的无线磁性窗口报警传感器系统（远程传感器子系统和中央控制台）如图2所示。为远程传感器子系统供电的 1.5V 纽扣电池由升压转换器调节。远程传感器子系统大部分时间处于深度睡眠模式，升压转换器和收发器处于关断状态。每当磁传感器激活时，子系统就会被唤醒（上拉电阻R和晶体管T），并将报警信号发送到智能收发器进行处理并将报警传输到中央控制台。

图2.无线磁性窗户报警传感器系统。

在远程传感器处于深度睡眠模式期间，需要消耗尽可能少的功率。在常规唤醒和不频繁的传输时间内，它可以吸收高达100mA的短脉冲电流。

壁挂式中央控制台的收发器与建筑物或现场的每个子系统进行无线通信。其收发器通过UART与负责控制整个系统的主控制器CPU通信。

电池运行时间

假设纽扣电池的容量为150mAh，运行时间要求为2年。数学非常简单：必须管理传感器操作，使其平均电流消耗不超过8.5μA（8.5μA x 365d/y x 24h/d x 2y = 150mAh）！这没什么可过的。

典型解决方案

目前可用的典型解决方案是在深度睡眠中消耗1μA电流，这仍然占用了12%的总电池运行时间！很明显，传感器中的每个组件都需要做得更好，才能将运行时损失降低到更可接受的水平。理想情况下，如果远程传感器保持低于此水平（100nA）一个数量级，则运行时损耗将降低到更可接受的1.2%。

超低功耗收发器

MAX7037 sub-1GHz、超低功耗、RF ISM收发器可以满足如此严格的要求。图 3 显示了其功能图。

图3.MAX7037功能框图

MAX7037为高性能、四频多通道收发器，集成8051微控制器、闪存和传感器接口。它支持 300MHz 至 930MHz 范围内的标准 ISM 频段，输出功率高达 10dBm。电源电压范围为 2.1V 至 5.5V，使其能够应对各种能源，例如太阳能电池、机电或热电能。在图2中，MAX7037取代了每个“收发器+ μC”模块。硬件实现的发送和接收例程使高效收发器系统能够实现无线故障安全多频段/多通道通信，具有先进的FSK（频移键控）和ASK（幅度移键控）协议功能。休眠模式允许轻松实现具有快速反应时间的低功耗应用。

无线单元的超低功耗解决方案

在事件驱动的无线传感器应用中，MAX7037大部分时间处于深度睡眠模式。在这种模式下，电流消耗为100nA （最大值）。当检测到事件时，传感器通常通过中断向微控制器发出信号。短数据包由微控制器形成，并以指定频率传输。数据包需要包含传感器的一些标识符，例如指示其状态的标志字节。它还需要错误检测或适用于数据包内容的某种校验和或其他错误检测代码。此外，数据包的第一个字节是数据包有效负载中的字节数。除了要求第一个字节指示有效负载的长度外，对数据包有效负载的内容没有限制。

使用的射频频率可以从标准sub-GHz ISM频率中选择;例如，315MHz 或 868MHz。根据系统部署在世界的哪个部分，应使用该区域的 ISM 频段。如果可以选择频率，最理想的是建筑物中使用的最低频率，因为较低频率的信号会更好地通过墙壁传播。但是，干扰因素可能会决定频率的选择。

使用我们之前提到的远程无线磁性窗口报警传感器示例，MAX7037将运行时间损耗从12%（3个月）降低到1.2%（9天）！

毫微功耗升压转换器

MAX17222毫微功耗升压转换器也是该应用的理想选择。凭借其 400mV 的最小输入操作，它可以从 1.5V 电池中汲取最后一滴能量。它还提供了一个 0.5A 峰值电感器电流限值和一个采用单个标准 1% 电阻器的可选输出电压。其新颖的真关断™模式可产生纳安级（典型值为 0.5nA）的漏电流，使其成为真正的毫微功耗器件。

中央控制台

中央控制台始终处于打开状态。主控制器CPU定期轮询位于同一位置的MAX7037，以检查是否收到数据包。收到数据包后，CPU 确认内容没有错误，如果是，则广播 ACK（确认）数据包。当远端子系统中的MAX7037收到带有ID的ACK时，返回深度睡眠模式。如果来自子系统的数据包出现错误，主控制器 CPU 将改为发送否定确认 （NAK）。如果在一定超时时间内未收到 ACK 或收到 NAK，子系统控制器将重新发送原始数据包。所描述的握手协议是一种可能的替代方法。当使用FSK调制时，MAX7037可以传输高达125kbps的数据。

结论

我们讨论了许多无线传感器系统中对电池运行时间的极其严格的要求。我们回顾了一个典型的无线应用系统，该系统由于深度睡眠模式下过度泄漏而浪费了12%的电池寿命。我们展示了使用MAX7037如何将运行时间损失从12%（3个月）降低到1.2%（9天）！MAX7037具有超低的100nA深度睡眠电流，可显著降低漏电流，有助于实现此类应用所需的长电池运行时间。

反过来，MAX17222毫微功耗升压转换器具有真关断模式，为MAX7037收发器提供理想的功率升压。

审核编辑：郭婷