在@@本篇白皮书中@@@@，Silicon Labs（亦称@@“芯科科技@@”）将帮助开发人员逐步了解传感器@@的@@组件@@，并讨论每个组件在@@开发中@@所扮演的@@角色@@，包括其对性能的@@影响@@。我们还将探讨设计人员在@@开始任何传感器@@项目的@@设计时@@，应考虑的@@一些具体挑战和@@优先事项@@。
现在@@的@@科技世界让我们了解到@@，传感器@@能将数据转化为某种能力来简化我们的@@生活@@，进而构成物联网@@@@@@（IoT）的@@支柱@@。现代传感器@@几乎具有各种形状和@@尺寸@@@@，您现在@@也许就@@拥有集成了一个或@@者多个传感器@@的@@设备@@@@。从根本上@@来说@@，传感器@@的@@工作是@@获取光@@、温度或@@压力等数据@@，并使用这些数据以@@适当@@的@@方式作出回应@@。例如@@，当@@室温低于指定阈值时@@，恒温器就@@会打开加热器@@。传感器@@并非新生事物@@，毕竟恒温器已经使用了近@@140年@@。但随着互联设备@@的@@激增@@，连网@@传感器@@引发了一场技术@@革命@@，其在@@我们生活中@@的@@地位从便利提升为必需@@，可以@@使我们的@@家居更舒适@@，汽车更安全@@，咖啡供应更及时@@，业务更高效@@。
智能传感器@@几乎渗透到企业的@@每个角落@@，目前正在@@开发的@@最常见物联网@@@@传感器@@类型包括@@：
智能传感器@@的@@剖析@@
电池供电@@的@@传感器@@往往安装在@@印制电路板@@（PCB）上@@，这对构成传感器@@的@@许多组件会产生影响@@，包括天线和@@射频功能@@。我们不会花太多时间讨论@@PCB，但重要的@@是@@不要低估它对传感器@@性能的@@影响@@。
电池是@@传感器@@设计中@@的@@另一个关键要素@@，因为它必须提供所需的@@能量@@，同时具有足够的@@容量以@@使设计在@@所需的@@使用年@@限中@@维持运行@@。电池还影响着设备@@的@@尺寸@@要求@@。在@@理想情况下@@@@，只需使用更大的@@电池即可满足不断提高@@的@@性能要求或@@不断延长的@@使用寿命@@。但考虑到消费者对小型化产品@@的@@需求与@@日俱增@@，大尺寸@@电池并不符合实际需求@@。例如@@，如果门或@@窗的@@传感器@@要用@@D型电池@@，那么就@@会因体积太大导致使用受限@@；即使是@@@@AA或@@AAA型电池@@的@@体积也会给消费者带来问题@@。我们看到的@@趋势之一是@@@@，虽然设备@@变得越来越小@@，但电池寿命实际上@@在@@增加@@。
电池供电@@传感器@@的@@下@@一个重要组件是@@无线@@片上@@系统@@（SoC）。在@@以@@下@@方面优化@@SoC是@@至关重要的@@@@：
您还需要传感@@188足彩外围@@app 来执行传感器@@最初设计的@@功能@@。另一个重要组件是@@在@@传感器@@上@@运行的@@软件@@，它负责管理所有其他组件并驱动传感器@@内外的@@通信@@。
最后@@一个组件是@@外壳@@。外壳的@@形状和@@尺寸@@受电池尺寸@@的@@影响@@。它也会影响射频性能@@——某些塑料@@，甚至这些塑料着色时使用的@@染料@@，都可能影响设备@@的@@射频传输@@。
传感器@@开发常见的@@电池选项比较@@
图@@1的@@表格比较了开发人员在@@构建互联传感器@@时可选择@@的@@一些电池类型@@。我们可以@@看到@@，CR123A锂电池@@的@@电压@@@@为@@3.0V，适合单节电池为低压电路供电@@。这种电池具有相对较大的@@电容量@@，以@@及较大的@@体积@@。表中@@的@@第二款电池是@@体积稍小的@@@@CR2锂电池@@，同样具有@@3.0V的@@额定电压@@@@，但电容量稍低且尺寸@@较小@@。第三种类型是@@@@CR2032纽扣锂电池@@@@，它是@@列表中@@尺寸@@最小的@@@@，非常适合小体积传感器@@@@。
图@@1 智能传感器@@开发中@@常见的@@电池选项比较@@
最后@@两种电池类型@@（碱性@@AA和@@碱性@@@@AAA）均具有相当@@大的@@容量@@，但与@@@@CR2032纽扣电池相比@@尺寸@@较大@@。这些电池只能产生@@1.5V的@@电压@@@@，这意味着需要两节电池才能产生与@@纽扣锂电池@@@@相同的@@@@3V电压@@。因此@@，除非设计需要非常大的@@电容量@@，否则@@@@，选择@@纽扣电池具有最直接的@@优势@@，因为它支持最小尺寸@@的@@外形设计@@。
纽扣锂电池@@@@还有另一个需要考虑的@@特性@@：这种电池类型可提供的@@最大脉冲负载或@@放电@@。在@@上@@面的@@图@@@@1中@@，您可以@@看到@@CR2032具有的@@最大脉冲放电能力非常低@@，其他纽扣锂电池@@@@同样如此@@。虽然这个数值表明了纽扣电池可以@@提供的@@最大脉冲负载@@，但其电容量也会相应显著降低@@。
纽扣锂电池@@@@的@@内阻较大@@，请参见图@@@@2中@@的@@两个例子@@。左边是@@仅由电池供电@@的@@电路@@@@，右边是@@由电池和@@电源管理@@IC供电的@@电路@@。纽扣锂电池@@@@上@@的@@高峰值电流会引起或@@产生压降@@，从而导致电路断电甚至复位@@。此外@@，从纽扣锂电池@@@@汲取高峰值电流会显著降低电池寿命@@。传统上@@@@，这些缺点是@@通过添加一个非常大的@@电容器@@来解决@@。左图@@显示了并联大电容器@@的@@纽扣锂电池@@@@进行高功率射频传输所产生的@@脉冲放电@@。在@@这个示例中@@@@，脉冲峰值为@@38.5mA。任何超过@@15mA的@@电流都会降低纽扣电池的@@使用寿命@@，这种状况并不理想@@。右图@@可以@@看到同样的@@高功率射频传输@@，但在@@@@这里@@，同一个纽扣锂电池@@@@由芯科科技@@@@EFP01节能电源管理@@IC（PMIC）进行管理@@。不仅峰值放电从@@38.5mA减少到仅@@11.8mA，而且可以@@使用更小的@@@@47µF电容器@@。
图@@2 不同电池类型下@@的@@最大脉冲负载或@@放电@@
无线@@SoC以@@及为何芯科科技@@处于领先地位@@
构建电池供电@@传感器@@的@@下@@一个重要考虑因素是@@无线@@@@SoC，这是@@传感器@@的@@核心@@。图@@3比较了芯科科技@@第一代@@（Series 1）和@@第二代@@（Series 2）无线@@开发平台的@@@@EFR32无线@@Gecko产品@@：第一代和@@第二代@@平台均提供了多种面向广泛应用的@@低功耗@@、多频段@@@@、多协议产品@@选项@@。第二代平台对核心部分进行了重大更新@@，集成了专用的@@加密安全内核@@。
图@@3 无线@@Gecko拥有更大的@@内存@@，提供包括无线@@软件更新在@@内的@@功能@@，可支持应用的@@增强和@@不断升级的@@协议需求@@
从图@@@@3的@@左侧开始@@，EFR32xG1和@@EFR32xG14非常适合在@@@@2.4 GHz或@@sub-GHz运行的@@单协议电池供电@@设备@@@@。图@@中@@的@@第二款是@@@@EFR32xG13产品@@，非常适合同样在@@@@2.4 GHz或@@sub-GHz运行的@@单协议和@@动态多协议电池供电@@设备@@@@。其次@@，EFR32xG12非常适合在@@@@2.4 GHz运行的@@动态多协议电池供电@@设备@@@@。最后@@是@@@@EFR32xG22，该产品@@非常适合在@@@@@@2.4 GHz运行的@@单协议和@@动态多协议电池供电@@设备@@@@。芯科科技@@的@@所有@@SoC均结合了节能型微控制器和@@高度集成的@@无线@@电@@接收器@@。
SoC的@@运行模式会影响电池容量@@，并最终影响电池的@@寿命@@。对于典型的@@无线@@接触式传感器@@@@，电池寿命主要取决于睡眠电流@@。
图@@4 与@@其他事件相比@@@@，睡眠对电流的@@影响最大@@
您可以@@在@@图@@@@@@4中@@看到睡眠的@@影响有多大@@。在@@电池的@@生命周期中@@@@，应用程序事件@@、数据轮询@@，甚至电池的@@自放电或@@无线@@升级@@，都无法与@@睡眠的@@能耗相比@@@@。在@@芯科科技@@的@@产品@@中@@@@，能量模式分为@@EM0（活动@@）、EM2（保留@@RAM的@@睡眠@@）、EM3（停止@@）和@@EM4（休眠@@）。EM4提供最低的@@睡眠@@电流@@，但从@@EM4唤醒需要较长的@@时间@@。这很难满足@@Zigbee、Thread等协议标准的@@认证要求@@。
EM2在@@睡眠电流和@@唤醒时间之间实现了合理的@@折衷@@。以@@EFR32xG22的@@EM2与@@EM4模式比较为例@@，在@@某种情况下@@@@，EM4消耗了@@130纳安的@@电流@@，但需要@@8.8毫秒才能唤醒@@；EM2消耗了@@1.9微安电流@@，但可实现@@13.2微秒的@@极快速唤醒时间@@。
在@@无线@@系统中@@@@，通信范围由收发器的@@接收灵敏度@@和@@输出功率决定@@。从发送器向接收器传输的@@角度来看@@，这一般被称为链路预算@@。通信数据速率也会影响灵敏度@@。在@@图@@@@5中@@，您可以@@看到@@，随着数据速率降低@@，接收带宽变窄@@，导致无线@@电@@灵敏度增高@@。一种常见的@@技术@@是@@调整系统中@@的@@发射功率@@以@@匹配所需的@@最佳范围@@，而不必消耗更多的@@能量@@。
图@@5 调整每个节点的@@输出功率可以@@确保有足够的@@链路预算来提供所需的@@通信范围@@
频谱对物联网@@@@传感器@@运行的@@影响@@
广泛应用的@@无线@@设备@@主要使用工业@@@@、科学和@@医疗@@（ISM）频段@@。ISM频谱可分为两个频段@@@@：sub-GHz和@@2.4 GHz。与@@2.4 GHz相比@@，sub-GHz有很多优势@@，包括路径损耗@@。路径损耗是@@指信号传输一定距离时功率的@@减少@@。例如@@，当@@2.4 GHz信号在@@空气中@@传输@@10米时@@，路径损耗为@@60dB。相比@@而言@@，900 MHz信号同样传输@@10米的@@路径损耗为@@@@51.5dB。就@@900 MHz信号而言@@，损耗降低了@@8.5dB。
图@@6 工业@@、科学和@@医疗@@（ISM）频谱可分为两个频段@@@@：sub-GHz和@@2.4 GHz
2.4 GHz信号具有高数据速率@@，可轻松超过@@1 MB/s。2.4 GHz也可使用小型天线@@，其尺寸@@还不到@@900 MHz天线的@@三分之一@@，然而它的@@通信范围有限@@。2.4 GHz频谱也非常拥挤@@，并且容易受到@@Wi-Fi和@@蓝牙等设备@@的@@大量干扰@@。相对而言@@，sub-GHz无线@@电@@的@@覆盖范围远高于@@2.4 GHz无线@@电@@——sub-GHz无线@@电@@的@@覆盖范围可达数千米@@，并且功耗较低@@，只需单个电池即可运行多年@@@@。
我们知道@@，通信范围取决于发射功率@@@@、接收器灵敏度和@@数据速率@@。但范围也会受到天线选择@@的@@影响@@，因此@@为了让您的@@特定设计能够选择@@合适的@@天线@@，了解其特性并作出权衡是@@非常重要的@@@@。在@@电池供电@@的@@传感器@@应用中@@@@，尺寸@@、辐射方向图@@@@（radiation pattern）、设计简易性@@、可制造性和@@成本都应该考虑@@。
在@@图@@@@7中@@，您可以@@看到@@左侧是@@偶极@@天线@@。这是@@一种差分结构@@，通常从一端到另一端的@@长度是@@半波长@@。这种类型的@@天线应远离接地层以@@及任何金属和@@导电物体@@。偶极@@天线可轻松匹配@@50欧姆的@@阻抗@@，但在@@@@900 MHz下@@，其长度将超过@@6英寸@@，因此@@很难在@@小型电池@@供电@@传感器@@中@@使用@@。
图@@7 偶极@@、单极和@@环形天线的@@比较@@
另一种类型的@@天线@@（如图@@@@7中@@间所示@@@@）是@@1/4波长的@@单极天线@@。这种类型的@@天线也很容易和@@@@50欧姆电阻相匹配@@。单极天线的@@设计非常简单@@，且只需改变天线的@@长度即可调节其谐振频率@@。当@@物理尺寸@@可接受时@@，这种类型的@@天线是@@一个很好的@@解决方案@@。例如@@，在@@900 MHz频率下@@@@，如果存在@@接地层@@，则@@1/4波长的@@天线长度约为@@3英寸@@。如图@@@@7右侧所示@@的@@天线是@@一种环形天线@@，从电力上@@说@@，其可以@@有两种尺寸@@@@：小型环形天线和@@大型环形天线@@。对于电池供电@@的@@传感器@@等设备@@@@，只能考虑小型环形天线@@，因为大型环形天线的@@周长接近一个波长@@，对于在@@@@900 MHz频段@@工作的@@设备@@来说@@，周长约为@@12英寸@@。小型环形天线的@@带宽非常窄@@，这对产品@@的@@选择@@性来说是@@有利的@@@@，但也使调频能力变得至关重要@@。但一旦调频确定@@，其就@@不容易因手持影响或@@附近物体等因素而失谐@@，因此@@非常适合手持设备@@@@。
螺旋天线可由任何导电材料制成@@。小型螺旋天线以@@与@@螺旋轴成直角的@@形式工作@@，在@@将一种小型螺旋天线设计到设备@@中@@时必须考虑这一点@@，因为天线会从电路板上@@突出@@。这类天线使用起来也很棘手@@，因为它们的@@阻抗取决于许多参数@@，包括线圈的@@直径@@、环路的@@节距@@、缠绕的@@紧密程度@@、线圈的@@长度以@@及它的@@工作频率@@。
这些参数的@@任何变化@@，甚至包括人在@@内的@@附近物体@@，都可能使螺旋天线失谐@@（detune）。但从@@尺寸@@的@@角度来看@@，螺旋天线可以@@非常小@@。事实上@@@@，如果缠绕得足够紧@@，它可以@@比相同频率的@@单极天线短得多@@。图@@8右侧显示的@@天线是@@芯片天线@@，这是@@最小的@@天线@@，其设计可用于从@@300 MHz直至@@2.5 GHz的@@频率@@。芯片天线的@@带宽非常窄@@，必须按照精确的@@频率@@制造@@。这可能是@@最昂贵的@@天线解决方案@@，通常用于表面贴装器件@@。
图@@8 最后@@要考虑的@@两种天线是@@螺旋天线和@@芯片天线@@
传感器@@软件和@@智能传感器@@的@@大脑@@
传感器@@上@@运行的@@软件对于打造可靠@@、稳健@@、易于开发且安全的@@设备@@至关重要@@。芯科科技@@为电池供电@@的@@设备@@提供了多种@@SoC选择@@，它们都共享一款名为@@Simplicity Studio的@@通用开发环境@@。正如图@@@@@@9所示@@，平台组件包括多任务操作系统@@（OS）、Vault Security和@@无线@@电@@抽象接口层@@（RAIL）。RAIL为底层硬件提供了一个接口层@@，由此您可以@@通过抽象寄存器的@@所有复杂内容@@，以@@及抽象设置无线@@电@@底层硬件所需的@@详细信息@@，来简化和@@缩短开发流程@@。
图@@9 无线@@SoC上@@运行的@@软件采用模块化设计@@，其中@@较高级别的@@功能被分层@@，或@@构建在@@较低的@@层级之上@@@@
位于该平台之上@@的@@是@@协议栈@@@@，负责实现各种协议的@@所有复杂功能@@。例如@@，Zigbee协议栈@@、Z-Wave协议栈@@、Thread协议栈@@和@@蓝牙协议栈@@@@。位于协议之上@@的@@是@@应用层@@，负责向上@@方的@@应用软件开放各种@@API或@@编程接口@@，以@@便它们可以@@连接到下@@方的@@协议栈@@@@。这样上@@面的@@应用层就@@能够使用协议栈@@提供的@@功能@@。最后@@，程序模块中@@的@@操作系统与@@这些上@@层均有接口@@，因为该操作系统负责定时器@@、任务间通信@@、同步@@、调度@@、中@@断@@、异常和@@任务分派@@。
图@@10 芯科科技@@无线@@@@SoC支持所有主要生态系统使用的@@最流行的@@协议@@。无论是@@@@Zigbee、Z-wave、蓝牙还是@@@@Thread，您都可以@@针对主要生态系统进行设备@@开发@@
芯科科技@@EFR32无线@@Gecko产品@@将电源管理@@、安全性和@@多协议支持集成于一体@@，可帮助开发人员满足物联网@@@@传感器@@设计的@@要求@@。想要了解更多信息@@，请访问链接@@：https://www.silabs.com/wireless/technology
本文同步@@刊载于@@EDN China杂志@@
来源@@：SiliconLabs