物联网传感器剖析：关键要素和设计考量

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。点击文末的阅读原文按钮或复制链接获取完整内容：https://www.silabs.com/whitepapers/smart-sensor-design-and-anatomy-lesson

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：

• 接收灵敏度

• 发射功率

• 具有合适的处理器速度

• 具有足够的闪存和随机存取内存（RAM）来运行通信协议

您还需要传感元件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2.4GHz。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

2.4GHz信号具有高数据速率，可轻松超过1 MB/s。2.4GHz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

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原文标题：物联网传感器剖析：关键要素和设计考量

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