在无线传感器节点中实现超长电池使用寿命

随着物联网 （IoT） 的不断延伸，对于无线传感器节点的需求也在不断地增长。在IoT网络中集成了很多不同的传感器类型：温度、湿度、压力和环境光，不胜枚举。随着在IoT网络中增加感测功能的需要不断增加，传感器节点的电池使用寿命也变得越来越重要。

比如说，如果要通过安装无线传感器节点，把一幢商用建筑变为智能楼宇的话，我们可以想象得到的是，也许需要安装数千个无线传感器节点来与不同的设备进行链接，如恒温器、烟雾和火灾检测器，以及诸如此类的设备。由于不可能为每个节点铺设供电线路，所以必须使用电池来充当电源。然而，为所有这些无线传感器节点更换数以千计的电池可是一项大工程。

为了降低与电池养护相关的成本，并且减少与之相关的工作量，确保每个无线传感器节点具有尽可能长的电池使用寿命也就变得很有必要了。大多数常见无线传感器节点采用占空比的方法来延长电池寿命。在这种运行机制中，节点加电，记录传感器的测量值，将数据无线发送至中央集线器或网关，然后自行关闭，或者使用低功耗模式或负载开关来关闭。影响整个系统电池寿命的主要因素是接通状态持续时间，接通状态平均电流，关闭状态持续时间和关闭状态平均电流。

一个针对湿度和温度传感器节点 （TIDA-00374） 的TI Design参考设计演示了一个对无线传感器节点进行占空比操作的经优化方法。一个纳米级功耗系统定时器和超低功率泄露负载开关替代了内部无线微控制器 （MCU） 系统定时器，来控制何时为无线MCU和传感器节点供电。一个无线MCU读取具有集成温度传感器的湿度传感器，以搜集环境数据。一旦环境数据被发送，无线MCU通知纳米级系统定时器来断开无线MCU和湿度传感器的电源。图1中显示的是这款TI Design的系统方框图。

图1.针对星形网络的湿度和温度传感器节点，可由纽扣电池供电运行10年以上

这个参考设计优化了整个系统电池的使用寿命，其原因是纳米级功耗系统定时器和超低泄露负载开关将关闭状态平均电流减少到数十毫微安培，低于大多数常见MCU关断模式下的电流值。此外，这个参考设计中使用的无线MCU和湿度传感器功耗极低，从而将接通状态下的平均电流减少到5mA以下。由于传感器测量和无线数据传送只需大约30ms的时间即可完成，在每分钟测量一次时，据估算，整个系统电池的使用寿命为10.5年。

随着IoT网络越来越普及，这个使用纳米级功耗系统定时器的占空比架构使得无线传感器节点现实可行。随着系统电池使用寿命比电池本身的保质期都要长，这款TI Design参考设计表现出无线传感器节点在多种全新应用中的实用性。