物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的電池壽命計算

 從公共汽車站的標(biāo)牌到聯(lián)網(wǎng)的復(fù)雜工業(yè)系統(tǒng)，大部分電子系統(tǒng)的設(shè)計方式因互聯(lián)網(wǎng)而發(fā)生了極大的改變。其中，最大的變化或許是引入了收集數(shù)據(jù)并將信息傳遞至云端的傳感器系統(tǒng)。

這些小型“器件”通常無法連接主電源，這意味著它們必須通過電池或能量采集裝置進(jìn)行供電。

對于許多應(yīng)用而言，能量采集裝置是最可行的解決方案。如果設(shè)備設(shè)計成較低功耗，而能量采集裝置可獲取較多能量，則設(shè)備有可能實現(xiàn)無限期運行。

然而，由于有限的能源獲取或過大的系統(tǒng)能源需求，許多應(yīng)用不適用該方法。在這種情況下，需要通過電池來為系統(tǒng)供電。

遺憾的是，電池需要不斷更換，而更換電池的成本往往比物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的自身成本更高。因此，估算電池壽命至關(guān)重要。

影響電池壽命的因素

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的電池壽命可通過簡單的計算來確定：電池容量除以平均放電速率。盡量降低設(shè)備使用的能量或增加電池容量將增加電池的使用壽命并降低產(chǎn)品的總體擁有成本。

電池通常是物聯(lián)網(wǎng)傳感器系統(tǒng)的最大組成部分，而工程師可以選擇的范圍很小。然而，采用大量的處理器、通信技術(shù)和軟件算法，系統(tǒng)可以通過設(shè)計達(dá)到所需的使用壽命。

物聯(lián)網(wǎng)處理器睡眠模式

為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用而設(shè)計的處理器提供了各種超低功耗睡眠模式。

以TI CC2650MODA無線微控制器為例。圖1顯示了設(shè)備在不同工作狀態(tài)下的電流消耗。從關(guān)機(jī)到主動運行有6個功耗級別。

除非數(shù)據(jù)采樣的頻率非常低，否則關(guān)閉處理器幾乎沒有什么好處。而且需要額外的電路和代碼來重新啟動處理器，徒增成本和復(fù)雜性。此外，待機(jī)模式的電流消耗小于3μA，電池放電至少需要八年：比許多物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的使用壽命更長，也幾乎達(dá)到了CR2032電池的保存期限。因此，完全關(guān)閉處理器往往無益。

選擇適當(dāng)?shù)拇龣C(jī)模式很重要。最低功耗待機(jī)模式消耗的電流是最高功耗模式的三分之一左右，但只節(jié)省了極少的處理器空間。雖然某些物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需要選擇最低功耗的睡眠模式，但是多數(shù)應(yīng)用會選擇保留緩存，以減小處理活動模式所需要的周期。

活動模式下的處理工作需調(diào)節(jié)平衡。圖1顯示了由于該類型的物聯(lián)網(wǎng)處理器使用的CMOS技術(shù)，功耗會隨時鐘頻率呈線性增加。因此，更快的時鐘速度似乎意味著更短的電池壽命，但是由于“基本”電流為1.45mA，所以在較快的時鐘速度下運行相同算法需要較短的喚醒時間，意味著放慢時鐘并不劃算，實際上卻縮短了電池壽命。

此外從一種模式切換到另一種模式的喚醒時間也是有限的：例如，CC2650MODA從待機(jī)切換到活動模式需要151μs。在48 MHz的最大時鐘頻率下，需要消耗超過7000個時鐘周期的電量，來喚醒處理器。對于僅需要少量代碼的應(yīng)用，在喚醒期間減慢時鐘來獲取更長的代碼執(zhí)行時間以降低功耗，可以延長電池壽命。同樣地，在返回待機(jī)模式之前盡量減少喚醒操作次數(shù)并執(zhí)行盡可能多的任務(wù)也可以延長電池壽命。

現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備是非常復(fù)雜的產(chǎn)品，集成了許多外設(shè)，使單芯片解決方案能夠滿足不同的需求。然而，通常物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備—特別是簡單的傳感器—并不需要這些復(fù)雜的功能。

圖2顯示了TI CC2650MODA系列中可用外設(shè)的功耗。盡管各種設(shè)備消耗的電流非常小—僅幾十或幾百微安的程度—但是禁用這些設(shè)備可能會產(chǎn)生重大影響。如果不需要進(jìn)行串行連接，則可以節(jié)省總共318μA。雖然可能看起來不太多，但是這個電流變化會對電池壽命產(chǎn)生重大影響。

物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)

選擇正確的通信技術(shù)通常取決于系統(tǒng)要求。電池供電的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，往往需要使用射頻鏈路。

就無線通信而言，更大的范圍或更快的數(shù)據(jù)傳輸速率通常需要消耗更多的能量，因此滿足這些需求的最低功耗通信技術(shù)通常是明智的選擇。

而對于物聯(lián)網(wǎng)傳感器，目前有幾種主流技術(shù)。例如，LoRa技術(shù)可以構(gòu)建覆蓋數(shù)公里范圍的低功耗、遠(yuǎn)距離廣域網(wǎng)(WAN)，而低功耗藍(lán)牙(BLE)技術(shù)僅能在短距離通信，但是消耗的電量大幅度減少。另一個必須要做的決定是使用片上設(shè)備，還是選擇單獨的芯片來進(jìn)行通信。

通信接口管理至關(guān)重要，因為即使是低功耗通信技術(shù)也會很快耗盡電池，并且處理要求通常高于射頻階段。

為了最大限度地利用通信電池的容量，許多物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)只有在積累了足夠多的數(shù)據(jù)值得進(jìn)行傳輸時才喚醒通信電路。

選擇傳感器以最大限度延長電池壽命

傳感器可以對物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的電池壽命產(chǎn)生重大影響。例如電阻溫度檢測器和熱敏電阻可以隨溫度改變其電阻。精確度不高的簡單應(yīng)用可以使用分壓器，但是高精度系統(tǒng)需要電流源，這需要更多的電量。對于許多應(yīng)用來說，諸如TI LM35DZ的集成溫度傳感器是一個很好的解決方案：該設(shè)備在室溫下精確到±0.25°C，僅消耗60μA。不論選擇哪種傳感器，都需保證只有在使用它們時才能獲取電力。

用于物聯(lián)網(wǎng)的電池技術(shù)

電池選擇存在一個問題，許多電池的規(guī)格非常有限。除物理尺寸和輸出電壓之外，通常唯一指定的其他參數(shù)就是容量。電池容量顯然非常關(guān)鍵，因為它決定了物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備可用的總電量。

電池質(zhì)量對容量有重大影響。簡單設(shè)定某一型號有可能冒著購入低容量便宜設(shè)備的風(fēng)險。這又會縮短物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的電池壽命，并帶來昂貴的電池更換費用。也可能使用了不同化學(xué)物質(zhì)構(gòu)成的電池：而不同的化學(xué)成分會對電池壽命產(chǎn)生巨大的影響。

許多電池隨附的簡要數(shù)據(jù)表很容易讓人輕信電池是非常簡單的設(shè)備，電池的容量也是固定的，但事實并不如此。例如，如果負(fù)載需要更大電流，則壽命會顯著縮短。更重要的是，對于某些應(yīng)用來說隨著溫度的下降，電池的容量也會大大縮小。

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用使用脈沖電流。處理器和傳感器可以抽取幾毫安的短脈沖電流，然后切換到低功耗模式并維持很長時間。使用脈沖電流會導(dǎo)致輸出電壓下降。圖3顯示即使2mA的脈沖負(fù)載也會使CR2032的輸出從3V下降到2.2V左右。

工程師們往往更重視電池的電量存儲，而忽視其消耗。然而，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用通常需要以單個電池運行多年，因此保質(zhì)期非常關(guān)鍵。大部分電池只提供七至八年的保質(zhì)期。

結(jié)論：最大限度延長電池壽命

開發(fā)由電池供電的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備需要嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓こ淘O(shè)計。雖然組件選擇很重要，但是糟糕的設(shè)計會削弱低功耗處理器的優(yōu)勢。延長電池壽命的關(guān)鍵是確保處理器盡可能地處于低功耗待機(jī)模式，并盡可能減少使用無線通信。

在這一背景下，e絡(luò)盟開發(fā)了一款計算器，幫助用戶快速、輕松地預(yù)測物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的電池壽命(圖4)。用戶只需輸入其處理器、通信設(shè)備、傳感器和電池的相關(guān)參數(shù)，以及軟件操作的關(guān)鍵細(xì)節(jié)，該計算器就能預(yù)測出物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的電池壽命。