物聯網應用中的電池壽命計算

從公共汽車站的標牌到聯網的復雜工業系統，大部分電子系統的設計方式因互聯網而發生了極大的改變。其中，最大的變化或許是引入了收集數據并將信息傳遞至云端的傳感器系統。
 
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行供電。
 
對于許多應用而言，能量采集裝置是最可行的解決方案。如果設備設計成較低功耗，而能量采集裝置可獲取較多能量，則設備有可能實現無限期運行。
 
然而，由于有限的能源獲取或過大的系統能源需求，許多應用不適用該方法。在這種情況下，需要通過電池來為系統供電。
 
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網設備的自身成本更高。因此，估算電池壽命至關重要。
 
影響電池壽命的因素
物聯網設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品的總體擁有成本。
 
電池通常是物聯網傳感器系統的最大組成部分，而工程師可以選擇的范圍很小。然而，采用大量的處理器、通信技術和軟件算法，系統可以通過設計達到所需的使用壽命。
 
物聯網處理器睡眠模式
為物聯網應用而設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顯示了設備在不同工作狀態下的電流消耗。從關機到主動運行有6個功耗級別。

除非數據采樣的頻率非常低，否則關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，徒增成本和復雜性。此外，待機模式的電流消耗小于3μA，電池放電至少需要八年：比許多物聯網設備的使用壽命更長，也幾乎達到了CR2032電池的保存期限。因此，完全關閉處理器往往無益。
 
選擇適當的待機模式很重要。最低功耗待機模式消耗的電流是最高功耗模式的三分之一左右，但只節省了極少的處理器空間。雖然某些物聯網應用需要選擇最低功耗的睡眠模式，但是多數應用會選擇保留緩存，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節平衡。圖1顯示了由于該類型的物聯網處理器使用的CMOS技術，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用，在喚醒期間減慢時鐘來獲取更長的代碼執行時間以降低功耗，可以延長電池壽命。同樣地，在返回待機模式之前盡量減少喚醒操作次數并執行盡可能多的任務也可以延長電池壽命。
 
現代物聯網設備是非常復雜的產品，集成了許多外設，使單芯片解決方案能夠滿足不同的需求。然而，通常物聯網設備—特別是簡單的傳感器—并不需要這些復雜的功能。

圖2顯示了TI CC2650MODA系列中可用外設的功耗。盡管各種設備消耗的電流非常小—僅幾十或幾百微安的程度—但是禁用這些設備可能會產生重大影響。如果不需要進行串行連接，則可以節省總共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生重大影響。
 
物聯網通信技術
選擇正確的通信技術通常取決于系統要求。電池供電的物聯網系統，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據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通常是明智的選擇。
 
而對于物聯網傳感器，目前有幾種主流技術。例如，LoRa技術可以構建覆蓋數公里范圍的低功耗、遠距離廣域網（WAN），而低功耗藍牙（BLE）技術僅能在短距離通信，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備，還是選擇單獨的芯片來進行通信。
 
通信接口管理至關重要，因為即使是低功耗通信技術也會很快耗盡電池，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，許多物聯網系統只有在積累了足夠多的數據值得進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
傳感器可以對物聯網系統的電池壽命產生重大影響。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用可以使用分壓器，但是高精度系統需要電流源，這需要更多的電量。對于許多應用來說，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。
 
用于物聯網的電池技術
電池選擇存在一個問題，許多電池的規格非常有限。除物理尺寸和輸出電壓之外，通常唯一指定的其他參數就是容量。電池容量顯然非常關鍵，因為它決定了物聯網設備可用的總電量。
 
電池質量對容量有重大影響。簡單設定某一型號有可能冒著購入低容量便宜設備的風險。這又會縮短物聯網應用的電池壽命，并帶來昂貴的電池更換費用。也可能使用了不同化學物質構成的電池：而不同的化學成分會對電池壽命產生巨大的影響。
 
許多電池隨附的簡要數據表很容易讓人輕信電池是非常簡單的設備，電池的容量也是固定的，但事實并不如此。例如，如果負載需要更大電流，則壽命會顯著縮短。更重要的是，對于某些應用來說隨著溫度的下降，電池的容量也會大大縮小。
 
物聯網應用使用脈沖電流。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。使用脈沖電流會導致輸出電壓下降。圖3顯示即使2mA的脈沖負載也會使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，物聯網應用通常需要以單個電池運行多年，因此保質期非常關鍵。大部分電池只提供七至八年的保質期。
 
結論：最大限度延長電池壽命
開發由電池供電的物聯網設備需要嚴謹的工程設計。雖然組件選擇很重要，但是糟糕的設計會削弱低功耗處理器的優勢。延長電池壽命的關鍵是確保處理器盡可能地處于低功耗待機模式，并盡可能減少使用無線通信。
 
在這一背景下，e絡盟開發了一款計算器，幫助用戶快速、輕松地預測物聯網系統的電池壽命（圖4）。用戶只需輸入其處理器、通信設備、傳感器和電池的相關參數，以及軟件操作的關鍵細節，該計算器就能預測出物聯網設備的電池壽命。