物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的電池壽命計(jì)算

e絡(luò)盟大中華區(qū)銷售總監(jiān)朱偉弟

一些小型“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。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(jì)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(jì)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(jì)的處理器提供了各種超低功耗睡眠模式。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。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(huì)選擇保留緩存，以減小處理活動(dòng)模式所需要的周期。

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。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(huì)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318 μA。雖然可能看起來不太多，但是這個(gè)電流變化會(huì)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(gè)必須要做的決定是使用片上設(shè)備，還是選擇單獨(dú)的芯片來進(jìn)行通信。

通信接口管理至關(guān)重要，因?yàn)榧词故堑凸耐ㄐ偶夹g(shù)也會(huì)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(shí)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。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(gè)很好的解決方案：該設(shè)備在室溫下精確到±0.25 ℃，僅消耗60 μA。不論選擇哪種傳感器，都需保證只有在使用它們時(shí)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(gè)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?yàn)樗鼪Q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(xiǎn)。這又會(huì)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(fèi)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(huì)對電池壽命產(chǎn)生巨大的影響。

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(shí)間。使用脈沖電流會(huì)導(dǎo)致輸出電壓下降。工程師們往往更重視電池的電量存儲(chǔ)，而忽視消耗。然而，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用通常需要以單個(gè)電池運(yùn)行多年，因此保質(zhì)期非常關(guān)鍵。

最大限度延長電池壽命