物联网应用中的电池寿命计算

物联网应用中的电池寿命计算

延长电池寿命的关键是确保处理器尽可能地处于低功耗待机模式,并尽可能减少使用无线通信。

从公共汽车站的标牌到联网的复杂工业系统,大部分电子系统的设计方式因互联网而发生了极大的改变。其中,最大的变化或许是引入了收集数据并将信息传递至云端的传感器系统。

这些小型“器件”通常无法连接主电源,这意味着它们必须通过电池或能量采集装置进行供电。

对于许多应用而言,能量采集装置是最可行的解决方案。如果设备设计成较低功耗,而能量采集装置可获取较多能量,则设备有可能实现无限期运行。

然而,由于有限的能源获取或过大的系统能源需求,许多应用不适用该方法。在这种情况下,需要通过电池来为系统供电。

遗憾的是,电池需要不断更换,而更换电池的成本往往比物联网设备的自身成本更高。因此,估算电池寿命至关重要。

影响电池寿命的因素

物联网设备的电池寿命可通过简单的计算来确定:电池容量除以平均放电速率。尽量降低设备使用的能量或增加电池容量将增加电池的使用寿命并降低产品的总体拥有成本。

电池通常是物联网传感器系统的最大组成部分,而工程师可以选择的范围很小。然而,采用大量的处理器、通信技术和软件算法,系统可以通过设计达到所需的使用寿命。

物联网处理器睡眠模式

为物联网应用而设计的处理器提供了各种超低功耗睡眠模式。

以TI CC2650MODA无线微控制器为例。图1显示了设备在不同工作状态下的电流消耗。从关机到主动运行有6个功耗级别。

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除非数据采样的频率非常低,否则关闭处理器几乎没有什么好处。而且需要额外的电路和代码来重新启动处理器,徒增成本和复杂性。此外,待机模式的电流消耗小于3μA,电池放电至少需要八年:比许多物联网设备的使用寿命更长,也几乎达到了CR2032电池的保存期限。因此,完全关闭处理器往往无益。

选择适当的待机模式很重要。最低功耗待机模式消耗的电流是最高功耗模式的三分之一左右,但只节省了极少的处理器空间。虽然某些物联网应用需要选择最低功耗的睡眠模式,但是多数应用会选择保留缓存,以减小处理活动模式所需要的周期。

活动模式下的处理工作需调节平衡。图1显示了由于该类型的物联网处理器使用的CMOS技术,功耗会随时钟频率呈线性增加。因此,更快的时钟速度似乎意味着更短的电池寿命,但是由于“基本”电流为1.45mA,所以在较快的时钟速度下运行相同算法需要较短的唤醒时间,意味着放慢时钟并不划算,实际上却缩短了电池寿命。

此外从一种模式切换到另一种模式的唤醒时间也是有限的:例如,CC2650MODA从待机切换到活动模式需要151μs。在48 MHz的最大时钟频率下,需要消耗超过7000个时钟周期的电量,来唤醒处理器。对于仅需要少量代码的应用,在唤醒期间减慢时钟来获取更长的代码执行时间以降低功耗,可以延长电池寿命。同样地,在返回待机模式之前尽量减少唤醒操作次数并执行尽可能多的任务也可以延长电池寿命。

现代物联网设备是非常复杂的产品,集成了许多外设,使单芯片解决方案能够满足不同的需求。然而,通常物联网设备—特别是简单的传感器—并不需要这些复杂的功能。

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图2显示了TI CC2650MODA系列中可用外设的功耗。尽管各种设备消耗的电流非常小—仅几十或几百微安的程度—但是禁用这些设备可能会产生重大影响。如果不需要进行串行连接,则可以节省总共318μA。虽然可能看起来不太多,但是这个电流变化会对电池寿命产生重大影响。

物联网通信技术

选择正确的通信技术通常取决于系统要求。电池供电的物联网系统,往往需要使用射频链路。

就无线通信而言,更大的范围或更快的数据传输速率通常需要消耗更多的能量,因此满足这些需求的最低功耗通信技术通常是明智的选择。

而对于物联网传感器,目前有几种主流技术。例如,LoRa技术可以构建覆盖数公里范围的低功耗、远距离广域网(WAN),而低功耗蓝牙(BLE)技术仅能在短距离通信,但是消耗的电量大幅度减少。另一个必须要做的决定是使用片上设备,还是选择单独的芯片来进行通信。

通信接口管理至关重要,因为即使是低功耗通信技术也会很快耗尽电池,并且处理要求通常高于射频阶段。

为了最大限度地利用通信电池的容量,许多物联网系统只有在积累了足够多的数据值得进行传输时才唤醒通信电路。

选择传感器以最大限度延长电池寿命

传感器可以对物联网系统的电池寿命产生重大影响。例如电阻温度检测器和热敏电阻可以随温度改变其电阻。精确度不高的简单应用可以使用分压器,但是高精度系统需要电流源,这需要更多的电量。对于许多应用来说,诸如TI LM35DZ的集成温度传感器是一个很好的解决方案:该设备在室温下精确到±0.25°C,仅消耗60μA。不论选择哪种传感器,都需保证只有在使用它们时才能获取电力。

用于物联网的电池技术

电池选择存在一个问题,许多电池的规格非常有限。除物理尺寸和输出电压之外,通常唯一指定的其他参数就是容量。电池容量显然非常关键,因为它决定了物联网设备可用的总电量。

电池质量对容量有重大影响。简单设定某一型号有可能冒着购入低容量便宜设备的风险。这又会缩短物联网应用的电池寿命,并带来昂贵的电池更换费用。也可能使用了不同化学物质构成的电池:而不同的化学成分会对电池寿命产生巨大的影响。

许多电池随附的简要数据表很容易让人轻信电池是非常简单的设备,电池的容量也是固定的,但事实并不如此。例如,如果负载需要更大电流,则寿命会显著缩短。更重要的是,对于某些应用来说随着温度的下降,电池的容量也会大大缩小。

物联网应用使用脉冲电流。处理器和传感器可以抽取几毫安的短脉冲电流,然后切换到低功耗模式并维持很长时间。使用脉冲电流会导致输出电压下降。图3显示即使2mA的脉冲负载也会使CR2032的输出从3V下降到2.2V左右。

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工程师们往往更重视电池的电量存储,而忽视其消耗。然而,物联网应用通常需要以单个电池运行多年,因此保质期非常关键。大部分电池只提供七至八年的保质期。

结论:最大限度延长电池寿命

开发由电池供电的物联网设备需要严谨的工程设计。虽然组件选择很重要,但是糟糕的设计会削弱低功耗处理器的优势。延长电池寿命的关键是确保处理器尽可能地处于低功耗待机模式,并尽可能减少使用无线通信。

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