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

e络盟大中华区销售总监朱伟弟

一些小型“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。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。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。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。

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。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318 μA。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。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 ℃，仅消耗60 μA。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。

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。工程师们往往更重视电池的电量存储，而忽视消耗。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。

最大限度延长电池寿命