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无线物联网传感器节点和可穿戴设备的电池寿命分析和最大化陆锋

陆锋    
2022年07月19日

无线物联网传感器节点和可穿戴设备的电池寿命分析和最大化

除了适当的硬件设计和功耗测试之外,准确估计电池寿命是设计无线物联网传感器节点和可穿戴设备的重要方面。特别是对于某些医疗或工业设备,如果电池不能达到预期的寿命,则可能危及用户的生命。这些设备中有些没有电池电量不足的指示器,要求用户在很大程度上依赖于保证的电池寿命规格,因此确保电池寿命声明的准确性至关重要

以下讨论介绍了IoT设备和可穿戴设备开发人员可以用来有效模拟,准确预测和最大化设备电池寿命的一些工具。典型的挑战包括:

电池模拟

IoT设备关闭之前,电池电压会下降多少?衡量电池放电不同阶段的电池性能非常困难,因为它需要能够准确模拟电池性能的仪器。

吉时利的2281S-20-6电池模拟器使建模任何类型的电池变得容易。图片:吉时利)

为了解决这个问题,吉时利的2281S-20-6电池模拟器使建模任何类型的电池变得容易。它使设计人员能够在任何电池状态下有效地测试原型物联网设备,并具有高重复性以有效地估计电池寿命。将2281S-20-6电池模拟器与DMM7510图形采样万用表结合使用,将为设计人员提供评估IoT原型的功耗和电池寿命的完整解决方案。

Accel仪器提供TS250和TS200调制电源,可以像实际电池一样模拟灌电流和拉电流。它们具有一个DC OFFSET旋钮,可以调节电压以模拟电池电压变化。这些单元对于模拟用于充电器电路测试的电池特别有用。

为了估算新型物联网设备的电池寿命,设计人员需要分析各种子系统的功耗,例如射频无线电,显示器,蜂鸣器,振动器等。Keysight Technologies的X8712A旨在帮助设计人员执行所需的测量。 ,它由X8712A-DPA直流功率分析仪,源测量单元,电子负载模块,X8712AD RF事件检测器和KS833A1B基于事件的功率分析软件组成。

是德科技的X8712A旨在使设计人员能够执行所需的测量,以估计IoT设备的电池寿命

X8712A使用X8712A-DPA直流功率分析仪及其源测量单元和电子负载模块,RF事件检测器以及KS833A1B基于事件的功率分析软件,可帮助设计人员确定设备的总功耗。它从IoT设备捕获RF和/或DC事件,将事件与电流消耗同步匹配,并估计设备的电池寿命。

射频通信协议的选择对于最大化无线物联网节点和可穿戴设备的使用寿命和功能性至关重要。这是一个复杂的过程,而全面的讨论超出了此FAQ的范围。选项包括2G / 3G,蓝牙LE,802.15.4,LoRa,LTE,NB-IoT,SigFox,Wi-Fi,WirelessHART,ZigBee和Z-wave等。以下两节通过介绍使用蓝牙LE和LTE-M / NB-IoT的一些注意事项,概述了选择RF协议所涉及的复杂性。

蓝牙LE功耗

蓝牙LESoC中的功耗通常归因于处理器和BLE无线电。运行时,处理器可以消耗几个mA。蓝牙无线电是另一个可能消耗大量电量的部件。某些BLE无线电在发射时可以达到20mA的峰值。哪一部分消耗更多,主要取决于应用和占空比。

大多数BLE产品旨在尽可能保持睡眠状态以节省功耗,并唤醒以处理和发送数据。它们在睡眠期间消耗多少电流取决于设备,但是在许多SoC中,典型值约为1.5uA。此图说明了运行实时时钟的情况,该时钟会定期唤醒系统以播发或发送数据。睡眠时,CPU处于关闭状态,BLE无线电未发送,并且大多数外设均已停止。如果设备定期唤醒,则电流在发送和接收期间会持续几毫秒的峰值。然后,系统的平均电流会更高,并且取决于系统唤醒发送数据的频率。

一些设计采用不运行RTC的更深层睡眠模式,并且系统处于低功耗模式,但这会阻止智能手机或其他节点连接到设备。在这种情况下,电流消耗可能小于200nA。BLE芯片组的峰值电流消耗受以下因素影响:

BLE设备的功率输出–输出功率越高,所需的电流就越大。许多最新一代的器件可吸收3mA至6mA的峰值,而较老的器件则可吸收3倍或更多的电流。

发送的数据量–较大的广告包需要BLE无线电在空中停留更长时间,从而在此期间消耗更多电流。

处理–运行BLE堆栈以及其他所需处理时,处理器需要大量电源

外围设备–传感器,显示器等

LTE-M / NB-IoT的电池寿命为10年

省电模式是专为LTE-M / NB-IoT设备设计的省电功能,可帮助他们节省更多电池电量。此功能本质上是“睡眠”模式,最早在3GPP Rel中引入。为了更新有关其可用性的网络,用户设备在可配置的TAU计时器到期后执行定期的跟踪区域更新。然后,UE在空闲状态的寻呼时间窗口期间保持可达的寻呼状态。PTW到期后,它将进入深度睡眠模式,并且在下一个定期TAU发生之前将变为休眠且不可访问。

NB-IoT PSM及其消息流:UE可以在T3412计时器到期之后退出PSM,或者UE发起移动始发服务或分离。图片:罗德与施瓦茨)

在PSM模式下,UE关闭其电路,但仍在网络中注册,这意味着UE关闭了应用程序服务器连接,但仍保持非访问层状态。这种方法的优点在于以下事实:UE可以立即从PSM唤醒,而无需重新连接或重新建立分组数据网络连接。这避免了由于用于高层连接建立过程的附加信令消息传输而导致的额外功耗。PSM使UE的停机时间最大化,从而大大减少了电池消耗。

PSM的使用对于需要很少移动终端终止的使用案例或允许服务具有一定延迟的移动起源事件尤为有趣。通过PSM机制,可以实现LTE-M和NB-IoT设备推荐的10年电池寿命。

占空比–设备多长时间通信一次?

一旦选择了无线技术,设计人员面临的下一个因素就是确定所需的传输强度,持续时间以及活动状态和睡眠状态之间的占空比。大多数现代无线收发器在不使用时都提供睡眠模式以节省功率。设备处于睡眠状态的时间越长,其使用的电量越少,从而延长了电池寿命。但是,在检查设备的无线功率预算时,无线收发器的电气规格内的睡眠状态功率编号不应仅作为输入。无线收发器的唤醒时间以及传输和返回睡眠之前的预处理算法也会影响功率,在计算总无线功率预算时应将其包括在内。

在轮询事件期间,功耗通常不灵活,更改占空比可能是节省能源的最有效方法。图片:Silicon Laboratories)

无线传输的频率或占空比将直接影响产品的电池寿命。占空比部分由无线标准要求,软件算法以及正常使用设备的方式决定。例如,带有开/关事件的门传感器将引起无线数据传输。然而,该传感器还可以向其他网状网络节点发送周期性的无线轮询事件并从其他网格网络节点接收周期性的无线轮询事件以进行状态更新。

在线能耗优化

创建Wisebatt的目的是使工程师能够评估和优化IoT设备的能耗。该公司创建了一个在线仿真平台,以促进物联网和消费类设备的开发。该平台可以在几分钟内提供仿真结果。借助它,设计人员可以构建虚拟原型设备,尝试几种组合,并为其产品选择最佳组件。

通过数据可视化,设计人员可以了解其设备的组件和状态如何执行并消耗最多的电池电量。Wisebatt软件结合了从硅片供应商和授权分销商那里收集的仿真和数据的组合,可以对能耗,物料清单,组件的兼容性,配置和供应限制进行可行性研究。除了核心功能“功耗分析”外,Wisebatt仿真工具还提供补充信息,这些信息对于新设备开发阶段必不可少。

该常见问题系列提供了用于无线IoT节点和可穿戴设备的电源系统的全面概述。它首先回顾了设计这些电源系统时可用的组件。第二部分着重于测量和验证这些电力系统的性能。第三部分介绍了设计人员可用的电池化学成分和充电选项。本期最后一部分回顾了电池寿命分析以及对无线物联网传感器节点和可穿戴设备的最大化考虑。

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