物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中充電機充電蓄電池的使用壽命計算方法解析
2017-9-13 11:12:47??????點擊：
從公共汽車站的標(biāo)牌到聯(lián)網(wǎng)的雜亂工業(yè)體系，大部分電子體系的規(guī)劃辦法因互聯(lián)網(wǎng)而發(fā)生了極大的改動。其中，最大的改變或許是引入了搜集數(shù)據(jù)并將信息傳遞至云端的傳感器體系。
這些小型“器材”一般無法銜接主電源，這意味著它們有必要經(jīng)過充電機充電蓄電池或能量收集設(shè)備進行供電。
關(guān)于許多運用而言，能量收集設(shè)備是最可行的解決方案。如果設(shè)備規(guī)劃成較低功耗，而能量收集設(shè)備可獲取較多能量，則設(shè)備有可能實現(xiàn)無限期運轉(zhuǎn)。
可是，由于有限的動力獲取或過大的體系動力需求，許多運用不適用該辦法。在這種情況下，需求經(jīng)過充電機充電蓄電池來為體系供電。
充電機充電蓄電池需求不斷替換，而替換充電機充電蓄電池的本錢往往比物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的本身本錢更高。因而，預(yù)算充電機充電蓄電池壽命至關(guān)重要。
影響充電機充電蓄電池壽命的要素
物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的充電機充電蓄電池壽命可經(jīng)過簡略的核算來斷定：充電機充電蓄電池容量除以均勻放電速率。盡量下降設(shè)備運用的能量或添加充電機充電蓄電池容量將添加充電機充電蓄電池的運用壽命并下降產(chǎn)品的整體具有本錢。
充電機充電蓄電池一般是物聯(lián)網(wǎng)傳感器體系的最大組成部分，而工程師能夠挑選的規(guī)模很小?？墒?，選用很多的處理器、通訊技能和軟件算法，體系能夠經(jīng)過規(guī)劃達到所需的運用壽命。
物聯(lián)網(wǎng)處理器睡眠形式
為物聯(lián)網(wǎng)運用而規(guī)劃的處理器提供了各種超低功耗睡眠形式。
以TI CC2650MODA無線微控制器為例。圖1顯現(xiàn)了設(shè)備在不同作業(yè)狀態(tài)下的電流耗費。從關(guān)機到自動運轉(zhuǎn)有6個功耗等級。
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PARAMETER |
TEST CONDITIONS |
MIN TYP MAX |
UNIT |
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Peripheral Current Consumption |
Adds to core current for each peripheral unit activated)'11 |
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u |
Peripheral power domain |
Delta current with domain enabled |
20 |
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Serial power domain |
Delta current with domain enabled |
13 |
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RF core |
Delta current with power domain enabled, clock enabled. RF Core idle |
237 |
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uDMA |
Delta current with clock enabled, module idle |
130 |
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Timers |
Delta current with clock enabled, module idle |
113 |
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l2C |
Delta current with clock enabled, module idle |
12 |
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I2S |
Delta current with clock enabled, module idle |
36 |
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SSI |
Delta current with clock enabled, module idle |
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UART |
Delta current with clock enabled, module idle |
164 |
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除非數(shù)據(jù)采樣的頻率十分低，不然封閉處理器簡直沒有什么優(yōu)點。而且需求額定的電路和代碼來重新啟動處理器，徒增本錢和雜亂性。此外，待機形式的電流耗費小于3μA，充電機充電蓄電池放電至少需求八年：比許多物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的運用壽命更長，也簡直達到了CR2032充電機充電蓄電池的保存期限。因而，完全封閉處理器往往無益。
挑選恰當(dāng)?shù)拇龣C形式很重要。最低功耗待機形式耗費的電流是最高功耗形式的三分之一左右，但只節(jié)約了很少的處理器空間。盡管某些物聯(lián)網(wǎng)運用需求挑選最低功耗的睡眠形式，可是大都運用會挑選保存緩存，以減小處理活動形式所需求的周期。
活動形式下的處理作業(yè)需調(diào)理平衡。圖1顯現(xiàn)了由于該類型的物聯(lián)網(wǎng)處理器運用的CMOS技能，功耗會隨時鐘頻率呈線性添加。因而，更快的時鐘速度好像意味著更短的充電機充電蓄電池壽命，可是由于“根本”電流為1.45mA，所以在較快的時鐘速度下運轉(zhuǎn)相同算法需求較短的喚醒時刻，意味著怠慢時鐘并不劃算，實際上卻縮短了充電機充電蓄電池壽命。
此外從一種形式切換到另一種形式的喚醒時刻也是有限的：例如CC2650MODA從待機切換到活動形式需求151μs。在48 MHz的最大時鐘頻率下，需求耗費超越7000個時鐘周期的電量，來喚醒處理器。關(guān)于僅需求少數(shù)代碼的運用，在喚醒期間減慢時鐘來獲取更長的代碼履行時刻以下降功耗，能夠延伸充電機充電蓄電池壽命。同樣地，在回來待機形式之前盡量削減喚醒操作次數(shù)并履行盡可能多的使命也能夠延伸充電機充電蓄電池壽命。
現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備是十分雜亂的產(chǎn)品，集成了許多外設(shè)，使單芯片解決方案能夠滿意不同的需求?？墒牵话阄锫?lián)網(wǎng)設(shè)備—特別是簡略的傳感器—并不需求這些雜亂的功能。
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PARAMETER |
TEST CONDITIONS |
MIN |
TYP MAX |
UNtT |
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Reset. RESET_N ptn asserted of VDO belc?w Power-on-Reset threshold |
100 |
nA |
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Shutdown. No docks running, no retention |
150 |
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Standby. With RTC, CPU, RAM and (partial) register retention. RCOS€_LF. |
1 |
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Standby. With RTCn CPU, RAM and (partial) register retention. XOSG_LF |
1.2 |
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Core current |
Standby. With Cache, RTCn CPU, RAIW and (partial) register ret^niion. RC〇3C_LF |
2.5 |
MA |
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consumption |
Standby. With Cache, RTC, CPU. RAM and (partial) register fetenhon. XOSC_LF |
27 |
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ldler Supply systems and RAM powered. |
550 |
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Active. C〇r$ running Cor^Mari^ |
1.45 mA + 31 MA/MHz |
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Radio RX |
S2 |
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Radio TX_ (WBrn output power |
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Radio TX「5"dBm output power |
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94 |
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圖2顯現(xiàn)了TI CC2650MODA系列中可用外設(shè)的功耗。盡管各種設(shè)備耗費的電流十分小—僅幾十或幾百微安的程度—可是禁用這些設(shè)備可能會發(fā)生嚴重影響。如果不需求進行串行銜接，則能夠節(jié)約一共318μA。盡管可能看起來不太多，可是這個電流改變會對充電機充電蓄電池壽命發(fā)生嚴重影響。
物聯(lián)網(wǎng)通訊技能
挑選正確的通訊技能一般取決于體系要求。充電機充電蓄電池供電的物聯(lián)網(wǎng)體系，往往需求運用射頻鏈路。
就無線通訊而言，更大的規(guī)?；蚋斓臄?shù)據(jù)傳輸速率一般需求耗費更多的能量，因而滿意這些需求的最低功耗通訊技能一般是正確的挑選。
而關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)傳感器，目前有幾種干流技能。例如，LoRa技能能夠構(gòu)建掩蓋數(shù)公里規(guī)模的低功耗、遠距離廣域網(wǎng)(WAN)，而低功耗藍牙(BLE)技能僅能在短距離通訊，可是耗費的電量大幅度削減。另一個有必要要做的決議是運用片上設(shè)備，還是挑選獨自的芯片來進行通訊。
通訊接口辦理至關(guān)重要，由于即使是低功耗通訊技能也會很快耗盡充電機充電蓄電池，而且處理要求一般高于射頻階段。
為了最大極限地運用通訊充電機充電蓄電池的容量，許多物聯(lián)網(wǎng)體系只要在積累了足夠多的數(shù)據(jù)值得進行傳輸時才喚醒通訊電路。
挑選傳感器以最大極限延伸充電機充電蓄電池壽命
傳感器能夠?qū)ξ锫?lián)網(wǎng)體系的充電機充電蓄電池壽命發(fā)生嚴重影響。例如電阻溫度檢測器和熱敏電阻能夠隨溫度改動其電阻。精確度不高的簡略運用能夠運用分壓器，可是高精度體系需求電流源，這需求更多的電量。關(guān)于許多運用來說，比如TI LM35DZ的集成溫度傳感器是一個很好的解決方案：該設(shè)備在室溫下精確到±0.25°C，僅耗費60μA。不論挑選哪種傳感器，都需確保只要在運用它們時才干獲取電力。
用于物聯(lián)網(wǎng)的充電機充電蓄電池技能
充電機充電蓄電池挑選存在一個問題，許多充電機充電蓄電池的標(biāo)準十分有限。除物理尺寸和輸出電壓之外，一般僅有指定的其他參數(shù)就是容量。充電機充電蓄電池容量顯然十分要害，由于它決議了物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備可用的總電量。
充電機充電蓄電池質(zhì)量對容量有嚴重影響。簡略設(shè)定某一類型有可能冒著購入低容量廉價設(shè)備的危險。這又會縮短物聯(lián)網(wǎng)運用的充電機充電蓄電池壽命，并帶來貴重的充電機充電蓄電池替換費用。也可能運用了不同化學(xué)物質(zhì)構(gòu)成的充電機充電蓄電池：而不同的化學(xué)成分會對充電機充電蓄電池壽命發(fā)生巨大的影響。
許多充電機充電蓄電池隨附的扼要數(shù)據(jù)表很容易讓人輕信充電機充電蓄電池是十分簡略的設(shè)備，充電機充電蓄電池的容量也是固定的，但現(xiàn)實并不如此。例如，如果負載需求更大電流，則壽命會明顯縮短。更重要的是，關(guān)于某些運用來說跟著溫度的下降，充電機充電蓄電池的容量也會大大縮小。
物聯(lián)網(wǎng)運用運用脈沖電流。處理器和傳感器能夠抽取幾毫安的短脈沖電流，然后切換到低功耗形式并保持很長時刻。運用脈沖電流會導(dǎo)致輸出電壓下降。圖3顯現(xiàn)即使2mA的脈沖負載也會使CR2032的輸出從3V下降到2.2V左右。
工程師們往往更注重充電機充電蓄電池的電量存儲，而忽視其耗費。可是，物聯(lián)網(wǎng)運用一般需求以單個充電機充電蓄電池運轉(zhuǎn)多年，因而保質(zhì)期十分要害。大部分充電機充電蓄電池只提供七至八年的保質(zhì)期。
定論：最大極限延伸充電機充電蓄電池壽命
開發(fā)由充電機充電蓄電池供電的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備需求謹慎的工程規(guī)劃。盡管組件挑選很重要，可是糟糕的規(guī)劃會削弱低功耗處理器的優(yōu)勢。延伸充電機充電蓄電池壽命的要害是確保處理器盡可能地處于低功耗待機形式，并盡可能削減運用無線通訊。
在這一布景下，e絡(luò)盟開發(fā)了一款核算器，協(xié)助用戶快速、輕松地猜測物聯(lián)網(wǎng)體系的充電機充電蓄電池壽命(圖4)。用戶只需輸入其處理器、通訊設(shè)備、傳感器和充電機充電蓄電池的相關(guān)參數(shù)，以及軟件操作的要害細節(jié)，該核算器就能猜測出物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的充電機充電蓄電池壽命。
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