延长LPWAN物联网设备的使用寿命：改善电池管理的技术策略

来源：Digikey
作者： Qoitech

对于低功耗广域网 (LPWAN) 中的物联网设备来说，电池寿命是极为重要的考虑因素，当这些设备部署在偏远地区或难以到达的地点时电池寿命尤为重要。然而，问题是......哪些策略有助于这些物联网设备最大限度地延长电池寿命？

为了探讨这些策略，本文将介绍一个基于虚构公司 Y 的真实场景，且在这个场景中，重点讨论通过解决电池供电型物联网传感器开发过程中面临的常见挑战，来优化 Y 传感器的电池寿命。

场景： 电池优化挑战

Y 公司设计了电池供电型环境传感器，用于监测偏远的森林地区的空气质量、温度和湿度。这些传感器通过 LoRaWAN 连接，由于成本高且人员难以进入偏远地区，因此需要能够持续工作数年而无需频繁更换电池。在产品开发过程中，Y 公司面临以下几个挑战：电池寿命估值不一致、数据传输过程中耗电过快以及不同环境条件下电池性能的变化。


Otii 产品套件 | 用于办公室、实验室和现场测试的紧凑型便携式功率测量仪。（图片来源：Qoitech）

1.确定影响 LPWAN 电池寿命的关键因素

为了解决这些问题，Y 公司首先了解了影响电池寿命的因素，包括不同设备状态下的功耗、网络连接要求以及环境变化的影响。

实际测量值与理论计算之对比

Y 公司最初的方法是使用理论计算结果，根据数据表数值估算电池寿命。然而，在使用 Otii 仪表 等工具测量功耗时，他们发现理论功耗与实际功耗之间存在差异。例如，一个传感器传输数据时的功率为每小时 100 mW，但由于重传和连接时间延长，恶劣网络条件下的功耗会比在最佳条件下时高 30%。功率分析表明，有必要进行自适应传输功率调节，以优化电池寿命，从而减少 20% 的不必要功耗。


Otii 产品套件 | Otii 仪表。（图片来源：Qoitech）

2.实施电源管理技术，以优化电池寿命

Y 公司采用了各种电源管理策略，把最大限度地减少空闲和数据传输期间的能耗作为重点。

电源管理步骤及结果

· 动态传输功率调整：Y 公司采用的策略是根据信号质量和与基站的距离调节设备的传输功率。对于距离基站较近的设备，可降低传输功率，从而降低总功耗并延长电池寿命。
· 优化休眠模式：传感器大部分时间处于深度休眠模式，只有在数据收集和传输时才会被唤醒。进行固件配置，以便根据数据的重要性以动态方式调节睡眠时间，例如在温度快速变化期间。这种调节会大大降低空闲期间的平均功耗。
· 减少传输过程中的激活时间：通过优化通信协议以压缩数据包并减少状态更新频率，Y 公司成功降低了传输过程中的功耗，从而提高了能源使用效率。


Otii 产品套件 | Otii Ace Pro | Power Box 设置测量电流、功率和电压通道。（图片来源：Qoitech）

3.针对恶劣条件选择合适的电池

对于在室外温度波动环境中使用的物联网设备来说，如 Y 公司的环境传感器，选择合适的电池对于实现可靠的性能并延长使用寿命极其重要。需要考虑的关键因素包括电化学、容量、能量密度、电压和放电特性、温度范围、设备保质期以及成本和寿命。通过评估这些因素，Y 公司的工程师可确保为其物联网设备提供可靠、持久的电源，从而推动其成功地全面部署。

4.成功选择物联网电池的四个步骤

遵循结构化的电池选择流程，对 Y 公司有效地优化电池寿命来说至关重要。以下是四个步骤：

#1) 确定用例：Y 公司确定的主要用例涉及了在不同室外条件下的连续环境监测，这就要求电池具有高能量密度和耐温性。

#2）功率分析：利用 Otii 电池工具箱，Y 公司对不同的设备活动（如数据传输、主动检测和深度睡眠）进行功率分析。分析数据显示，80% 的功耗发生在传输过程中，从而促使对固件和应用软件进行进一步优化和迭代。

#3）创建电池配置文件：根据实际使用场景（包括不同的温度和负载条件），创建电池配置文件。这凸显了不同品牌和化学成分之间可用容量的差异，尤其是在大电流情况下。

#4) 电池性能仿真：Y 公司使用 Otii Ace Pro 重复电池的配置文件，以仿真实际条件。测试表明，根据负载情况，某些品牌电池的实际可用容量低至数据表容量的 60%，这凸显了详细分析的重要性。


Otii 产品套件 | 电池分析仪。（图片来源：Qoitech）

5.电池的化学特性分析与仿真

在不同电池化学成分的分析：案例研究中，Qoitech 使用 Otii Ace Pro 和 Otii 电池工具箱对各种电池化学成分进行了详细比较。Y 公司应用这些方法评估了不同电池在其设备中的性能。

电池实际容量估算的分析结果

· 锂锰电池：对 Saft LM17500 的三个样品分析后发现，室温下的平均容量为 3050 mAh，略高于数据表上的值。在低温条件下，容量仅下降 10%，这表明电池具有很强的耐温性。
· 碱性电池：各品牌电池的容量差异显著，AAA 电池容量在 1080 mAh 至 1150 mAh 之间，AA 电池则在 2420 mAh 至 2730 mAh 之间。碱性电池在 0°C 时容量最多会减少 35%，因此不太适合在寒冷天气下使用。
· 电池配置文件仿真：通过使用 Otii Ace Pro 再现电池配置文件，Y 公司能够预测设备在不同电池条件下的停机行为。这种仿真方法可准确估计各种情况下的设备生命周期，确保可靠的电源管理规划。


Otii 产品套件 | 电池工具箱 | 电池仿真。（图片来源：Qoitech）

结论： 全面优化 LPWAN 电池寿命的方法

Y 公司的发展历程凸显了采用系统的技术方法最大限度地延长 LPWAN 物联网设备电池寿命的重要性。在实际条件下验证电池——考虑实际功耗模式、环境因素和运行特性，可确保设备在能够真实反映其预期用途的场景中进行测试。这种方法与理论估算和数据表数值不同，将重点放在优化电源管理、微调节能技术以及充分地选择和分析电池方面。

通过遵循这些实践，开发人员可以显著提高物联网传感器的整体性能和使用寿命，即使在苛刻的环境中也能确保可靠、高效地运行。