設計您的物聯網設備電池壽命

By Janet Ooi

自從 Kevin Ashton 創造出「物聯網」這個詞的那一天起，物聯網就迅速擴展以滿足多樣化的需求。 醫療設備、智能儀表、聯網汽車、智能農業和智能基礎設施——只要你給應用命名，物聯網傳感器就可以發揮作用。 應用程序是無限的。 物聯網已經成為萬物互聯。

Statista 在最近的一份報告中估計，到 2030 年，全球聯網設備的數量將達到約 500 億。 這些設備或系統將相互通訊、捕獲和分析數據並將其發送到雲端進行存儲或進一步處理。 更進一步，人們對邊緣 AI 處理的興趣日益濃厚，從而使智能設備變得更加智能。

智能設備上對應用程序和數據處理不斷增長的需求給設備設計人員帶來了一個挑戰：如何從電池中獲得更多。 延長或清除更換電池的需要可降低維護成本，並使物聯網設備具有競爭優勢。 最重要的是，在整個設備設計周期中，對低功耗的追求無處不在。 電池供電的物聯網設備需要遠程工作，完全依靠小電池。

設計工程師將找到通過平衡主動功能和深度睡眠模式來節省能源的方法；然而，這種方法有局限性。一些可穿戴設備，尤其是智能醫療設備——例如心臟起搏器——需要某些電路部件處於活動狀態以進行持續監控。電路的活動部分必須始終處於開啟狀態，即使其他功能處於深度睡眠模式時也是如此。該活動限制了電池壽命。電路設計需要補償這一限制，以滿足應用的電池壽命要求。設計人員還面臨需要延續無線連接的物聯網設備的挑戰，這與延長電池壽命的要求相沖突。無線通訊通常是有源設備中最大的功率消耗者。

幸運的是，有許多技術可以提高電子電路的能效，同時延長電池壽命。

能量收集

能量收集是一種從環境中收集能量並將其轉換為可為電子電路供電的能量的方法。從外部環境獲取能量的方法包括熱電轉換、太陽能轉換、風能轉換、射頻 (RF) 信號和振動激發。

射頻能量收集捕獲環境電磁能，並通過天線和整流器電路將其轉換為可用的延續電壓直流 (DC)。環境中存在的周圍射頻能量源於多種高頻技術，包括 Wi-Fi 信號、微波爐和無線電廣播。振動激發能量來自地板、機械或汽車底盤的細微振動。根據可用能量的頻率和幅度，隔離環境能量的方法差別很大。如今，幾家公司開發了能量收集晶片，無需為低功耗物聯網設備更換電池。

無線標準

無線連接標準（蜂窩和非蜂窩）已經開發出功能和優化技術，以幫助最大限度地延長 IoT 設備的電池壽命。 LTE-M 和 802.11 無線局域網等無線標準具有省電模式和擴展不延續接收等功能以降低功耗。

省電模式允許物聯網設備在固定時間處於睡眠或打瞌睡狀態，喚醒僅用於傳輸和監控數據，然後再返回睡眠狀態，同時保持與網路的註冊狀態。設備和網路根據應用程序的要求協商和優化時序。由於物聯網設備在省電模式下處於非活動狀態，因此功耗較低，有助於延長電池壽命。

擴展的不延續接收可以作為擴展的 LTE 功能並入物聯網設備，獨立於節電模式工作以獲得額外的節電。該功能極大地延長了 IoT 設備不偵聽網路的時間間隔。雖然它不提供與省電模式相同級別的功率降低，但延長的不延續接收可能是設備可達性和功耗之間的一個很好的折衷方案。

設備設計

設計工程師努力使電子電路更加節能。某些硬件設計、軟體或固件更改會導致電路消耗更多功率，從而降低功率效率。物聯網設備的功耗也可能因氣候條件的不同而有所不同。設計人員經常通過捕獲和分解硬件子系統的功耗來分析物聯網設備在不同場景中的功耗情況。從那裡，他們可以確定必要的設計更改以優化電池壽命。他們必須重復這些步驟來分析和驗證每個設計更改的影響。

此過程稱為基於事件的功耗分析。設計人員需要將電荷消耗曲線與子系統的 RF 或 DC 事件相幹聯。如上所述，優化設備設計的過程可能既困難又耗時。設計人員需要模擬環境、捕獲和比較電流消耗數據並進行設計更改。他們可能還需要再次重復這個過程。以用於農業應用的 LoRa 智能傳感器為例。為了改進電池壽命估算，設計人員需要在腔室中捕獲傳感器在工作狀態之間轉換時的動態電流消耗，並模擬全天的溫度曲線。通過數據日志，設計人員可以根據充電消耗曲線計算電池壽命，並決定需要改進的電路、軟體或固件部分。

市場上的產品可以幫助減少測試開發和測試時間，並輕松估計物聯網設備的電池壽命，因此設計人員可以將更多時間花在重要的事情上：設備設計。

大多數人都可能與手機電池電量不足引起的焦慮有關。 物聯網設備也不例外，無論是智能手錶、醫療設備還是農業應用的智能傳感器。 電池運行時間是影響最終用戶購買決定的最重要標準之一。 它可以給你的物聯網設備帶來競爭優勢，也可以破壞你的品牌聲譽。幸運的是，現有的技術和解決方案可以幫助產品制造商和設備設計師做出明智的決定，有效地管理電源，優化物聯網設備的電池壽命。