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來(lái)源：Digikey 作者： Qoitech 對(duì)于低功耗廣域網(wǎng) (LPWAN) 中的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備來(lái)說(shuō)，電池壽命是極為重要的考慮因素，當(dāng)這些設(shè)備部署在偏遠(yuǎn)地區(qū)或難以到達(dá)的地點(diǎn)時(shí)電池壽命尤為重要。然而，問(wèn)題是......哪些策略有助于這些物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備最大限度地延長(zhǎng)電池壽命？ 為了探討這些策略，本文將介紹一個(gè)基于虛構(gòu)公司 Y 的真實(shí)場(chǎng)景，且在這個(gè)場(chǎng)景中，重點(diǎn)討論通過(guò)解決電池供電型物聯(lián)網(wǎng)傳感器開(kāi)發(fā)過(guò)程中面臨的常見(jiàn)挑戰(zhàn)，來(lái)優(yōu)化 Y 傳感器的電池壽命。 場(chǎng)景： 電池優(yōu)化挑戰(zhàn) Y 公司設(shè)計(jì)了電池供電型環(huán)境傳感器，用于監(jiān)測(cè)偏遠(yuǎn)的森林地區(qū)的空氣質(zhì)量、溫度和濕度。這些傳感器通過(guò) LoRaWAN 連接，由于成本高且人員難以進(jìn)入偏遠(yuǎn)地區(qū)，因此需要能夠持續(xù)工作數(shù)年而無(wú)需頻繁更換電池。在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中，Y 公司面臨以下幾個(gè)挑戰(zhàn)：電池壽命估值不一致、數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中耗電過(guò)快以及不同環(huán)境條件下電池性能的變化。 
Otii 產(chǎn)品套件 | 用于辦公室、實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的緊湊型便攜式功率測(cè)量?jī)x。（圖片來(lái)源：Qoitech） 1.確定影響 LPWAN 電池壽命的關(guān)鍵因素 為了解決這些問(wèn)題，Y 公司首先了解了影響電池壽命的因素，包括不同設(shè)備狀態(tài)下的功耗、網(wǎng)絡(luò)連接要求以及環(huán)境變化的影響。 實(shí)際測(cè)量值與理論計(jì)算之對(duì)比 Y 公司最初的方法是使用理論計(jì)算結(jié)果，根據(jù)數(shù)據(jù)表數(shù)值估算電池壽命。然而，在使用 Otii 儀表 等工具測(cè)量功耗時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)理論功耗與實(shí)際功耗之間存在差異。例如，一個(gè)傳感器傳輸數(shù)據(jù)時(shí)的功率為每小時(shí) 100 mW，但由于重傳和連接時(shí)間延長(zhǎng)，惡劣網(wǎng)絡(luò)條件下的功耗會(huì)比在最佳條件下時(shí)高 30%。功率分析表明，有必要進(jìn)行自適應(yīng)傳輸功率調(diào)節(jié)，以?xún)?yōu)化電池壽命，從而減少 20% 的不必要功耗。
Otii 產(chǎn)品套件 | Otii 儀表。（圖片來(lái)源：Qoitech） 2.實(shí)施電源管理技術(shù)，以?xún)?yōu)化電池壽命 Y 公司采用了各種電源管理策略，把最大限度地減少空閑和數(shù)據(jù)傳輸期間的能耗作為重點(diǎn)。 電源管理步驟及結(jié)果 · 動(dòng)態(tài)傳輸功率調(diào)整：Y 公司采用的策略是根據(jù)信號(hào)質(zhì)量和與基站的距離調(diào)節(jié)設(shè)備的傳輸功率。對(duì)于距離基站較近的設(shè)備，可降低傳輸功率，從而降低總功耗并延長(zhǎng)電池壽命。 · 優(yōu)化休眠模式：傳感器大部分時(shí)間處于深度休眠模式，只有在數(shù)據(jù)收集和傳輸時(shí)才會(huì)被喚醒。進(jìn)行固件配置，以便根據(jù)數(shù)據(jù)的重要性以動(dòng)態(tài)方式調(diào)節(jié)睡眠時(shí)間，例如在溫度快速變化期間。這種調(diào)節(jié)會(huì)大大降低空閑期間的平均功耗。 · 減少傳輸過(guò)程中的激活時(shí)間：通過(guò)優(yōu)化通信協(xié)議以壓縮數(shù)據(jù)包并減少狀態(tài)更新頻率，Y 公司成功降低了傳輸過(guò)程中的功耗，從而提高了能源使用效率。
Otii 產(chǎn)品套件 | Otii Ace Pro | Power Box 設(shè)置測(cè)量電流、功率和電壓通道。（圖片來(lái)源：Qoitech） 3.針對(duì)惡劣條件選擇合適的電池 對(duì)于在室外溫度波動(dòng)環(huán)境中使用的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備來(lái)說(shuō)，如 Y 公司的環(huán)境傳感器，選擇合適的電池對(duì)于實(shí)現(xiàn)可靠的性能并延長(zhǎng)使用壽命極其重要。需要考慮的關(guān)鍵因素包括電化學(xué)、容量、能量密度、電壓和放電特性、溫度范圍、設(shè)備保質(zhì)期以及成本和壽命。通過(guò)評(píng)估這些因素，Y 公司的工程師可確保為其物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供可靠、持久的電源，從而推動(dòng)其成功地全面部署。 4.成功選擇物聯(lián)網(wǎng)電池的四個(gè)步驟 遵循結(jié)構(gòu)化的電池選擇流程，對(duì) Y 公司有效地優(yōu)化電池壽命來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。以下是四個(gè)步驟： #1) 確定用例：Y 公司確定的主要用例涉及了在不同室外條件下的連續(xù)環(huán)境監(jiān)測(cè)，這就要求電池具有高能量密度和耐溫性。 #2）功率分析：利用 Otii 電池工具箱，Y 公司對(duì)不同的設(shè)備活動(dòng)（如數(shù)據(jù)傳輸、主動(dòng)檢測(cè)和深度睡眠）進(jìn)行功率分析。分析數(shù)據(jù)顯示，80% 的功耗發(fā)生在傳輸過(guò)程中，從而促使對(duì)固件和應(yīng)用軟件進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化和迭代。 #3）創(chuàng)建電池配置文件：根據(jù)實(shí)際使用場(chǎng)景（包括不同的溫度和負(fù)載條件），創(chuàng)建電池配置文件。這凸顯了不同品牌和化學(xué)成分之間可用容量的差異，尤其是在大電流情況下。 #4) 電池性能仿真：Y 公司使用 Otii Ace Pro 重復(fù)電池的配置文件，以仿真實(shí)際條件。測(cè)試表明，根據(jù)負(fù)載情況，某些品牌電池的實(shí)際可用容量低至數(shù)據(jù)表容量的 60%，這凸顯了詳細(xì)分析的重要性。
Otii 產(chǎn)品套件 | 電池分析儀。（圖片來(lái)源：Qoitech） 5.電池的化學(xué)特性分析與仿真 在不同電池化學(xué)成分的分析：案例研究中，Qoitech 使用 Otii Ace Pro 和 Otii 電池工具箱對(duì)各種電池化學(xué)成分進(jìn)行了詳細(xì)比較。Y 公司應(yīng)用這些方法評(píng)估了不同電池在其設(shè)備中的性能。 電池實(shí)際容量估算的分析結(jié)果 · 鋰錳電池：對(duì) Saft LM17500 的三個(gè)樣品分析后發(fā)現(xiàn)，室溫下的平均容量為 3050 mAh，略高于數(shù)據(jù)表上的值。在低溫條件下，容量?jī)H下降 10%，這表明電池具有很強(qiáng)的耐溫性。 · 堿性電池：各品牌電池的容量差異顯著，AAA 電池容量在 1080 mAh 至 1150 mAh 之間，AA 電池則在 2420 mAh 至 2730 mAh 之間。堿性電池在 0°C 時(shí)容量最多會(huì)減少 35%，因此不太適合在寒冷天氣下使用。 · 電池配置文件仿真：通過(guò)使用 Otii Ace Pro 再現(xiàn)電池配置文件，Y 公司能夠預(yù)測(cè)設(shè)備在不同電池條件下的停機(jī)行為。這種仿真方法可準(zhǔn)確估計(jì)各種情況下的設(shè)備生命周期，確保可靠的電源管理規(guī)劃。
Otii 產(chǎn)品套件 | 電池工具箱 | 電池仿真。（圖片來(lái)源：Qoitech） 結(jié)論： 全面優(yōu)化 LPWAN 電池壽命的方法 Y 公司的發(fā)展歷程凸顯了采用系統(tǒng)的技術(shù)方法最大限度地延長(zhǎng) LPWAN 物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備電池壽命的重要性。在實(shí)際條件下驗(yàn)證電池——考慮實(shí)際功耗模式、環(huán)境因素和運(yùn)行特性，可確保設(shè)備在能夠真實(shí)反映其預(yù)期用途的場(chǎng)景中進(jìn)行測(cè)試。這種方法與理論估算和數(shù)據(jù)表數(shù)值不同，將重點(diǎn)放在優(yōu)化電源管理、微調(diào)節(jié)能技術(shù)以及充分地選擇和分析電池方面。 通過(guò)遵循這些實(shí)踐，開(kāi)發(fā)人員可以顯著提高物聯(lián)網(wǎng)傳感器的整體性能和使用壽命，即使在苛刻的環(huán)境中也能確保可靠、高效地運(yùn)行。 |
