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來源：Digikey 作者： Qoitech 對于低功耗廣域網 (LPWAN) 中的物聯網設備來說，電池壽命是極為重要的考慮因素，當這些設備部署在偏遠地區或難以到達的地點時電池壽命尤為重要。然而，問題是......哪些策略有助于這些物聯網設備最大限度地延長電池壽命？ 為了探討這些策略，本文將介紹一個基于虛構公司 Y 的真實場景，且在這個場景中，重點討論通過解決電池供電型物聯網傳感器開發過程中面臨的常見挑戰，來優化 Y 傳感器的電池壽命。 場景： 電池優化挑戰 Y 公司設計了電池供電型環境傳感器，用于監測偏遠的森林地區的空氣質量、溫度和濕度。這些傳感器通過 LoRaWAN 連接，由于成本高且人員難以進入偏遠地區，因此需要能夠持續工作數年而無需頻繁更換電池。在產品開發過程中，Y 公司面臨以下幾個挑戰：電池壽命估值不一致、數據傳輸過程中耗電過快以及不同環境條件下電池性能的變化。 
Otii 產品套件 | 用于辦公室、實驗室和現場測試的緊湊型便攜式功率測量儀。（圖片來源：Qoitech） 1.確定影響 LPWAN 電池壽命的關鍵因素 為了解決這些問題，Y 公司首先了解了影響電池壽命的因素，包括不同設備狀態下的功耗、網絡連接要求以及環境變化的影響。 實際測量值與理論計算之對比 Y 公司最初的方法是使用理論計算結果，根據數據表數值估算電池壽命。然而，在使用 Otii 儀表 等工具測量功耗時，他們發現理論功耗與實際功耗之間存在差異。例如，一個傳感器傳輸數據時的功率為每小時 100 mW，但由于重傳和連接時間延長，惡劣網絡條件下的功耗會比在最佳條件下時高 30%。功率分析表明，有必要進行自適應傳輸功率調節，以優化電池壽命，從而減少 20% 的不必要功耗。
Otii 產品套件 | Otii 儀表。（圖片來源：Qoitech） 2.實施電源管理技術，以優化電池壽命 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據傳輸期間的能耗作為重點。 電源管理步驟及結果 · 動態傳輸功率調整：Y 公司采用的策略是根據信號質量和與基站的距離調節設備的傳輸功率。對于距離基站較近的設備，可降低傳輸功率，從而降低總功耗并延長電池壽命。 · 優化休眠模式：傳感器大部分時間處于深度休眠模式，只有在數據收集和傳輸時才會被喚醒。進行固件配置，以便根據數據的重要性以動態方式調節睡眠時間，例如在溫度快速變化期間。這種調節會大大降低空閑期間的平均功耗。 · 減少傳輸過程中的激活時間：通過優化通信協議以壓縮數據包并減少狀態更新頻率，Y 公司成功降低了傳輸過程中的功耗，從而提高了能源使用效率。
Otii 產品套件 | Otii Ace Pro | Power Box 設置測量電流、功率和電壓通道。（圖片來源：Qoitech） 3.針對惡劣條件選擇合適的電池 對于在室外溫度波動環境中使用的物聯網設備來說，如 Y 公司的環境傳感器，選擇合適的電池對于實現可靠的性能并延長使用壽命極其重要。需要考慮的關鍵因素包括電化學、容量、能量密度、電壓和放電特性、溫度范圍、設備保質期以及成本和壽命。通過評估這些因素，Y 公司的工程師可確保為其物聯網設備提供可靠、持久的電源，從而推動其成功地全面部署。 4.成功選擇物聯網電池的四個步驟 遵循結構化的電池選擇流程，對 Y 公司有效地優化電池壽命來說至關重要。以下是四個步驟： #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環境監測，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 公司對不同的設備活動（如數據傳輸、主動檢測和深度睡眠）進行功率分析。分析數據顯示，80% 的功耗發生在傳輸過程中，從而促使對固件和應用軟件進行進一步優化和迭代。 #3）創建電池配置文件：根據實際使用場景（包括不同的溫度和負載條件），創建電池配置文件。這凸顯了不同品牌和化學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 重復電池的配置文件，以仿真實際條件。測試表明，根據負載情況，某些品牌電池的實際可用容量低至數據表容量的 60%，這凸顯了詳細分析的重要性。
Otii 產品套件 | 電池分析儀。（圖片來源：Qoitech） 5.電池的化學特性分析與仿真 在不同電池化學成分的分析：案例研究中，Qoitech 使用 Otii Ace Pro 和 Otii 電池工具箱對各種電池化學成分進行了詳細比較。Y 公司應用這些方法評估了不同電池在其設備中的性能。 電池實際容量估算的分析結果 · 鋰錳電池：對 Saft LM17500 的三個樣品分析后發現，室溫下的平均容量為 3050 mAh，略高于數據表上的值。在低溫條件下，容量僅下降 10%，這表明電池具有很強的耐溫性。 · 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 時容量最多會減少 35%，因此不太適合在寒冷天氣下使用。 · 電池配置文件仿真：通過使用 Otii Ace Pro 再現電池配置文件，Y 公司能夠預測設備在不同電池條件下的停機行為。這種仿真方法可準確估計各種情況下的設備生命周期，確保可靠的電源管理規劃。
Otii 產品套件 | 電池工具箱 | 電池仿真。（圖片來源：Qoitech） 結論： 全面優化 LPWAN 電池壽命的方法 Y 公司的發展歷程凸顯了采用系統的技術方法最大限度地延長 LPWAN 物聯網設備電池壽命的重要性。在實際條件下驗證電池——考慮實際功耗模式、環境因素和運行特性，可確保設備在能夠真實反映其預期用途的場景中進行測試。這種方法與理論估算和數據表數值不同，將重點放在優化電源管理、微調節能技術以及充分地選擇和分析電池方面。 通過遵循這些實踐，開發人員可以顯著提高物聯網傳感器的整體性能和使用壽命，即使在苛刻的環境中也能確保可靠、高效地運行。 |
