延长蜂窝物联网终端产品的电池寿命

Nordic Semiconductor公司Martin Lesund

许多物联网设备都由电池供电，而其中一项重要运作因素，就是正常使用情况下的电池寿命。延长电池寿命可以改善用户体验、降低维护成本并减少浪费。

工程师可以选择容量更大的电池来延长电池寿命，但这会增加成本、体积和重量。更好的办法是在设计物联网设备时采用系统化的方法，确保在运行过程中不会浪费一点一滴的能量。

蜂窝物联网设备使用 LTE-M 或 NB-IoT 协议，这两种协议都是为低功耗运行而设计的。除此以外，蜂窝物联网设备的总体能耗取决于其关键组件的效率和应用。

为蜂窝物联网省电的技术

虽然无线电传输不是影响电池寿命的唯一因素，但却是造成电流消耗的最主要因素。LTE-M/NB-IoT 开动无线电、发送数据和进入休眠的速度越快，或者 GNSS 无线电固定一组卫星、确定位置和休眠的速度越快，物联网设备的效率就越高。

为了确保蜂窝物联网设备一直保持登入和连接网络，以便在需要时能够即时发送数据，一些无线电运作是必要的。不过，有几种省电技术可减少无线电传输时间，同时确保可靠的网络连接。

第一种技术称为 “扩展不连续接收(eDRX)”。使用 eDRX 时，物联网设备连接网络的频率较低，因此无需频繁开动无线电，从而节省了电量。这需要权衡利弊：蜂窝物联网设备处于休眠状态时，无法访问网络，因此会带来延迟。开发人员必须确定合适的 eDRX 间隔，从而在功耗和延迟之间取得平衡，以满足应用需求。

第二种节能技术称为 “省电模式”(Power Saving Mode, PSM)，使得蜂窝物联网设备进入更深的睡眠状态。它可以关闭调制解调器，但设备仍然保持登入网络。设备在预先设定的时间内无法连接，但可以在需要时随时唤醒(例如，响应警报)。

nRF9151 采用 Nordic 自主研发的省电技术

eDRX 和 PSM 是任何蜂窝物联网设备制造商都可采用的标准省电技术。Nordic 具备知名的超低功耗专业技术，其最新的低功耗蜂窝物联网解决方案 nRF9151 SiP 大大提高了节能效果。nRF9151的设计重点是降低功耗，除了Nordic自主研发的多种省电功能之外，还完全支持 eDRX 和 PSM。

Nordic 的其中一种省电技术是“降低移动性”，它限制了蜂窝之间的交换，为大部分时间处于静止状态的设备减少调制解调器活动。另一项技术是“特定国家搜索优化(country-specific search optimization)”，可预先加载 70 个国家的网络搜索参数，在新地点搜索网络时可节省耗电量。第三种技术是 “提前中止网络搜索(abort network search early)”，在无线电连接质量较差的情况下，可以指示调制解调器暂时中止连接网络的初步尝试，稍后再试，以免因为长时间搜索网络而消耗能量。

Nordic 的 nRF9151 调制解调器还提供 “连接预评估(pre-evaluation of a connection) ”功能。在连接和传输数据之前，调制解调器会评估发送数据时的估计功耗，并提供估计值(“优”、“良”、“正常”、“差 ”或 “坏”)以及无线电链路质量、信噪比 (SNR)、发射功率和路径损耗等原始参数信息。分析蜂窝下行链路的无线电环境后，应用程序便可根据其能效要求决定是否发送数据。

补助电池电量

设计 nRF9151 时，Nordic考虑到某些应用仅利用采集的能量(如光伏 (PV) 能量)为 SiP 供电。然而，无论蜂窝物联网产品本身的效率如何，能量采集都将大大延长其电池寿命。就 nRF9151 SiP 而言，能量采集不会削弱芯片连接或计算能力。

然而，能量采集可能会限制应用的占空比。幸好灵活的Nordic 蜂窝物联网解决方案可以轻松优化占空比，以满足蜂窝物联网产品电池的预期能量储备。

nRF9151 支持Class 5输出

nRF9151 的另一项增强功能是支持Power Class 5 20 dBm输出功率，它与现有 nRF91 系列Power Class 3 23 dBm输出功率相辅相成，有助于延长某些应用中的电池寿命。如果Class 5输出功率与应用需求相匹配，则额外的输出功率支持可节省发射功率，帮助节省电池能量。这项增强功能为开发人员提供了更大的灵活性，扩大了这款SiP 的部署使用范围。

例如，高效的蜂窝物联网SiP使资产跟踪器制造商能够制造出重量轻、体积小、具有强大处理能力的设备，充电后能运行数年时间，从而降低了维护要求。同时，大幅减少电池的生产和处理也对环境有益。