利用關(guān)鍵技術(shù)延長資產(chǎn)標(biāo)簽的電池使用壽命

像物聯(lián)網(wǎng) （IoT）領(lǐng)域的許多行業(yè)一樣，低功耗藍(lán)牙（BLE）聯(lián)接已徹底改變了資產(chǎn)管理的格局。BLE現(xiàn)在占當(dāng)今市場上可追蹤資產(chǎn)標(biāo)簽的50%。

基于RFID的標(biāo)簽仍在使用，但在提供有關(guān)資產(chǎn)周圍事件的主動數(shù)據(jù)方面能力有限。RFID不被視為跟蹤系統(tǒng)，而更像是一種需要掃描儀和人工干預(yù)的識別技術(shù)。

因此大多數(shù)RFID標(biāo)簽制造商現(xiàn)在都在考慮用BLE開發(fā)新標(biāo)簽。

在嵌入式 MCU 上運行BLE，現(xiàn)在可提供許多增值服務(wù)，例如環(huán)境數(shù)據(jù)日志傳輸、冷鏈管理和準(zhǔn)確、實時的定位。

圖1：各種聯(lián)接技術(shù)用于資產(chǎn)追蹤預(yù)測

2015 年，藍(lán)牙標(biāo)簽市場處于起步階段，有 22 家制造商的約26 款型號。那時，Aislelabs 發(fā)布了每個設(shè)備的技術(shù)基準(zhǔn)。結(jié)論是，在他們特定的測試條件和 CR2032 電池下，電池壽命僅四到五個月，具體取決于設(shè)備制造商和硅芯片組供應(yīng)商。

這種預(yù)期壽命對于消費者應(yīng)用來說都不夠，更不用說工業(yè)4.0了，因為在工業(yè)4.0中，保持盡可能低的運營成本至關(guān)重要。考慮到維護(hù)和服務(wù)費、電池更換和回收成本，部署一個大約每五個月就得檢查一次的設(shè)備是不可行的。我們的實地調(diào)查表明，對于工業(yè)資產(chǎn)追蹤標(biāo)簽來說，實現(xiàn)五年的電池運行壽命是個重要且必要的目標(biāo)。

我們將在下文回顧關(guān)鍵技術(shù)，這些技術(shù)使我們能夠開發(fā)具有 5 年電池使用壽命的BLE 標(biāo)簽，而不會影響性能和部署靈活性。

低功率無線電

在任何無線設(shè)計中，延長電池使用壽命的關(guān)鍵是盡量減少主要能耗元兇的影響——無線電和連接的微控制器。RSL10藍(lán)牙5無線電系統(tǒng)單芯片 （SoC）提供業(yè)界最低功耗的BLE技術(shù)，非常適合任何電池供電的系統(tǒng)。

為了說明這功耗到底有多低，我們計算了基于RSL10相比其他幾個領(lǐng)先的無線電SoC的藍(lán)牙信標(biāo)的預(yù)期電池使用壽命。下圖是在相同的應(yīng)用條件下繪制的，包括傳輸功率和工作周期。X軸代表電池容量（200至240毫安時，相當(dāng)于一個CR2032紐扣電池），Y軸代表預(yù)期電池使用壽命。在這個例子中，基于RSL10的信標(biāo)在相同的廣告占空比（1.6 Hz）、相同的協(xié)議和傳輸功率（-6 dBM）下，預(yù)期電池使用壽命約32個月，而不是只有4、5個月。

圖4：基于RSL10的信標(biāo)的電池使用壽命得以延長

新能源

制造商現(xiàn)在采用更高能效的無線電SoC，能夠研究以前不可能的新能源和替代能源。這包括使用更小的紐扣電池（CR24xx到CR2016），使用表面貼裝的微型電池，甚或設(shè)計無電池應(yīng)用。這些選項中的任何一個都減少應(yīng)用的重量、尺寸和復(fù)雜性，從而提升整體設(shè)計。

安森美半導(dǎo)體最近與Dracula Technologies合作開發(fā)了一個完全由光伏（PV）電池供電的傳感器節(jié)點的概念驗證。該設(shè)計是基于Dracula Technologies的LAYER?以及獲LEAP獎的RSL10太陽能電池多傳感器平臺。該設(shè)計大約只有信用卡的一半大小，能夠提供持續(xù)的、不需要電池的BLE信標(biāo)和環(huán)境感知能力。

改進(jìn)的算法

安森美半導(dǎo)體工程師優(yōu)化啟動序列并開發(fā)用于實時定位系統(tǒng) （RTLS） 的特定算法，在固件層面提高了資產(chǎn)管理標(biāo)簽的性能。

在標(biāo)準(zhǔn)的RSL10 BLE協(xié)議棧中，默認(rèn)在三個定義的通道（37、38和39）進(jìn)行傳輸。這樣做是為了增加錨點或網(wǎng)關(guān)設(shè)備收到信標(biāo)事件的可能性。減少那些微小而短促的突發(fā)的功耗很重要，這樣事件的能量預(yù)算就會減少到給定發(fā)射功率的最大值。在這個例子中，我們已經(jīng)達(dá)到了每個11毫秒（ms）的事件不到20微焦，如下圖所示。

根據(jù)此計算，如果標(biāo)簽每 33 毫秒發(fā)送一次信息，則 CR2016 電池的使用壽命可延長到約 6 年。

圖 7. 優(yōu)化的BLE 傳輸和待機的能耗測量

算法優(yōu)化不僅僅是在BLE內(nèi)。使用為RSL10提供的另一個固件包--RSL10 Quuppa RTLS AoA CMSIS PackQ--我們能夠?qū)⒐脑俳档?0%。這種RTLS的實施特別智能，因為它減輕了發(fā)射功率預(yù)算而不影響系統(tǒng)性能，實時定位以50赫茲運行和更新。

圖 8. 使用RSL10 Quuppa AoA 標(biāo)簽 CMSIS 包的單一廣告事件

有了這些改進(jìn)，系統(tǒng)集成商可確保他們設(shè)計并投放市場的資產(chǎn)標(biāo)簽不會在不到一年的時間內(nèi)耗盡電池，從而使他們忘記追蹤器而關(guān)注資產(chǎn)。

審核編輯：郭婷