利用關鍵技術延長資產(chǎn)標簽的電池使用壽命

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

基于RFID的標簽仍在使用，但在提供有關資產(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的識別技術。

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

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

圖1：各種聯(lián)接技術用于資產(chǎn)追蹤預測

2015 年，藍牙標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)布了每個設備的技術基準。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，具體取決于設備制造商和硅芯片組供應商。

這種預期壽命對于消費者應用來說都不夠，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重要?？紤]到維護和服務費、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。

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

低功率無線電

在任何無線設計中，延長電池使用壽命的關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，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相比其他幾個領先的無線電SoC的藍牙信標的預期電池使用壽命。下圖是在相同的應用條件下繪制的，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，相當于一個CR2032紐扣電池），Y軸代表預期電池使用壽命。在這個例子中，基于RSL10的信標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，甚或設計無電池應用。這些選項中的任何一個都減少應用的重量、尺寸和復雜性，從而提升整體設計。

安森美半導體最近與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信標和環(huán)境感知能力。

改進的算法

安森美半導體工程師優(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)管理標簽的性能。

在標準的RSL10 BLE協(xié)議棧中，默認在三個定義的通道（37、38和39）進行傳輸。這樣做是為了增加錨點或網(wǎng)關設備收到信標事件的可能性。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)射功率預算而不影響系統(tǒng)性能，實時定位以50赫茲運行和更新。