利用关键技术延长资产标签的电池使用寿命

半导体

像物联网（IoT）领域的许多行业一样，低功耗蓝牙（BLE）联接已彻底改变了资产管理的格局。BLE现在占当今市场上可追踪资产标签的50%。

基于RFID的标签仍在使用，但在提供有关资产周围事件的主动数据方面能力有限。RFID不被视为跟踪系统，而更像是一种需要扫描仪和人工干预的识别技术。

因此大多数RFID标签制造商现在都在考虑用BLE开发新标签。

在嵌入式 MCU 上运行BLE，现在可提供许多增值服务，例如环境数据日志传输、冷链管理和准确、实时的定位。

图1：各种联接技术用于资产追踪预测

2015 年，蓝牙标签市场处于起步阶段，有 22 家制造商的约26 款型号。那时，Aislelabs 发布了每个设备的技术基准。结论是，在他们特定的测试条件和 CR2032 电池下，电池寿命仅四到五个月，具体取决于设备制造商和硅芯片组供应商。

这种预期寿命对于消费者应用来说都不够，更不用说工业4.0了，因为在工业4.0中，保持尽可能低的运营成本至关重要。考虑到维护和服务费、电池更换和回收成本，部署一个大约每五个月就得检查一次的设备是不可行的。我们的实地调查表明，对于工业资产追踪标签来说，实现五年的电池运行寿命是个重要且必要的目标。

我们将在下文回顾关键技术，这些技术使我们能够开发具有 5 年电池使用寿命的BLE 标签，而不会影响性能和部署灵活性。

低功率无线电

在任何无线设计中，延长电池使用寿命的关键是尽量减少主要能耗元凶的影响——无线电和连接的微控制器。RSL10蓝牙5无线电系统单芯片（SoC）提供业界最低功耗的BLE技术，非常适合任何电池供电的系统。

为了说明这功耗到底有多低，我们计算了基于RSL10相比其他几个领先的无线电SoC的蓝牙信标的预期电池使用寿命。下图是在相同的应用条件下绘制的，包括传输功率和工作周期。X轴代表电池容量（200至240毫安时，相当于一个CR2032纽扣电池），Y轴代表预期电池使用寿命。在这个例子中，基于RSL10的信标在相同的广告占空比（1.6 Hz）、相同的协议和传输功率（-6 dBM）下，预期电池使用寿命约32个月，而不是只有4、5个月。

图4：基于RSL10的信标的电池使用寿命得以延长

新能源

制造商现在采用更高能效的无线电SoC，能够研究以前不可能的新能源和替代能源。这包括使用更小的纽扣电池（CR24xx到CR2016），使用表面贴装的微型电池，甚或设计无电池应用。这些选项中的任何一个都减少应用的重量、尺寸和复杂性，从而提升整体设计。

安森美半导体最近与Dracula Technologies合作开发了一个完全由光伏（PV）电池供电的传感器节点的概念验证。该设计是基于Dracula Technologies的LAYER®以及获LEAP奖的RSL10太阳能电池多传感器平台。该设计大约只有信用卡的一半大小，能够提供持续的、不需要电池的BLE信标和环境感知能力。

改进的算法

安森美半导体工程师优化启动序列并开发用于实时定位系统（RTLS）的特定算法，在固件层面提高了资产管理标签的性能。

在标准的RSL10 BLE协议栈中，默认在三个定义的通道（37、38和39）进行传输。这样做是为了增加锚点或网关设备收到信标事件的可能性。减少那些微小而短促的突发的功耗很重要，这样事件的能量预算就会减少到给定发射功率的最大值。在这个例子中，我们已经达到了每个11毫秒（ms）的事件不到20微焦，如下图所示。

根据此计算，如果标签每 33 毫秒发送一次信息，则 CR2016 电池的使用寿命可延长到约 6 年。

图 7. 优化的BLE 传输和待机的能耗测量

算法优化不仅仅是在BLE内。使用为RSL10提供的另一个固件包--RSL10 Quuppa RTLS AoA CMSIS PackQ--我们能够将功耗再降低30%。这种RTLS的实施特别智能，因为它减轻了发射功率预算而不影响系统性能，实时定位以50赫兹运行和更新。

图 8. 使用RSL10 Quuppa AoA 标签 CMSIS 包的单一广告事件

有了这些改进，系统集成商可确保他们设计并投放市场的资产标签不会在不到一年的时间内耗尽电池，从而使他们忘记追踪器而关注资产。