أداء البطارية لأجهزة إنترنت الأشياء: لماذا لا تلبي جميع بطاريات أجهزة إنترنت الأشياء "طويلة العمر" مواصفاتها؟

في صناعة إنترنت الأشياء, أصبح عمر البطارية متعدد السنوات هو المعيار الذهبي. إنه وعد بالموثوقية و “اضبط وانسى” تجربة المستخدم. بينما تم تصميم أجهزة استشعار صناعية عالية الجودة لتحقيق ذلك معلم تشغيلي طويل المدى, إن تحقيق ذلك لا يقتصر فقط على اختيار بطارية كبيرة. يتعلق الأمر بالتوازن الدقيق بين قدرة الأجهزة وظروف العالم الحقيقي.

حتى بالنسبة للمنتجات المصممة لتحقيق أقصى عمر ممكن, يمكن أن يؤدي نشرها في قبو رطب أو مستودع متجمد إلى تحدي هذا الجدول الزمني إذا لم يتم تحسين النظام بشكل مثالي. الفرق بين الجهاز الذي يحقق أهداف طول العمر والجهاز الذي لا يحقق أهدافه غالبًا ما يرجع إلى فهم فيزياء الأجهزة كيف بطاريات جهاز إنترنت الأشياء يعيش ويموت.

لضمان نجاح مشروعك, عليك أن تتجاوز “نظرية” وانظر إلى المتغيرات التي تستنزف الطاقة فعليًا في هذا المجال. إنه تحدٍ شائع في الصناعة تعتمد عليه بعض مطالبات البطارية “عالم مثالي” السيناريوهات المعملية التي نادرًا ما تُترجم إلى نشر فعلي. طول العمر في العالم الحقيقي ليس علامة تسويقية; إنها نتيجة هندسة النظم.

تشريح استهلاك الطاقة: أين تذهب الطاقة?

أن جهاز إنترنت الأشياء هو مثل رياضي محترف. معظم الوقت, يجب أن يستريح لتوفير الطاقة, ولكن عندما يحين وقت الأداء, يستخدم انفجارًا هائلاً من القوة. يمكننا تصنيف هذا إلى ثلاثة أوضاع متميزة.

1. وضع السكون (خط الأساس)

هذا هو المكان الذي يجب أن يقضيه جهازك 99% من حياتها. في نوم عميق حقيقي, يقوم الجهاز بإيقاف تشغيل كل الدوائر الداخلية تقريبًا. يبقى مؤقت صغير فقط مستيقظًا لإخبار النظام بموعد ذلك “استيقظ.” يتم تعريف طول العمر من خلال هذه الحالة. إذا كان تيار نومك مرتفعًا جدًا ببضعة ميكروأمبير, رانه عمر البطارية لجهازك يمكن تقليلها بشكل كبير حتى قبل أن يرسل الجهاز رسالته الأولى.

2. وضع المعالجة (الدماغ)

عندما ينطفئ الموقت, يستيقظ المتحكم الدقيق. يحتاج إلى قراءة أجهزة الاستشعار, تشغيل خوارزمية, وتحديد ما إذا كانت البيانات تستحق الإرسال. أصبحت الرقائق الحديثة فعالة جدًا في القيام بذلك “التفكير” في بضع ميلي ثانية فقط, التقليل من الوقت “مخ” نشط بالكامل.

3. وضع الإرسال (خنزير الطاقة)

هذه هي منطقة الخطر. تشغيل الراديو اللاسلكي (سواء كان الأمر كذلك الخلوية, لوراوان, أو بلوتوث) هو أغلى شيء يمكن أن يفعله الجهاز. يمكن أن يستهلك إرسال حزمة بيانات واحدة نفس القدر من الطاقة الذي يستهلكه البقاء في وضع السكون لعدة أيام. إذا كانت الإشارة ضعيفة, الجهاز يجب أن “تصرخ” بصوت أعلى وحاول عدة مرات, الذي يعمل بمثابة تسرب في دلو البطارية.

7 العوامل الحاسمة التي تؤثر على طول عمر جهاز إنترنت الأشياء

فهم الأوضاع هو البداية, لكن هذه المتغيرات تحدد ما إذا كان مشروعك سيصل إلى متوسط ​​العمر المتوقع الكامل.

فترات نقل البيانات:

كم مرة جهازك “هواتف المنزل” هو الاتصال الهاتفي الأكثر مباشرة الذي يمكنك تشغيله للتحكم في الطاقة. إذا قام الجهاز بالإبلاغ عن البيانات كل عشر دقائق بدلاً من مرة واحدة يوميًا, فهو لا يستخدم فقط المزيد من الطاقة; إنه يجبر الراديو على البقاء نشطًا بشكل متكرر, منع البطارية من الدخول إلى حالات الراحة الأكثر كفاءة. يعد الإبلاغ عالي التردد أسرع طريقة لاستنزاف الخلية, في حين أن التقارير ذات التكرار المنخفض هي المفتاح لطول العمر لعدة سنوات.

كيمياء البطارية:

ليست كل البطاريات متساوية. كلوريد ثيونيل الليثيوم (Li-SOCl₂) تشتهر بمعدل التفريغ الذاتي المنخفض للغاية, مما يجعلها مثالية لحياة طويلة, “اضبط وانسى” تطبيقات الاستشعار. ثاني أكسيد الليثيوم المنغنيز (Li-MnO₂), على الجانب الآخر, يوفر قدرة تيار نبض أفضل, مما يجعلها أكثر ملاءمة للتطبيقات ذات الإرسال الخلوي المتكرر.

تردد الإرسال (دورة العمل):

ما بعد فترة الإبلاغ, تحدد دورة العمل - النسبة المئوية للوقت الذي يكون فيه الراديو نشطًا - الكفاءة الإجمالية. وهو يمثل “العمل للراحة” نسبة. على سبيل المثال, في نطاق 868 ميجاهرتز في أوروبا, غالبًا ما تقصر اللوائح الأجهزة على أ 1% دورة العمل, يعني فقط 36 ثانية من وقت البث في الساعة. حتى مع التقارير ذات التردد المنخفض, يؤدي معدل البيانات البطيء أو ضعف قوة الإشارة إلى إجبار الجهاز على البقاء “على الهواء” لفترة أطول, رفع دورة العمل واستنفاد البطارية بشكل أسرع.

الظروف البيئية:

يزيد البرد الشديد من المقاومة الداخلية للبطارية, مما يجعل من الصعب سحب الطاقة. الحرارة الشديدة تسرع الشيخوخة الكيميائية. قد تمنحك البطارية جزءًا صغيرًا فقط من سعتها المقدرة إذا قضت عمرها في ثلاجة صناعية قاسية.

ظروف الشبكة:

سيستخدم الجهاز الموجود على حافة نطاق برج الخلية طاقة أكبر بكثير للحفاظ على الاتصال مقارنة بالجهاز الذي يجلس بجواره مباشرةً. التغطية الضعيفة تؤدي إلى إعادة الإرسال, وهي قتلة البطارية الصامتة.

منطق البرامج الثابتة:

“كسل” البرامج الثابتة تتبع “كفاءة كسول” فلسفة. يشبه إلى حد كبير الكسلان, يبقى الجهاز في وضع السكون العميق 99% من حياتها. يتم تنشيطه لمدة ميلي ثانية فقط لأداء المهام الأساسية, ثم يقوم على الفور بإيقاف تشغيل جميع المكونات غير الأساسية لتوفير كل ميكروأمبيرات ممكنة من الطاقة.

اختيار البروتوكول:

اختيار الحق “لغة” يهم. يعد LoRaWAN رائعًا للمسافات الطويلة والبيانات الصغيرة, بينما إنترنت الأشياء (NB-IoT). أفضل للاختراق الداخلي العميق ولكنه يحمل أ ارتفاع تكلفة الطاقة لمصافحة الشبكة.

ملاحظة على “العالم الحقيقي” مصداقية

طول العمر في الميدان هو نتيجة النظام, ليست مجرد مواصفات الأجهزة. في حين أن تحقيق الإنجازات طويلة المدى يعد سمة مميزة لإنترنت الأشياء الصناعي عالي الجودة, يتطلب المحاسبة “الضرائب في العالم الحقيقي” التي غالبًا ما تتجاهلها أوراق البيانات المبسطة. يمكن أن تؤدي عوامل مثل إعادة محاولة الشبكة في المناطق ذات الإشارة المنخفضة أو التفريغ الذاتي للبطارية على مدار سنوات عديدة إلى إنشاء فجوة بين تقديرات المختبر والأداء الفعلي. إن النهج الشفاف تجاه هذه المتغيرات هو ما يفصل بين النشر الموثوق والفشل المبكر.

تقدير عمر البطارية لعمليات نشر إنترنت الأشياء

لا تعتمد على تخمين بسيط. يمكنك تقدير عمر جهازك بقليل من “الرياضيات منديل” وهذا دقيق بشكل مدهش.

خطوة 1: جمع مواصفات المكونات

أنت بحاجة إلى رقمين لكل جزء من جهازك: التيار الذي يرسمه (بالمللي أمبير أو مللي أمبير) والمدة التي يبقى فيها على هذا الوضع (في ثواني). لا تنس إلقاء نظرة على السعة الإجمالية للبطارية, عادة ما يتم سردها بالمللي أمبير في الساعة (ماه).

خطوة 2: حساب متوسط ​​الاستهلاك

استخدم هذه الصيغة للعثور على متوسط ​​التيار (أنامتوسط):

في هذه المعادلة, ت هو جزء من الوقت المستغرق في كل وضع. على سبيل المثال, إذا استيقظ ل 1 ثانية كل 100 ثواني, تنشيط يكون 0.01.

خطوة 3: تقدير العمر الافتراضي

الآن, قم بتقسيم سعة البطارية على هذا التيار المتوسط:

للحصول على سنوات, فقط قم بتقسيم هذا المجموع على 8,760 (عدد الساعات في السنة).

أفضل الممارسات لتعظيم طول العمر

إذا أظهرت حساباتك أن البطارية ستستمر لبضع سنوات فقط ولكنك تحتاج إلى زيادة عمر خدمة جهازك إلى الحد الأقصى, إليك كيفية سد الفجوة.

1. تحسين تكرار التقارير

اسأل نفسك: هل يجب حقًا إرسال هذه البيانات كل يوم 5 دقائق? تجميع البيانات الخاصة بك (جمع العديد من القراءات وإرسالها في رزمة واحدة كبيرة) أو التحول إلى “على أساس الاستثناء” إعداد التقارير (إرسال البيانات فقط عند الوصول إلى الحد الأدنى) يمكن أن يوفر كميات هائلة من الطاقة.

2. احتضان حافة الحوسبة

بدلاً من إرسال البيانات الأولية إلى السحابة, دع الجهاز يقوم بالعمل. إذا كنت تراقب محركًا بحثًا عن الاهتزازات, دع الجهاز يقوم بتحليل “ضوضاء” محليا. أرسل رسالة فقط إذا كان المحرك معطلاً بالفعل. تكون الحوسبة محليًا دائمًا أرخص من الإرسال لاسلكيًا.

3. تحسين تصميم الأجهزة

احترس من “راشح” عناصر. يمكن لمنظمات الجهد الكهربي أو المقاومات الرخيصة أن تسحب القليل من التيار حتى عندما يكون الجهاز مغلقًا. على مدى بضع سنوات, تضيف هذه التسريبات الصغيرة إلى بطارية فارغة. المكونات عالية الجودة هي أساس المتانة, منتج طويل العمر.

الخط السفلي

تحقيق أداء البطارية لعدة سنوات في تطبيقات إنترنت الأشياء يعد إنجازًا هندسيًا مهمًا, ليس أ خرافة. يتطلب ذلك “كفاءة كسول”- تصميم نظام يبقى في نوم عميق قدر الإمكان, يستخدم الكيمياء المناسبة للبيئة, ويحد من عمليات النقل الثقيلة الطاقة.

من خلال قياس استهلاكك في العالم الحقيقي وتصميم البرامج الثابتة الخاصة بك لتكون كذلك “مثل الكسلان” قدر الإمكان, يمكنك التأكد من أن أجهزتك تظل أصولًا موثوقة في الميدان على المدى الطويل. سوف تشكرك ميزانية الصيانة الخاصة بك والمستخدمين لديك.