改進 LPWAN 物聯網裝置的使用壽命：提升電池管理的技術策略

對於在低功耗廣域網路 (LPWAN) 中運作的 IoT 裝置來說，電池續航力是關鍵的考慮因素，尤其是這些裝置部署在偏遠或難以觸及的位置時。然而，問題在於......哪些策略有助於這些 IoT 裝置達到最大電池續航力？

為了探討這些策略，本文將以一間虛構的公司 Y 來說明一個實際的情境。在此情境中，重點會放在 Y 公司感測器的電池續航力最佳化，方法是在開發電池驅動 IoT 感測器時，克服其所遭遇的常見挑戰。

情境：電池最佳化難題

Y 公司設計電池供電的環境感測器，可用於監測偏遠森林地區的空氣品質、溫度和濕度。這些感測器會透過 LoRaWAN 連線，由於要抵達這些偏遠站點並不容易且成本高昂，因此需在免頻繁更換電池的情況下持續運作數年。在產品開發過程中，Y 公司面臨多項挑戰：電池續航力的估算不一致、數據傳輸期間電力快速消耗，以及不同環境條件下的電池效能有所變化。

Otii 產品套件 | 小巧可攜帶的功率測量儀器，適用於辦公室、實驗室和現場測試。(圖片來源：Qoitech)

1.判定會影響 LPWAN 電池續航力的關鍵因素

為了解決這些問題，Y 公司先去瞭解會影響電池續航力的因素，包括不同裝置狀態下的功耗、網路連線要求，以及環境變數的影響。

實際測量與理論計算

Y 公司的初始作法是使用理論計算結果，依據規格書所列的數值來估算電池續航力。然而，在使用像是 Otii 儀器等工具測量功耗後，則發現理論功耗和實際功耗之間具有差異。舉例而言，若感測器每小時以 100 mW 的功率傳輸資料，在網路條件不良的情況下，就需要重新傳輸並延長連線時間，因此會比最佳網路情況多消耗 30% 的能量。透過電力剖析可看出，需要自適應的傳輸功率調整以達到電池續航力最佳化，如此就可將不必要的功耗減少 20%。

Otii 產品套件 | Otii Instrument(圖片來源：Qoitech)

2.實作電源管理技術達到最佳化電池續航力

Y 公司應用了各種電源管理策略，並將重點擺在待機與資料傳輸期間的能耗最小化。

電源管理的步驟和結果

• 動態傳輸功率調整：Y 公司採用的策略是依據訊號品質，以及與基地台的距離，來調整裝置的傳輸功率。若是裝置較靠近基地台，其傳輸功率會降低，就可降低整體功耗並延長電池續航力。
• 最佳化睡眠模式：感測器大部分時間都處於深度睡眠模式，只有在要收集和傳輸資料時才會喚醒。韌體經過配置，可依據資料的重要性動態調整睡眠的持續時間，例如在溫度快速變化期間。此調整可大幅降低待機期間的平均功耗。
• 縮短傳輸期間的作用時間：透過通訊協定的最佳化，將數據封包壓縮並降低狀態更新的頻率，因此 Y 公司得以在傳輸期間減少耗電量，進而達到更高效率的能源利用。

Otii 產品套件 | Otii Ace Pro | Power Box 設定測量電流、功率和電壓通道。(圖片來源：Qoitech)

3.挑選適合嚴峻條件的電池

對於像 Y 公司環境感測器這樣的 IoT 裝置，其在溫度波動的戶外環境中運作，因此挑選合適的電池是達到可靠效能並延長使用壽命的關鍵。要考量的關鍵因素包括電化學、容量、能量密度、電壓和放電特性、溫度範圍、裝置的貨架存放壽命、成本和使用壽命。評估這些因素後，Y 公司的工程師得以確保為 IoT 裝置提供可靠且持久的電源供應，進而促成整體部署的順利。

4.IoT 電池挑選流程順利的四個步驟

對 Y 公司來說，要達到最佳化電池續航力，遵循一定架構的電池挑選流程相當重要。要遵循以下四個步驟：

#1) 制訂使用案例：Y 公司規定，主要的使用案例涉及在不同戶外條件下進行連續環境監測，因此需要有高能量密度和溫度韌性的強固電池。

#2) 電力剖析：透過 Otii Battery Toolbox，Y 公司針對不同的裝置活動進行電力剖析，例如資料傳輸、主動感測和深度睡眠。剖析資料指出，80% 的功耗發生在傳輸過程，促使韌體和應用程式軟體進一步最佳化與迭代。

#3) 建立電池設定檔：電池設定會依據實際使用案例的情境建立，包括不同的溫度和負載條件。這凸顯出不同品牌和化學機制之間可用容量的差異，尤其是在大電流消耗情況下。

#4) 模擬電池效能：透過 Otii Ace Pro，Y 公司可以重新執行電池設定檔以模擬真實世界的條件。測試指出，依據負載的不同，某些電池品牌的實際可用容量，最低僅有規格表所示容量的 60％，進一步凸顯出詳細剖析的重要性。

Otii 產品套件 | 電池剖析工具設定。(圖片來源：Qoitech)

5.剖析和模擬電池化學機制

剖析不同的電池化學機制：在一份個案研究中，Qoitech 使用 Otii Ace Pro 和 Otii Battery Toolbox 對多種電池化學機制進行了詳細比較。Y 公司可應用這些方法來評估不同電池在其裝置中的表現。

剖析實際電池容量的估算結果

• 鋰錳電池：對 Saft LM17500 的三個樣品進行剖析後發現，在室溫下的平均容量為 3050 mAh，略高於規格書所示數值。在寒冷條件下，容量僅下降 10%，表示具有強大的溫度韌性。
• 鹼性電池：不同品牌的容量差異很大，AAA 電池的容量從 1080 mAh 至 1150 mAh 不等，AA 電池的容量介於 2420 mAh 到 2730 mAh 之間。鹼性電池在 0°C 時容量減少多達 35%，因此不太適合低溫氣候部署。
• 模擬電池設定檔：透過 Otii Ace Pro 重新執行電池設定檔，Y 公司就可預測裝置在不同電池條件下的關機行為。這種模擬作法可準確估算各種情境下的裝置生命週期，確保達到可靠的電源管理規劃。

Otii 產品套件 | Battery Toolbox |電池模擬。(圖片來源：Qoitech)

結論：LPWAN 電池續航力最佳化的完整作法

Y 公司的歷程凸顯出系統化的技術作法，對於發揮 LPWAN IoT 裝置的最大電池續航力來說至關重要。在實際條件下進行電池驗證，需要考量實際的功耗模式、環境因素和操作行為，藉此確保裝置在真正反映其預期用途的情境中進行測試。這種作法可跳脫理論估算和規格書數值，專注在電源管理最佳化、節能技術的微調，以及電池的仔細挑選與剖析。

遵循這些做法，開發人員就可大幅提升 IoT 感測器的整體效能和使用壽命，即使在具有挑戰性的環境中，也能確保可靠高效的運作。