一、应用背景 
    随着国内汽车的快速增长,车多位少的问题越来越突出,成为当前社会普遍的关注点。智能停车系统的出现可以实现停车位利用率的最大化,为路内停车创造有序的环境,为车主解决了车位难寻的困扰。
地磁车位检测器作为智能停车检测系统的重要组成部件,大多数车位检测器都是采用电池供电,电池的使用年限就相当于一个车位检测器的使用年限,所以低功耗特性就是一项重要的指标,围绕功耗这个问题,很多厂家都在积极的寻找解决方法。
     NB-IoT作为物联网行业的新宠儿,在不少行业中得到了广泛的应用,而对于NB-IoT地磁车检,行业上仍然众说纷纭,相对于Lora地磁车检的超低功耗,大多数声音表示NB-IoT地磁车检器的功耗过大,最多只能满足3年使用寿命。果真是这样吗?作为一家专业的地磁车检器厂商,微传科技可以自信地说:NB-IoT地磁车检器完全可以满足5年使用寿命。那么,微传科技又是如何有效降低 NB-IoT地磁车检器的功耗呢?


二、车检功耗介绍 
    地磁车检器作为数据采集端,利用地磁复合传感器实时检测车辆进出停车位的情况。
    地磁车检器的相应功耗包含待机功耗与执行一次完整停车进出事件功耗。
    待机功耗:当车位无车辆进出时,包括空车位或车停稳占据车位时,车位检测器处于无扰动状态,此时功耗最低。
    执行事件功耗:执行一次完整的进/出车的功耗,包含检测功耗、发射功耗及发射完成后系统又进入待机状态的功耗。
    检测功耗:系统检测到车辆扰动,并执行运算,截止到系统 NB 未上报事件前的功耗。
    发射功耗:系统NB-IoT发射一次事件的功耗。


三、系统优化降耗方法
    降低功耗从下面两个方面入手:待机功耗、执行事件功耗。
    1、 降低系统待机功耗
在待机时候,在保证实时监测车位状态变化的同时,降低传感器芯片的工作频率和以占空比方式工作,并使其它所有器件(其他检测,通讯,微处理器等)处于休眠或断电的低功耗模式。
    2、 降低执行事件功耗
通过优化软件来缩短NB工作周期,通过硬件升级来降低工作功耗。


四、 系统优化功耗测试实验
    为了证明上述优化降耗方法的有效性,微传科技的工程师做了详细的优化降耗实验,具体实验过程和数据论证如下:
    1、测试设备
    目前市场上有很多不同的NB-IoT模块,模块不同就会存在差异,常见的有移远BC95模块。以下实验就以 BC95模块的地磁车检器为测试对象。
    测试NB-IOT停车检测器:微传VSP200
    测试NB模组:BC95
    测试设备:安捷伦N6705C


                                  

       图1 功率分析仪                                                       图2 微传VSP200

  

    2、系统优化前功耗测试
    待机功耗:系统10分钟待机消耗电池电量为46.56 uAh,算出平均消耗电池电量约0.0776 uAh/s。
    检测功耗:约11秒时间,系统消耗电池电量 23.759uAh,算出平均消耗电池电量约2.1599uAh/s。

    发射功耗:优化前NB-IoT发射一次事件需要11秒,消耗电池电量为 309.63uAh,算出平均消耗电池电量约28.150uAh/s。

    执行事件功耗:执行一次完整事件需要47.8秒,消耗电池电量为 361.48uAh,算出平均消耗电池电量为 7.562uAh/s。

    因此,一天如果按照10次事件和发射一次心跳计算,一天消耗电池电量为执行事件功耗+待机功耗约为:(7.562*47.8*11+0.0776*(60*60*24-47.8*11))/1000=10.64mAh,一般NB-IoT地磁车检器内含19Ah电池,如果按5年规划计算,每天最多不会超过10次进出车,即只能5次停车,这明显不能满足现在城市的繁忙地段需要。

    3、进行系统优化

   根据前文所述的优化方法对测试对象进行了如下操作:
    1)降低传感器芯片的在待机时的工作频率:工作频率由原来的50Hz降低到10Hz。
    2)设置传感器占空比方式工作:传感器由原来的持续工作修改为占空比方式工作;即传感器休眠几百ms再工 作几百ms,休眠和工作互相切换。
    3)优化NBIoT软硬件,缩短工作周期:原来NB发射一次事件需要11S,软硬件优化后只需要6.67S,原来NB执行一次完整事件需要47.8S,软硬件优化后只需要19.4S。


    4、系统优化后功耗测试
    待机功耗:优化后系统10 分钟消耗电池电量为 37.324 uAh,平均消耗电池电量 0.0622uAh/s,相比优化前, 待机功耗降低了19.8%。
    检测功耗:约11秒时间,系统消耗电池电量 16.675uAh,算出平均消耗电池电量约1.5159uAh/s,相比优化前,检测功耗降低了29.8%。
    发射功耗:优化后NB-IoT发射一次事件需要6.67秒,消耗电池电量为 80.018 uAh,算出平均消耗电池电量约11.987uAh/s,相比优化前,发射功耗降低了74.1%。

    执行事件功耗:优化后执行一次完整事件只需要19.4秒,消耗电池电量为 98.715uAh,算出平均消耗电池电量为 5.087uAh/s,相比优化前,执行事件功耗降低了72.7%。
    通过优化后,一天如果也按照10次事件和发射一次心跳计算,一天消耗电池电量为执行事件功耗+待机功耗约为:(5.087*19.4*11+0.0622*(60*60*24-19.4*11))/1000=6.446mAh,相比优化前,一天功耗降低了39.4%;一天如果按照50次事件和发射一次心跳计算,一天消耗电池电量为执行事件功耗+待机功耗约为:(5.087*19.4*51+0.0622*(60*60*24-19.4*51))/1000=10.34mAh;地磁车检器待机功耗和NB-IoT工作的耗电量5年累计18870.5mAh, 即一节19AH电池按每天50次进出车事件,25次停车计算,可以满足5年使用寿命。在原来的基础上,执行力五倍,每天50次进出车事件,可满足大部分区域的要求。
 

图3 功耗分析仪测试结果


    5、优化前后NB-IoT地磁车检器VSP200实际功耗对比

    经过数据对比可以明显看出,系统优化后的实际功耗得到了大幅度的降低,证明了降低NB-IoT地磁车检器的功耗是可实现的,也就证明了NB-IoT地磁车检器是完全能够满足5年使用寿命的。


                                                                   表1 系统优化前后功耗对比


平均待机消耗电池电量

平均检测消耗电池电量

平均发射消耗电池电量

执行一次事件平均消耗电池电量

优化前系统功耗

0.0776uAh/s

2.1599uAh/s

28.150uAh/s(耗时11S)

7.562uAh/s(耗时47.8S)

优化后系统功耗

0.0622uAh/s

1.5159uAh/s

11.987uAh/s(耗时6.67S)

5.087uAh/s(耗时19.4S)

  

五、小结
    NB-IoT随着功耗的改善,将更具有市场竞争力。城市管理所面对的难点问题,随着智慧停车的发展,大规模项目的投建,必然会得到大大的缓解。待构建智慧城市的大量项目落地投建使用后,相信“停车难”的问题将不复存在了。


2019年01月14日

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