该怎么估算无线传感器电池供电时间？

　　无线传感器为监测环境状况或工业厂房及机器设备等应用提供了出色的视野。由于它们很容易安装，因此能够部署在各种环境中。未来几年，随着"物联网（IoT）"的广泛部署，无线传感器的应用将呈现爆炸式增长。但是限制无线传感器应用的一个最重要的因素就是它们的续航能力非常有限。当无线传感器的工作完全依赖电池时，一旦电池耗尽电能，传感器就变成了废品。

　　如果您正在设计由电池供电的无线传感器，要想确保它能够工作一定的时间，需要解决无数的难题。通常的方法是只有在进行必要的活动时才用电，其他时候传感器会进入低功率使用模式。无线传感器的工作可以分为一系列的活动，每个活动均要在一段时间内消耗一定的电能。最常见的活动包括：

　　●唤醒、测量，以及将数据处理成信息

　　●对射频功率放大器加电，发送信息，再次对射频功率放大器断电

　　●在双向传感器（发送和接收）中：唤醒、对接收机加电、接收信号、处理数据，按照信息行动，并再次断电

　　显而易见，有很多操作都会消耗电池的电能。

　　延长电池供电时间，最简单的做法是使用更大的电池，具有更大容量的电池。不过，您的客户可能希望传感器体积小、性能高（以便它们能够发送大量数据，并在本地拥有智能/数据处理能力）。显然，客户的预期与解决电池供电时间短这个问题的最简单方法完全背道而驰。

　　图 1：无线传感器在三种主要状态下的电流电平。

　　工程师如何估计电池的供电时间呢？

　　作为一名设计工程师，您需要从全局考虑，找到电池体积与无线传感器功能之间的平衡点，以便让小电池既能发挥最佳性能，又能持续足够长的时间。优化过程首先需要了解能量需求。收集有关能量使用的数据是表征器件性能的第一步。

　　电池有一个预定义数量的能量（瓦时（Wh））和容量（安时（Ah））。如果您知道器件工作需要多大的功率，就能计算出电池的供电时间。

　　电池供电时间（小时） = 电池容量（Wh） / 平均放电功率（W）

　　电池的能量也是其额定电压（V）与容量（Ah）的乘积。额定电压是凭借经验确定的电池放电曲线的中点值，可以正确关联电池的能量与容量。基于这个定义，电池的供电时间也可以用这个公式来确定：

　　电池供电时间（小时） = 电池容量（Ah） / 平均放电电流（A）

　　图 2：Keysight N6781A SMU 能够跨动态电流电平进行精确测量。

　　不过，当设备进行实际工作时，电池供电时间通常短于您计算的结果。我们最常听到的意见是："这电池的质量太差了！"一些大电池品牌通常会提供详细的技术指标，并解释说在同一类型的电池之间，容量通常也会有5% 到10% 的差异。但是即使按照保守估计的电池容量，电池供电时间也往往达不到标准。器件工作的时间长度比我们预计的短。为什么会这样？我们估计的电量使用情况正确吗？可能不正确。让我们探索一下这个问题。

　　测量动态电流消耗的复杂性

　　在无线传感器等电池供电器件中，为了省电，器件的子电路仅在需要时才激活。工程师将器件设计为大多数时间都处于消耗电量最小的睡眠模式。在睡眠模式下，只有实时时钟运行。器件会定期唤醒以执行测量。然后将采集的数据发送至接收节点。

　　不同的工作模式会导致电流消耗跨越从亚uA 到100mA 很宽的动态范围，其比值达到了1:1，000，000。

　　传统的测量技术及其局限性

　　要测量电流，众所周知的方法便是使用万用表的安培计功能。使用现代的数字万用表好像可以获得很好的电流测量精度，但其技术指标是根据固定范围和相对静态的信号电平来确定的，由于无线传感器具有动态的电流消耗，并不是非常适合使用万用表来测量。

　　图3：数据记录器：所有样本均统一到连续的采样周期中。无样本丢失。对于每个采样周期，还可提供最小值和最大值。 

　　数字万用表串联在电池与器件之间来测量电流。由于传感器的激活周期或发送模式的影响，我们会不时看到不稳定的读数。我们知道数字万用表拥有多个量程，采用自动量程能够选择最恰当的量程，并能提供最佳精度。不过，数字万用表也不是全是优点。自动量程需要时间来改变量程和稳定测量结果。自动量程时间通常为10ms 至100ms，长于传输或激活模式的时间。因此，用户需要禁用自动量程功能，手动选择最恰当的量程。

数字万用表的测量原理是通过在电路中插入一个分路器，然后测量这个分路器上的压降。通常，要测量小电流，您可使用高电阻分路器并选择低量程；要测量大电流，则使用低电阻分路器并选择高量程。这个压降也称为负载电压。由于这个压降，并非所有电池电压均能到