NB—IoT終端長續航安全供電解決方案研究

宋丹+范振鋒+曹蕾

【摘 要】從現有終端安全供電解決方案出發，分析了現有方案的優劣勢，并針對現有方案的不足，提出了NB-IoT終端長續航安全供電的解決方案，詳細介紹了該方案在終端側的硬件實現原理，以及該方案在網絡側的系統實現原理。使用本文所述的方案，既能夠保證NB-IoT終端長時工作的可靠性，同時又能夠保證終端長時供電的安全性，為實現NB-IoT終端長續航安全工作提供了技術保障。

【關鍵詞】NB-IoT 電源管理 終端設備 長續航 通信模組

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2016.24.014 中圖分類號：TN929.53 文獻標志碼：A 文章編號：1006-1010（2016）24-0067-05

1 引言

目前，越來越多的NB-IoT終端行業應用都提出了穩定工作時長不短于10年的需求，例如無線智能抄表業務等。作為NB-IoT終端設備的“心臟”，電池能否持續穩定安全地給終端供電，成為衡量NB-IoT終端設備性能的一個重要指標。

2 現有終端安全供電解決方案

近年來，由于電池爆炸而導致的嚴重的安全事故屢見不鮮，其中的一個重要原因就是：出廠時標配的已經過嚴格測試的原配電池被人為換成了便宜的替代電池。由于替代電池并沒有經過嚴格測試甚至沒有經過安全測試，存在著很大的安全隱患，這是應該被嚴令禁止使用的。因此，很多終端廠商采取了一些阻止用戶自行更換電池的方法，具體如下文的介紹。

2.1 焊接

將電池與終端設備焊接在一起，使得一般的終端用戶無法自行拆卸電池，必須通過專業技術人員來進行電池更換——以此來控制電池的來源，保證使用合格的電池。

這種方式雖然比較簡單、有效，但是卻不利于電池的及時更換與設備的維護，降低了設備長時工作的可靠性。一旦電池或終端設備任何一方出現問題需要維修，焊接在一起的電池與終端基本都需要同時更換，大大增加了維修成本。

2.2 鉚釘

將電池通過鉚釘與終端設備連接在一起，這樣的不可拆設計使得一般的終端用戶無法自行拆卸電池，必須通過專業技術人員來進行更換——以此來控制電池的來源，保證使用合格的電池。

相比焊接的方式，雖然這種方式的更換成本有所降低，但是仍不利于電池的及時更換與設備維護，維護成本仍然偏高。

2.3 芯片識別

在電池中添加存儲器芯片，用于存儲電池的參數（例如：制造廠商、流水號、生產日期、電壓、容量等），存儲信息可以用于電池的身份識別，一旦終端檢測到身份不吻合的電池，終端就無法啟動。這種方式保留了用戶可以自行更換合格電池（終端廠商認可的電池）的選擇，有利于用戶及時更換電池以保證終端設備的長時使用。

這種方式需要在電池中加入存儲器芯片，這顯著增加了電池的成本，而且存儲器芯片中存儲的信息也存在被假冒電池廠偽造的可能性，繼而導致芯片識別這種電池保護方式失效。因此，現在這種芯片識別的方式已經很少被采用了。

此外，對于物聯網行業中頗為常見的鋰原電池、堿性電池等，在電池內部增加芯片識別的難度較高，尚未見業界有類似的實現。

2.4 阻值識別

如圖1所示，在電池及終端內部分別串接一顆阻值固定的電阻，通過檢測中間觸點處的電壓值來判斷電池身份。只有當終端檢測到正確的電壓值，才允許電池正常供電，終端才能夠正常啟動、工作；否則，終端無法啟動。

相比于芯片識別的方式，這種方法更加簡便易行且成本低廉（小于0.1美元），但是卻更加容易被假冒電池廠偽造。

而且，如果終端采用了上述幾種方法，一旦終端出現了電池電量不足等意外情況，用戶為了優先保證終端長時工作的可靠性，通常會選擇臨時裝入沒有經過原廠認證的電池作為應急之用（例如：使用超市隨處可見的堿性電池等）。但終端一旦檢測出裝入了非原廠認證電池，那么終端將無法啟動，嚴重影響用戶體驗。

3 NB-IoT終端長續航安全供電解決方案

對于許多NB-IoT終端的物聯網行業應用，保證NB-IoT終端的長時穩定使用是非常重要的，甚至是頭等重要的。一般經過原廠認證的電池成本較高，尤其是在物聯網行業終端中頗為常見的鋰原電池，不僅成本高而且需要專業工程師進行電池的維護。電池從制造完成之日起就不斷地進行自放電，電量會不斷降低，因此，普通用戶不太可能也不建議常備這種鋰原電池。一旦電池需要及時進行更換，但是短時間內又無法獲得原廠認證的電池，如何既能夠保證終端長時運行的工作可靠性，又能夠保證終端供電的安全性，本文介紹的NB-IoT終端長續航安全供電解決方案就可以解決該問題。

3.1 終端側硬件實現原理

如圖2所示，本文所述解決方案的終端側硬件實現部分包括電池、電源管理模塊PMIC、升壓模塊（DC-DC Booster）、應用處理器AP、標準物聯網通信模組等硬件組成部分，還包括計時模塊和電池通斷控制模塊。其中，電池配有供電觸點、溫度觸點及電池身份識別觸點。

圖2中所示的終端側的應用處理器AP通過電池身份識別觸點獲取電池的身份信息，若AP獲取的身份信息顯示正常，那么AP發送正常指令A給計時模塊。計時模塊接收到正常指令A后不會啟動計時流程，發送正常指令A1至電池通斷控制模塊。此時，電池的供電電壓VBAT將通過電池通斷控制模塊與電源管理模塊PMIC、升壓模塊DC-DC Booster等模塊之間形成正常通路，VBAT給電源管理模塊PMIC、升壓模塊DC-DC Booster等模塊正常供電，則終端可以正常工作。

若AP獲取的身份信息顯示異常，那么AP將立即向標準物聯網通信模組發送一條電池身份報警指令，該電池身份報警指令將觸發終端向網絡（基站）發出一條高優先等級的電池身份異常報告，這種異常報告的發生概率很低，可能長達數月或數年才會發出一條電池身份異常報告。而移動物聯網終端可能絕大部分的時間都處于待機或睡眠模式，一旦終端發出電池身份異常報告，無論移動物聯網終端當前是處于待機模式還是睡眠模式，都將立即轉為工作模式，并向網絡（基站）實時發出電池身份異常報告。

如上所述，在AP向標準物聯網通信模組發送一條電池身份報警指令后，AP將收到標準物聯網通信模組回發給AP的一條電池異常指令確認接收指令。待AP接收到這條標準物聯網通信模組回發的電池異常指令，確認接收指令后，AP將立即發送異常指令B給計時模塊，計時模塊接收到異常指令B后會立即啟動計時流程。

（1）在計時T達到時限Tmax之前，即T

（2）當計時T達到時限Tmax后，即T≥Tmax時，計時模塊將立即發送異常指令B1至電池通斷控制模塊。此時，電池通斷控制模塊將立即切斷電池的供電電壓VBAT與電源管理模塊PMIC、升壓模塊DC-DC Booster等模塊之間的通路，則終端停止工作，隨即進入關機狀態。

其中，計時時限Tmax可在終端出廠時默認設置一個值，例如1小時或2小時等，一般Tmax的設定時長以工程師可以完成電池維護為估算目標。

如圖3所示，本文所述的電池通斷控制模塊相當于一個選擇開關，根據外部的相關指令進行對應通路的選擇：

（1）當電池導通，供電電壓VBAT與電源管理模塊PMIC、升壓模塊DC-DC Booster等模塊之間形成正常通路時，電源通斷控制模塊內部接入觸點1。

（2）當電池切斷時，電源通斷控制模塊內部接入觸點2，并通過接地電容C0接地。其中，C0可選用較大容值的電容，例如22 pF或33 pF等。

3.2 網絡側系統實現原理

本文所述的終端長續航安全供電解決方案尤其適用于窄帶蜂窩物聯網（NB-IoT）。如圖4所示，終端發出的電池異常報告通過標準物聯網通信模組發送至基站，并通過窄帶蜂窩物聯網發送到業務平臺，再由業務平臺將接收到的信息進行解碼，將解碼得到的電池維護指令以語音或文字等形式發送給工程師，通知工程師去檢修維護電池。

若工程師通過評估當前情況認為自己在終端的計時時限Tmax內完成電池檢修維護的可能性較低或希望延長計時時限Tmax，可以通過業務平臺發送時限延長指令，再通過窄帶蜂窩物聯網將時限延長指令發送至標準物聯網通信模組，即該時限延長指令被送達終端。

若工程師通過評估當前情況認為需要對電池進行遠程的通斷操作，也可以通過業務平臺發送電池通斷指令，再通過窄帶蜂窩物聯網將電池通斷指令發送至標準物聯網通信模組，即該電池通斷指令被送達終端。

隨后，在終端內部，該時限延長指令/電池通斷指令將通過標準物聯網通信模組分別送達應用處理器AP和電池通斷控制模塊。

當應用處理器AP接收到時限延長指令時，將按照指令要求，向計時模塊發出時限延長指令——AP每接收到一次時限延長指令，Tmax將自動延長一個Ts時長，即更新后的計時時限Tmax'=Tmax+Ts×N。其中，Ts可為任何正數，一般可設置Ts=1小時，N=[0，1，2，3，……]，代表AP接收到的時限延長指令的總次數。

當電池通斷控制模塊接收到電池通斷指令時，電池通斷控制模塊將立即按照指令控制電池供電電壓VBAT與電源管理模塊PMIC、升壓模塊DC-DC Booster等模塊之間的通路。電池通斷指令包括電池導通指令和電池切斷指令。

當電池通斷控制模塊接收到電池導通指令時，電池的供電電壓VBAT將通過電池通斷控制模塊與電源管理模塊PMIC、升壓模塊DC-DC Booster等模塊之間形成正常通路，VBAT給電源管理模塊PMIC、升壓模塊DC-DC Booster等模塊開始正常供電。隨后，電池通斷控制模塊給應用處理器AP發送一條電池導通確認指令，當AP接收到該條電池導通確認指令后，將發送正常指令A給計時模塊，計時模塊接收到正常指令A后不會啟動計時流程，且發送正常指令A1至電池通斷控制模塊，則終端可以恢復正常工作。

當電池通斷控制模塊接收到電池切斷指令時，電池通斷控制模塊將切斷電池供電電壓VBAT與電源管理模塊PMIC、升壓模塊DC-DC Booster等模塊之間的通路。VBAT無法繼續給電源管理模塊PMIC、升壓模塊DC-DC Booster等模塊供電，則終端停止工作，隨即進入關機狀態。

當電池供電電壓VBAT與電源管理模塊PMIC、升壓模塊DC-DC Booster等模塊之間的通路處于正常導通狀態時，無論電池通斷控制模塊之前接收到的末次指令是正常指令A1，還是異常指令B1，還是來自標準物聯網通信模組的電池通斷指令，只要AP從電池的溫度觸點處接收到了溫度異常信息，則AP將立即向標準物聯網通信模組發送一條電池過熱報警指令。該電池過熱報警指令將觸發終端向網絡（基站）發出一條高優先等級的電池溫度異常報告。

與前文所述的電池身份異常報告類似，這種電池溫度異常報告的發生概率也很低，可能長達數月或數年才會發出一條電池身份異常報告。而移動物聯網終端可能絕大部分的時間都處于待機或睡眠模式，一旦終端發出電池溫度異常報告，無論移動物聯網終端當前是處于待機模式還是睡眠模式，都將立即轉為工作模式，并向網絡（基站）實時發出電池溫度異常報告。

如上所述，在AP向標準物聯網通信模組發送一條電池過熱報警指令后，AP將收到標準物聯網通信模組回發給AP的一條電池異常指令確認接收指令。待AP接收到這條標準物聯網通信模組回發的電池異常指令確認接收指令后，AP將立即發送電池切斷指令給電池通斷控制模塊，電池通斷控制模塊將立即切斷電池供電電壓VBAT與電源管理模塊PMIC、升壓模塊DC-DC Booster等模塊之間的通路，則終端停止工作，隨即進入關機狀態。

對于沒有“電池身份識別”觸點的電池，一旦終端通過應用處理器AP監測到終端發生了關機重啟動作，那么，后續處理流程等同于“AP獲取的身份信息顯示異常”的終端處理流程，直到工程師通過業務平臺發送電池導通指令，終端才會恢復正常工作。

綜上所述，當終端出現電池電量不足等緊急情況時，在終端短時間內無法獲得原廠認證電池的情況下，允許用戶短時間內使用臨時的未經過原廠認證的電池（電池身份報警的電池）來保證終端的繼續使用。在該臨時使用狀態中，終端將密切監測電池狀態，一旦通過溫度觸點獲知電池過熱等不安全信息時，將立即上報網絡業務平臺，并隨即切斷電池供電，使終端立即進入關機狀態。使得在能夠盡量保證終端工作可靠性的情況下，還能最大程度地保證終端、電池以及用戶的安全。例如，終端原配的出廠電池是1.5 V的Li/FeS2電池，用戶可以用超市中隨處可見的普通1.5 V堿性電池作為短時應急之用，以最大程度地保證終端長時工作的可靠性。同時，通過該NB-IoT終端長續航安全供電解決方案，還可以更大程度地保證終端供電的安全性。

相比于現有方案中由于電池被人為更換為不合格電池而導致終端爆炸的情況，或相比于現有方案中由于電池被焊接或鉚釘在終端內部，使得終端由于無法及時更換電池而出現關機等嚴重影響終端工作可靠性的情況，本文所述方案既能夠保證終端長時運行的工作可靠性，同時又能夠保證終端供電的安全性——這對物聯網行業終端是尤其重要的。

4 結束語

本文從現有終端安全供電解決方案出發，分析了其優劣勢，并針對現有方案的不足，提出了NB-IoT終端長續航安全供電解決方案，詳細介紹了該方案在終端側的硬件實現原理，以及該方案在網絡側的系統實現原理。使用本文所述的方案，既能夠保證NB-IoT終端長時工作的可靠性，同時又能夠保證終端長時供電的安全性，為實現NB-IoT終端長續航安全工作提供了技術保障。

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