NB―IoT终端长续航安全供电解决方案研究
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【摘 要】从现有终端安全供电解决方案出发，分析了现有方案的优劣势，并针对现有方案的不足，提出了nb-iot终端长续航安全供电的解决方案，详细介绍了该方案在终端侧的硬件实现原理，以及该方案在网络侧的系统实现原理。使用本文所述的方案，既能够保证NB-IoT终端长时工作的可靠性，同时又能够保证终端长时供电的安全性，为实现NB-IoT终端长续航安全工作提供了技术保障。
【关键词】NB-IoT 电源管理 终端设备 长续航 通信模组
doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2016.24.014 中图分类号：TN929.53 文献标志码：A 文章编号：1006-1010（2016）24-0067-05
1 引言
目前，越来越多的NB-IoT终端行业应用都提出了稳定工作时长不短于10年的需求，例如无线智能抄表业务等。作为NB-IoT终端设备的“心脏”，电池能否持续稳定安全地给终端供电，成为衡量NB-IoT终端设备性能的一个重要指标。
2 现有终端安全供电解决方案
近年来，由于电池爆炸而导致的严重的安全事故屡见不鲜，其中的一个重要原因就是：出厂时标配的已经过严格测试的原配电池被人为换成了便宜的替代电池。由于替代电池并没有经过严格测试甚至没有经过安全测试，存在着很大的安全隐患，这是应该被严令禁止使用的。因此，很多终端厂商采取了一些阻止用户自行更换电池的方法，具体如下文的介绍。
2.1 焊接
将电池与终端设备焊接在一起，使得一般的终端用户无法自行拆卸电池，必须通过专业技术人员来进行电池更换――以此来控制电池的来源，保证使用合格的电池。
这种方式虽然比较简单、有效，但是却不利于电池的及时更换与设备的维护，降低了设备长时工作的可靠性。一旦电池或终端设备任何一方出现问题需要维修，焊接在一起的电池与终端基本都需要同时更换，大大增加了维修成本。
2.2 铆钉
将电池通过铆钉与终端设备连接在一起，这样的不可拆设计使得一般的终端用户无法自行拆卸电池，必须通过专业技术人员来进行更换――以此来控制电池的来源，保证使用合格的电池。
相比焊接的方式，虽然这种方式的更换成本有所降低，但是仍不利于电池的及时更换与设备维护，维护成本仍然偏高。
2.3 芯片识别
在电池中添加存储器芯片，用于存储电池的参数（例如：制造厂商、流水号、生产日期、电压、容量等），存储信息可以用于电池的身份识别，一旦终端检测到身份不吻合的电池，终端就无法启动。这种方式保留了用户可以自行更换合格电池（终端厂商认可的电池）的选择，有利于用户及时更换电池以保证终端设备的长时使用。
这种方式需要在电池中加入存储器芯片，这显著增加了电池的成本，而且存储器芯片中存储的信息也存在被假冒电池厂伪造的可能性，^而导致芯片识别这种电池保护方式失效。因此，现在这种芯片识别的方式已经很少被采用了。
此外，对于物联网行业中颇为常见的锂原电池、碱性电池等，在电池内部增加芯片识别的难度较高，尚未见业界有类似的实现。
2.4 阻值识别
如图1所示，在电池及终端内部分别串接一颗阻值固定的电阻，通过检测中间触点处的电压值来判断电池身份。只有当终端检测到正确的电压值，才允许电池正常供电，终端才能够正常启动、工作；否则，终端无法启动。
相比于芯片识别的方式，这种方法更加简便易行且成本低廉（小于0.1美元），但是却更加容易被假冒电池厂伪造。
而且，如果终端采用了上述几种方法，一旦终端出现了电池电量不足等意外情况，用户为了优先保证终端长时工作的可靠性，通常会选择临时装入没有经过原厂认证的电池作为应急之用（例如：使用超市随处可见的碱性电池等）。但终端一旦检测出装入了非原厂认证电池，那么终端将无法启动，严重影响用户体验。
3 NB-IoT终端长续航安全供电解决方案
对于许多NB-IoT终端的物联网行业应用，保证NB-IoT终端的长时稳定使用是非常重要的，甚至是头等重要的。一般经过原厂认证的电池成本较高，尤其是在物联网行业终端中颇为常见的锂原电池，不仅成本高而且需要专业工程师进行电池的维护。电池从制造完成之日起就不断地进行自放电，电量会不断降低，因此，普通用户不太可能也不建议常备这种锂原电池。一旦电池需要及时进行更换，但是短时间内又无法获得原厂认证的电池，如何既能够保证终端长时运行的工作可靠性，又能够保证终端供电的安全性，本文介绍的NB-IoT终端长续航安全供电解决方案就可以解决该问题。
3.1 终端侧硬件实现原理
如图2所示，本文所述解决方案的终端侧硬件实现部分包括电池、电源管理模块PMIC、升压模块（DC-DC Booster）、应用处理器AP、标准物联网通信模组等硬件组成部分，还包括计时模块和电池通断控制模块。其中，电池配有供电触点、温度触点及电池身份识别触点。
图2中所示的终端侧的应用处理器AP通过电池身份识别触点获取电池的身份信息，若AP获取的身份信息显示正常，那么AP发送正常指令A给计时模块。计时模块接收到正常指令A后不会启动计时流程，发送正常指令A1至电池通断控制模块。此时，电池的供电电压VBAT将通过电池通断控制模块与电源管理模块PMIC、升压模块DC-DC Booster等模块之间形成正常通路，VBAT给电源管理模块PMIC、升压模块DC-DC Booster等模块正常供电，则终端可以正常工作。
若AP获取的身份信息显示异常，那么AP将立即向标准物联网通信模组发送一条电池身份报警指令，该电池身份报警指令将触发终端向网络（基站）发出一条高优先等级的电池身份异常报告，这种异常报告的发生概率很低，可能长达数月或数年才会发出一条电池身份异常报告。而移动物联网终端可能绝大部分的时间都处于待机或睡眠模式，一旦终端发出电池身份异常报告，无论移动物联网终端当前是处于待机模式还是睡眠模式，都将立即转为工作模式，并向网络（基站）实时发出电池身份异常报告。
如上所述，在AP向标准物联网通信模组发送一条电池身份报警指令后，AP将收到标准物联网通信模组回发给AP的一条电池异常指令确认接收指令。待AP接收到这条标准物联网通信模组回发的电池异常指令，确认接收指令后，AP将立即发送异常指令B给计时模块，计时模块接收到异常指令B后会立即启动计时流程。
（1）在计时T达到时限Tmax之前，即T
（2）当计时T达到时限Tmax后，即T≥Tmax时，计时模块将立即发送异常指令B1至电池通断控制模块。此时，电池通断控制模块将立即切断电池的供电电压VBAT与电源管理模块PMIC、升压模块DC-DC Booster等模块之间的通路，则终端停止工作，随即进入关机状态。
其中，计时时限Tmax可在终端出厂时默认设置一个值，例如1小时或2小时等，一般Tmax的设定时长以工程师可以完成电池维护为估算目标。
如图3所示，本文所述的电池通断控制模块相当于一个选择开关，根据外部的相关指令进行对应通路的选择：
（1）当电池导通，供电电压VBAT与电源管理模块PMIC、升压模块DC-DC Booster等模块之间形成正常通路时，电源通断控制模块内部接入触点1。
（2）当电池切断时，电源通断控制模块内部接入触点2，并通过接地电容C0接地。其中，C0可选用较大容值的电容，例如22 pF或33 pF等。
3.2 网络侧系统实现原理
本文所述的终端长续航安全供电解决方案尤其适用于窄带蜂窝物联网（NB-IoT）。如图4所示，终端发出的电池异常报告通过标准物联网通信模组发送至基站，并通过窄带蜂窝物联网发送到业务平台，再由业务平台将接收到的信息进行解码，将解码得到的电池维护指令以语音或文字等形式发送给工程师，通知工程师去检修维护电池。
若工程师通过评估当前情况认为自己在终端的计时时限Tmax内完成电池检修维护的可能性较低或希望延长计时时限Tmax，可以通过业务平台发送时限延长指令，再通过窄带蜂窝物联网将时限延长指令发送至标准物联网通信模组，即该时限延长指令被送达终端。
若工程师通过评估当前情况认为需要对电池进行远程的通断操作，也可以通过业务平台发送电池通断指令，再通过窄带蜂窝物联网将电池通断指令发送至标准物联网通信模组，即该电池通断指令被送达终端。
随后，在终端内部，该时限延长指令/电池通断指令将通过标准物联网通信模组分别送达应用处理器AP和电池通断控制模块。
当应用处理器AP接收到时限延长指令时，将按照指令要求，向计时模块发出时限延长指令――AP每接收到一次r限延长指令，Tmax将自动延长一个Ts时长，即更新后的计时时限Tmax'=Tmax+Ts×N。其中，Ts可为任何正数，一般可设置Ts=1小时，N=[0，1，2，3，……]，代表AP接收到的时限延长指令的总次数。
当电池通断控制模块接收到电池通断指令时，电池通断控制模块将立即按照指令控制电池供电电压VBAT与电源管理模块PMIC、升压模块DC-DC Booster等模块之间的通路。电池通断指令包括电池导通指令和电池切断指令。
当电池通断控制模块接收到电池导通指令时，电池的供电电压VBAT将通过电池通断控制模块与电源管理模块PMIC、升压模块DC-DC Booster等模块之间形成正常通路，VBAT给电源管理模块PMIC、升压模块DC-DC Booster等模块开始正常供电。随后，电池通断控制模块给应用处理器AP发送一条电池导通确认指令，当AP接收到该条电池导通确认指令后，将发送正常指令A给计时模块，计时模块接收到正常指令A后不会启动计时流程，且发送正常指令A1至电池通断控制模块，则终端可以恢复正常工作。
当电池通断控制模块接收到电池切断指令时，电池通断控制模块将切断电池供电电压VBAT与电源管理模块PMIC、升压模块DC-DC Booster等模块之间的通路。VBAT无法继续给电源管理模块PMIC、升压模块DC-DC Booster等模块供电，则终端停止工作，随即进入关机状态。
当电池供电电压VBAT与电源管理模块PMIC、升压模块DC-DC Booster等模块之间的通路处于正常导通状态时，无论电池通断控制模块之前接收到的末次指令是正常指令A1，还是异常指令B1，还是来自标准物联网通信模组的电池通断指令，只要AP从电池的温度触点处接收到了温度异常信息，则AP将立即向标准物联网通信模组发送一条电池过热报警指令。该电池过热报警指令将触发终端向网络（基站）发出一条高优先等级的电池温度异常报告。
与前文所述的电池身份异常报告类似，这种电池温度异常报告的发生概率也很低，可能长达数月或数年才会发出一条电池身份异常报告。而移动物联网终端可能绝大部分的时间都处于待机或睡眠模式，一旦终端发出电池温度异常报告，无论移动物联网终端当前是处于待机模式还是睡眠模式，都将立即转为工作模式，并向网络（基站）实时发出电池温度异常报告。
如上所述，在AP向标准物联网通信模组发送一条电池过热报警指令后，AP将收到标准物联网通信模组回发给AP的一条电池异常指令确认接收指令。待AP接收到这条标准物联网通信模组回发的电池异常指令确认接收指令后，AP将立即发送电池切断指令给电池通断控制模块，电池通断控制模块将立即切断电池供电电压VBAT与电源管理模块PMIC、升压模块DC-DC Booster等模块之间的通路，则终端停止工作，随即进入关机状态。
对于没有“电池身份识别”触点的电池，一旦终端通过应用处理器AP监测到终端发生了关机重启动作，那么，后续处理流程等同于“AP获取的身份信息显示异常”的终端处理流程，直到工程师通过业务平台发送电池导通指令，终端才会恢复正常工作。
C上所述，当终端出现电池电量不足等紧急情况时，在终端短时间内无法获得原厂认证电池的情况下，允许用户短时间内使用临时的未经过原厂认证的电池（电池身份报警的电池）来保证终端的继续使用。在该临时使用状态中，终端将密切监测电池状态，一旦通过温度触点获知电池过热等不安全信息时，将立即上报网络业务平台，并随即切断电池供电，使终端立即进入关机状态。使得在能够尽量保证终端工作可靠性的情况下，还能最大程度地保证终端、电池以及用户的安全。例如，终端原配的出厂电池是1.5 V的Li/FeS2电池，用户可以用超市中随处可见的普通1.5 V碱性电池作为短时应急之用，以最大程度地保证终端长时工作的可靠性。同时，通过该NB-IoT终端长续航安全供电解决方案，还可以更大程度地保证终端供电的安全性。
相比于现有方案中由于电池被人为更换为不合格电池而导致终端爆炸的情况，或相比于现有方案中由于电池被焊接或铆钉在终端内部，使得终端由于无法及时更换电池而出现关机等严重影响终端工作可靠性的情况，本文所述方案既能够保证终端长时运行的工作可靠性，同时又能够保证终端供电的安全性――这对物联网行业终端是尤其重要的。
4 结束语
本文从现有终端安全供电解决方案出发，分析了其优劣势，并针对现有方案的不足，提出了NB-IoT终端长续航安全供电解决方案，详细介绍了该方案在终端侧的硬件实现原理，以及该方案在网络侧的系统实现原理。使用本文所述的方案，既能够保证NB-IoT终端长时工作的可靠性，同时又能够保证终端长时供电的安全性，为实现NB-IoT终端长续航安全工作提供了技术保障。
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