NB—IoT終端長續(xù)航安全供電解決方案研究

宋丹+范振鋒+曹蕾

【摘 要】從現(xiàn)有終端安全供電解決方案出發(fā)，分析了現(xiàn)有方案的優(yōu)劣勢，并針對現(xiàn)有方案的不足，提出了NB-IoT終端長續(xù)航安全供電的解決方案，詳細介紹了該方案在終端側(cè)的硬件實現(xiàn)原理，以及該方案在網(wǎng)絡(luò)側(cè)的系統(tǒng)實現(xiàn)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(xiàn)NB-IoT終端長續(xù)航安全工作提供了技術(shù)保障。

【關(guān)鍵詞】NB-IoT 電源管理 終端設(shè)備 長續(xù)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(biāo)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(yè)應(yīng)用都提出了穩(wěn)定工作時長不短于10年的需求，例如無線智能抄表業(yè)務(wù)等。作為NB-IoT終端設(shè)備的“心臟”，電池能否持續(xù)穩(wěn)定安全地給終端供電，成為衡量NB-IoT終端設(shè)備性能的一個重要指標(biāo)。

2 現(xiàn)有終端安全供電解決方案

近年來，由于電池爆炸而導(dǎo)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(biāo)配的已經(jīng)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(jīng)過嚴格測試甚至沒有經(jīng)過安全測試，存在著很大的安全隱患，這是應(yīng)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(shè)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(yè)技術(shù)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(shè)備的維護，降低了設(shè)備長時工作的可靠性。一旦電池或終端設(shè)備任何一方出現(xiàn)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(shè)備連接在一起，這樣的不可拆設(shè)計使得一般的終端用戶無法自行拆卸電池，必須通過專業(yè)技術(shù)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(shè)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(shù)（例如：制造廠商、流水號、生產(chǎn)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(shè)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(dǎo)致芯片識別這種電池保護方式失效。因此，現(xiàn)在這種芯片識別的方式已經(jīng)很少被采用了。

此外，對于物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)中頗為常見的鋰原電池、堿性電池等，在電池內(nèi)部增加芯片識別的難度較高，尚未見業(yè)界有類似的實現(xiàn)。

2.4 阻值識別

如圖1所示，在電池及終端內(nèi)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(dāng)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(xiàn)了電池電量不足等意外情況，用戶為了優(yōu)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(jīng)過原廠認證的電池作為應(yīng)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(xù)航安全供電解決方案

對于許多NB-IoT終端的物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)應(yīng)用，保證NB-IoT終端的長時穩(wěn)定使用是非常重要的，甚至是頭等重要的。一般經(jīng)過原廠認證的電池成本較高，尤其是在物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)終端中頗為常見的鋰原電池，不僅成本高而且需要專業(yè)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(nèi)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(xù)航安全供電解決方案就可以解決該問題。

3.1 終端側(cè)硬件實現(xiàn)原理

如圖2所示，本文所述解決方案的終端側(cè)硬件實現(xiàn)部分包括電池、電源管理模塊PMIC、升壓模塊（DC-DC Booster）、應(yīng)用處理器AP、標(biāo)準(zhǔn)物聯(lián)網(wǎng)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(cè)的應(yīng)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(fā)送正常指令A(yù)給計時模塊。計時模塊接收到正常指令A(yù)后不會啟動計時流程，發(fā)送正常指令A(yù)1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(biāo)準(zhǔn)物聯(lián)網(wǎng)通信模組發(fā)送一條電池身份報警指令，該電池身份報警指令將觸發(fā)終端向網(wǎng)絡(luò)（基站）發(fā)出一條高優(yōu)先等級的電池身份異常報告，這種異常報告的發(fā)生概率很低，可能長達數(shù)月或數(shù)年才會發(fā)出一條電池身份異常報告。而移動物聯(lián)網(wǎng)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(fā)出電池身份異常報告，無論移動物聯(lián)網(wǎng)終端當(dāng)前是處于待機模式還是睡眠模式，都將立即轉(zhuǎn)為工作模式，并向網(wǎng)絡(luò)（基站）實時發(fā)出電池身份異常報告。

如上所述，在AP向標(biāo)準(zhǔn)物聯(lián)網(wǎng)通信模組發(fā)送一條電池身份報警指令后，AP將收到標(biāo)準(zhǔn)物聯(lián)網(wǎng)通信模組回發(fā)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(biāo)準(zhǔn)物聯(lián)網(wǎng)通信模組回發(fā)的電池異常指令，確認接收指令后，AP將立即發(fā)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(dāng)計時T達到時限Tmax后，即T≥Tmax時，計時模塊將立即發(fā)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(guān)機狀態(tài)。

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

如圖3所示，本文所述的電池通斷控制模塊相當(dāng)于一個選擇開關(guān)，根據(jù)外部的相關(guān)指令進行對應(yīng)通路的選擇：

（1）當(dāng)電池導(dǎo)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(nèi)部接入觸點1。

（2）當(dāng)電池切斷時，電源通斷控制模塊內(nèi)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(wǎng)絡(luò)側(cè)系統(tǒng)實現(xiàn)原理

本文所述的終端長續(xù)航安全供電解決方案尤其適用于窄帶蜂窩物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）。如圖4所示，終端發(fā)出的電池異常報告通過標(biāo)準(zhǔn)物聯(lián)網(wǎng)通信模組發(fā)送至基站，并通過窄帶蜂窩物聯(lián)網(wǎng)發(fā)送到業(yè)務(wù)平臺，再由業(yè)務(wù)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(fā)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(dāng)前情況認為自己在終端的計時時限Tmax內(nèi)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(yè)務(wù)平臺發(fā)送時限延長指令，再通過窄帶蜂窩物聯(lián)網(wǎng)將時限延長指令發(fā)送至標(biāo)準(zhǔn)物聯(lián)網(wǎng)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(dāng)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(yè)務(wù)平臺發(fā)送電池通斷指令，再通過窄帶蜂窩物聯(lián)網(wǎng)將電池通斷指令發(fā)送至標(biāo)準(zhǔn)物聯(lián)網(wǎng)通信模組，即該電池通斷指令被送達終端。

隨后，在終端內(nèi)部，該時限延長指令/電池通斷指令將通過標(biāo)準(zhǔn)物聯(lián)網(wǎng)通信模組分別送達應(yīng)用處理器AP和電池通斷控制模塊。

當(dāng)應(yīng)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(fā)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(shù)，一般可設(shè)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(shù)。

當(dāng)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(dǎo)通指令和電池切斷指令。

當(dāng)電池通斷控制模塊接收到電池導(dǎo)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(yīng)用處理器AP發(fā)送一條電池導(dǎo)通確認指令，當(dāng)AP接收到該條電池導(dǎo)通確認指令后，將發(fā)送正常指令A(yù)給計時模塊，計時模塊接收到正常指令A(yù)后不會啟動計時流程，且發(fā)送正常指令A(yù)1至電池通斷控制模塊，則終端可以恢復(fù)正常工作。

當(dāng)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(xù)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(guān)機狀態(tài)。

當(dāng)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(dǎo)通狀態(tài)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A(yù)1，還是異常指令B1，還是來自標(biāo)準(zhǔn)物聯(lián)網(wǎng)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(biāo)準(zhǔn)物聯(lián)網(wǎng)通信模組發(fā)送一條電池過熱報警指令。該電池過熱報警指令將觸發(fā)終端向網(wǎng)絡(luò)（基站）發(fā)出一條高優(yōu)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(fā)生概率也很低，可能長達數(shù)月或數(shù)年才會發(fā)出一條電池身份異常報告。而移動物聯(lián)網(wǎng)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(fā)出電池溫度異常報告，無論移動物聯(lián)網(wǎng)終端當(dāng)前是處于待機模式還是睡眠模式，都將立即轉(zhuǎn)為工作模式，并向網(wǎng)絡(luò)（基站）實時發(fā)出電池溫度異常報告。

如上所述，在AP向標(biāo)準(zhǔn)物聯(lián)網(wǎng)通信模組發(fā)送一條電池過熱報警指令后，AP將收到標(biāo)準(zhǔn)物聯(lián)網(wǎng)通信模組回發(fā)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(biāo)準(zhǔn)物聯(lián)網(wǎng)通信模組回發(fā)的電池異常指令確認接收指令后，AP將立即發(fā)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(guān)機狀態(tài)。

對于沒有“電池身份識別”觸點的電池，一旦終端通過應(yīng)用處理器AP監(jiān)測到終端發(fā)生了關(guān)機重啟動作，那么，后續(xù)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(yè)務(wù)平臺發(fā)送電池導(dǎo)通指令，終端才會恢復(fù)正常工作。

綜上所述，當(dāng)終端出現(xiàn)電池電量不足等緊急情況時，在終端短時間內(nèi)無法獲得原廠認證電池的情況下，允許用戶短時間內(nèi)使用臨時的未經(jīng)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(xù)使用。在該臨時使用狀態(tài)中，終端將密切監(jiān)測電池狀態(tài)，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(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)平臺，并隨即切斷電池供電，使終端立即進入關(guān)機狀態(tài)。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(yīng)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(xù)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(xiàn)有方案中由于電池被人為更換為不合格電池而導(dǎo)致終端爆炸的情況，或相比于現(xiàn)有方案中由于電池被焊接或鉚釘在終端內(nèi)部，使得終端由于無法及時更換電池而出現(xiàn)關(guān)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(lián)網(wǎng)行業(yè)終端是尤其重要的。

4 結(jié)束語

本文從現(xiàn)有終端安全供電解決方案出發(fā)，分析了其優(yōu)劣勢，并針對現(xiàn)有方案的不足，提出了NB-IoT終端長續(xù)航安全供電解決方案，詳細介紹了該方案在終端側(cè)的硬件實現(xiàn)原理，以及該方案在網(wǎng)絡(luò)側(cè)的系統(tǒng)實現(xiàn)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(xiàn)NB-IoT終端長續(xù)航安全工作提供了技術(shù)保障。

參考文獻：

[1] 中國移動通信有限公司研究院， 中國移動通信集團公司. 一種終端及控制方法[P]. 中國專利： 201610213020.6， 2016-04-07.

[2] 3GPP TR 45.820 V13.1.0. Cellular system support for ultra-low complexity and low throughput Internet of Things （CIoT）[S]. 2015.

[3] 3GPP TS 36.331 V14.0.0. Evolved Universal Terrestrial Radio Access （E-UTRA）； Radio Resource Control （RRC）； Protocol specification[S]. 2016.

[4] Internet Engineering Task Force （IETF）. The Constrained Application Protocol （CoAP）[S]. 2014.

[5] 3GPP TS 29.061 V14.0.0. Interworking between the Public Land Mobile Network （PLMN） supporting packet based services and Packet Data Networks （PDN） （Release 14）[S]. 2016.

[6] 3GPP TS 24.301 V13.5.0. Universal Mobile Telecommu-nications System （UMTS）； LTE Non-Access-Stratum （NAS） protocol for Evolved Packet System （EPS）； Stage 3[S]. 2016.

[7] R1-157741. Summary of NB-IoT evaluation results[A]. 3GPP TSG RAN WG1 Meeting #83[C]. Source： Huawei， HiSilicon， 2015.

[8] 3GPP TR 36.888 V12.0.0. Technical Specification Group Radio Access Network； Study on provision of low-cost Machine-Type Communications （MTC） User Equipments （UEs） based on LTE （Release 12）[S]. 2013.

[9] R1-156006. NB-IoT-Battery lifetime evaluation[Z]. 2015.

[10] 3GPP TS 23.401 V14.1.0. General Packet Radio Service （GPRS） enhancements for Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network （E-UTRAN） access （Release 14）[S]. 2016.