一种用于IOT独立式烟雾探测器的电池电量判断和预测方法

一种用于iot独立式烟雾探测器的电池电量判断和预测方法
技术领域
1.本发明涉及光电式烟雾探测器相关技术领域，具体涉及一种用于iot独立式烟雾探测器的电池电量判断和预测方法。


背景技术：

2.光电式烟雾探测器按其通讯模式分为点式烟雾探测器和独立式烟雾探测器。点式烟雾探测器一般使用有线连接，线缆提供探测器的供电以及通讯功能。独立式烟雾探测器与主机之间使用无线连接，特别是用于iot(internet of things，物联网)应用的探测器，一般是使用nb-iot、lora、bluetooth以及zigbee等无线通讯方式；由于是无线连接，独立式烟雾探测器需要使用内置一次性电池供电。
3.独立式烟雾探测器需要足够的电量以维持3年以上的连续工作，而且所用电池需要有较高的耐久度，因此锂锰电池和锂亚电池(统称为一次性锂电池)或者类似的高可靠性不可充电电池是独立式烟雾探测器的首选。为了保证独立式烟雾探测器能够长期工作，那么功耗问题以及电池电量的判断和预测将是设计人员考虑的主要问题。
4.关于功耗问题：独立式烟雾探测器的工作模式分为周期性数据采集模式和周期性数据通讯模式：周期性数据采集模式的平均工作电流很低，典型功耗小于10ua；周期性数据通讯模式中通讯模块会消耗电池的大量电量，这是因为使用nb-iot、lora、bluetooth以及zigbee等无线通讯模块的工作过程中，其通讯电流一般在几个ma到几百个ma之间不等。
5.关于电池电量的判断和预测问题：首先一次性锂电池的电压会随着环境温度的降低而降低，因此如果以电池电压作为电池电量的判断条件时非常容易误判，现有技术中使用电池电量计芯片也有问题：一是增加成本，二是增加额外的静态功耗消耗；其次一次性锂电池的电量会随着时间衰减，电池的自放电电流会损失部分电量，虽然自放电电流很低但对于需要长期供电的产品仍不可忽视；然后一次性锂电池的输出电压与负载电流有关，尤其是当电池电量变低时使用通讯模块会在输出电流增大的情况下拉低电池电压，如果电池电压很低则影响其他电路的供电，甚至导致探测器无法进行数据采集。
6.因此，针对独立式烟雾探测器的应用场景，我们需要设计一种低成本的、低功耗的针对一次性锂电池的电量判断和预测方法，来控制功耗，保证独立式烟雾探测器能够长期工作。


技术实现要素：

7.为了解决上述内容中提到的问题，本发明提供了一种用于iot独立式烟雾探测器的电池电量判断和预测方法，其能够准确判断和预测电池电量，再结合电压和温度来控制通讯模块工作，实现控制功耗，保证独立式烟雾探测器能够长期工作的目的。
8.其技术方案是这样的：
9.一种用于iot独立式烟雾探测器的电池电量判断和预测方法，其特征在于包括以下步骤：
10.步骤1、烟雾探测器在每次打开通讯模块前，进入电量判断和预测流程，更新电池电量百分比soc
bat
；
11.步骤2、采集环境温度t
amb
和电池电压v
bat
，并结合电池电量百分比soc
bat
判断是否打开通讯模块；如果是，则继续执行步骤3，否则回到数据采集；
12.步骤3、打开通讯模块并计算本次通讯模块的电量消耗q
comnew
；
13.步骤4、根据本次通讯模块的电量消耗q
comnew
更新电池电量百分比soc
bat
。
14.进一步的，所述步骤1中更新电池电量百分比soc
bat
具体为：首先更新过往电量消耗q
con
，q
con
＝iq×
δt q
com
，其中iq为烟雾探测器的静态平均电流，即周期性数据采集模式的平均电流，δt为烟雾探测器的累计工作时间，q
com
为烟雾探测器的通讯模块的电量消耗累计值；然后更新电池电量百分比soc
bat
，soc
bat
＝(q
bat-q
con
)
÷qbat
，其中q
bat
为有效电池电量。
15.进一步的，所述步骤2包括以下步骤：
16.步骤2-1、采集环境温度t
amb
和电池电压信息v
bat
，如果电池电量百分比soc
bat
≤10％则判断不打开通讯模块和执行步骤2-5，否则执行步骤2-2；
17.步骤2-2、如果v
bat
≥v
th
，则判断打开通讯模块和执行步骤2-5，否则执行步骤2-3；其中v
th
为阈值电压，取值为2.6v-2.7v之间；
18.步骤2-3、如果t
amb
≥-10℃，则判断不打开通讯模块和执行步骤2-5，否则执行步骤2-4；
19.步骤2-4、如果-20℃≤t
amb
《-10℃且soc
bat
≥20％，则判断打开通讯模块和执行步骤2-5，否则判断不打开通讯模块和执行步骤2-5；
20.步骤2-5、根据是否打开通讯模块的判断结果，如果是，则继续执行步骤3，否则返回至周期性数据采集模式的数据采集。
21.进一步的，所述步骤3中计算本次通讯模块的电量消耗q
comnew
具体为：假设通讯模块的发送工作时间为t
tx
，单位为s；发送工作平均电流为i
tx
,单位为ma；接收工作时间为t
rx
,单位为s；接收工作平均电流为i
rx
，单位为ma；则本次通讯模块的电量消耗为q
comnew
＝(t
tx
×itx
t
rx
×irx
)
÷
3600，单位为mah。
22.进一步的，假设通讯模块的讯号质量按信号强度分为五级，对应的电流强度系数k＝[k1,k2,k3,k4,k5]，则i
txn
＝i
tx
×
k，i
rxn
＝i
rx
×
k,q
comnew
＝(t
tx
×itxn
t
rx
×irxn
)
÷
3600，其中i
txn
为系数补偿后的发送工作平均电流，i
rxn
为系数补偿后的接收工作平均电流。信号强度一般可以通过读取通讯模块的状态获得，并分为五档，k系数可以由试验获得经验系数。
[0023]
进一步的，所述步骤4中根据本次通讯模块的电量消耗q
comnew
更新电池电量百分比soc
bat
具体为：首先将本次通讯模块的电量消耗q
comnew
累加到通讯模块的电量消耗累计值q
com
中；然后更新过往电量消耗q
con
，q
con
＝iq×
δt q
com
；最后更新电池电量百分比aoc
bat
，soc
bat
＝(q
bat-q
con
)
÷qbat
。
[0024]
进一步的，所述有效电池电量q
bat
＝q
rating
×
m，其中q
rating
为电池的额定容量，m为余量系数，取值范围为85％-95％。
[0025]
本发明的有益效果为：
[0026]
1、本发明的方法通过累计烟雾探测器的周期性数据采集模式的工作时间和通讯模块的电量消耗来判断和预测电池电量，再结合电压和温度来综合判断并控制通讯模块工作，只有当电量足够的情况下才考虑打开通讯模块，实现了对功耗的控制，保证独立式烟雾
探测器能够长期工作的目的。
[0027]
2、本发明的方法没有增加额外的硬件成本和功耗；监控电池电压可以使用处理器的自带的模数转换电路，采集精度为好于
±
0.1v即可；采集环境温度可使用低成本的ntc型温度传感器，使用处理器自带的模数转换电路，采集精度好于
±
3℃即可；这些设计的要求比较低，均可使用低成本的器件完成，而且不需要实时采集，只需要按需采集，相较于使用电池电量计或者电流传感器的方案既节省成本也节省了系统功耗。
[0028]
3、本发明的方法得到的电池电量不受突发的温度变化干扰，从而设备可以从容应对不同的环境状态，避免因环境温度变化导致的误报；并且考虑到电池的自放电电流会损失部分电量，在本方法中设置了余量系数，使用有效电池电量来计算剩余电量百分百；还考虑到通讯模块的讯号质量对应的电流强度不同，设置了电流强度系数，针对不同的信号强度对每次通讯模块的电量消耗进行补偿；上述这些设计进一步地保证了对独立式烟雾探测器的电池电量的准确预估。
[0029]
4、由于电池电压与电池电量没有线性关系，本发明没有使用单一的监测电压的判断方法，而是充分考虑到了影响电池电压的不同场景：低温环境、电池电量低以及大负载电流等场合，使用了本发明方法中的综合判据，减少了误判，提高了判断的准确性；并且本发明还包括了针对低温的特殊处理，当环境温度低于-20℃条件下，电池的有效容量已经很低而且此时无法满足大输出电流的环境，比如驱动通讯模块等，此时探测器仅工作于正常的周期性数据采集模式，保证独立式烟雾探测器能够长期工作的目的。
[0030]
5、相较于市面上的主流烟雾探测器仅仅标注-10℃到55℃或60℃的使用环境，本发明的方法能大大提高对电池电量的预估精度，也有利于运营和维护；独立式烟雾探测器本身具备跟后台服务器的通讯互动能力，可以在汇报状态的同时与后台数据和信息同步，后台掌握了批量设备运行数据后可以有针对地进行设备运营改进甚至反馈给研发端改进产品性能。
[0031]
6、本发明的方法适用于所有的锂电池供电系统设备，具备较好的移植性。
附图说明
[0032]
图1为本发明的方法流程示意图。
[0033]
图2为本发明中步骤2的方法流程示意图。
具体实施方式
[0034]
下面结合实施例对本发明做进一步的描述。
[0035]
以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的保护范围。实施例中的条件可以根据具体条件做进一步的调整，在本发明的构思前提下对本发明的方法简单改进都属于本发明要求保护的范围。
[0036]
烟雾探测器工作模式分为周期性数据采集模式和周期性数据通讯模式：周期性数据采集模式即探测器周期性地进行数据采集的模式，此时的探测器处于超低功耗模式，典型平均功耗≤10ua；周期性数据通讯模式指的是探测器周期性地打开通讯模块发送状态信息以及汇报数据的模式，典型的汇报周期为1到7天。
[0037]
如图1所示，一种用于iot独立式烟雾探测器的电池电量判断和预测方法，其特征
在于包括以下步骤。
[0038]
步骤1、烟雾探测器在每次打开通讯模块前，进入电量判断和预测流程，更新电池电量百分比soc
bat
；具体为：首先更新过往电量消耗q
con
，q
con
＝iq×
δt q
com
，其中iq为烟雾探测器的静态平均电流，即周期性数据采集模式的平均电流，δt为烟雾探测器的累计工作时间，q
com
为烟雾探测器的通讯模块的电量消耗累计值；然后更新电池电量百分比soc
bat
，soc
bat
＝(q
bat-q
con
)
÷qbat
，其中q
bat
为有效电池电量。δt和q
com
均由烟雾探测器的程序进行累计，并与本发明中的其他变量都保存在非易失性存储器中，此为常规技术手段，在此不做赘述。
[0039]
步骤2、采集环境温度t
amb
和电池电压v
bat
，并结合电池电量百分比soc
bat
判断是否打开通讯模块；如果是，则继续执行步骤3，否则回到数据采集。如图2所示，具体包括以下步骤：
[0040]
步骤2-1、采集环境温度t
amb
和电池电压信息v
bat
，监控电池电压可以使用处理器的自带的模数转换电路，采集精度好于
±
0.1v即可；采集环境温度可使用低成本的ntc型温度传感器，使用处理器自带的模数转换电路，采集精度好于
±
3℃即可；如果电池电量百分比soc
bat
≤10％，说明设备电量不足，则判断不打开通讯模块和执行步骤2-5，否则执行步骤2-2。当电池电量不足的时候禁止使用通讯模块，以保持续航时间，从系统设计角度考虑，当电池即将低于开启通讯模块的电量时可以主动通知服务器其电量情况，然后不再使用通讯模块通讯。
[0041]
步骤2-2、如果v
bat
≥v
th
，不管温度t
amb
为多少均视为电池电量充足，则判断打开通讯模块和执行步骤2-5，否则执行步骤2-3；其中v
th
为阈值电压，取值为2.6v-2.7v之间。
[0042]
步骤2-3、如果t
amb
≥-10℃，说明设备工作于正常工作范围内且电量不足，则判断不打开通讯模块和执行步骤2-5，否则执行步骤2-4。
[0043]
步骤2-4、如果-20℃≤t
amb
《-10℃且soc
bat
≥20％，说明设备工作于低温条件下且有足够的电量，则判断打开通讯模块和执行步骤2-5，否则判断不打开通讯模块和执行步骤2-5。当t
amb
《-20℃，则说明设备工作于极低温条件下，此时的电池电压又很低，只能执行正常的数据采集模式，设备不开启通讯模块。以亿纬锂能的一次性cr17450锂锰电池为例，其电池尺寸为17*45mm，电池容量为2200-2400mah，电池电压为3v，放电截止电压为2.0v。这是常温下的规格，随着环境温度的降低，电池的容量、电压以及放点电流都会变小，尤其是-20℃以下的情况。因此，烟雾探测器的电池电量管理、判断以及预测均需考虑到上述各种条件，当电池电量不足或者设备处于极低温条件下时将不打开通讯模块，只是用正常的数据采集模式。
[0044]
步骤2-5、根据是否打开通讯模块的判断结果，如果是，则继续执行步骤3，否则返回至周期性数据采集模式的数据采集。
[0045]
步骤3、打开通讯模块并计算本次通讯模块的电量消耗q
comnew
；具体为：假设通讯模块的发送工作时间为t
tx
，单位为s；发送工作平均电流为i
tx
,单位为ma；接收工作时间为t
rx
,单位为s；接收工作平均电流为i
rx
，单位为ma；则本次通讯模块的电量消耗为q
comnew
＝(t
tx
×itx
t
rx
×irx
)
÷
3600，单位为mah。
[0046]
信号强度一般可以通过读取通讯模块的状态获得，并分为五档。优选的，假设通讯模块的讯号质量按信号强度分为五级，对应的电流强度系数k＝[k1,k2,k3,k4,k5]，k1到k5五
等分，对应着0％-100％的信号强度，k1对应着信号质量最差的0％-20％，k5对应着信号质量最好的80％-100％。k5＝1意味着正常电流，k1》k2》k3》k4》k5，信号质量越差对应的电流越大，电流强度系数是研发时测试的不同信号强度对应的电流相对于信号质量最好的电流的比例系数。电流强度系数可以通过射频屏蔽箱对各个信号强度范围进行标定，为实验经验值，作为默认常数，为简单计算，默认发射电流和接收电流强度使用同一套系数，用于简单估算通讯模块的功耗。默认的电流强度系数为20％递增的，即k＝[k1,k2,k3,k4,k5]＝[2.1,1.7,1.4,1.2,1.0]。通过系数补偿后i
txn
＝i
tx
×
k，i
rxn
＝i
rx
×
k,q
comnew
＝(t
tx
×itxn
t
rx
×irxn
)
÷
3600，其中i
txn
为系数补偿后的发送工作平均电流，i
rxn
为系数补偿后的接收工作平均电流。
[0047]
步骤4、根据本次通讯模块的电量消耗q
comnew
更新电池电量百分比soc
bat
；具体为：首先将本次通讯模块的电量消耗q
comnew
累加到通讯模块的电量消耗累计值q
com
中；然后更新过往电量消耗q
con
，q
con
＝iq×
δt q
com
；最后更新电池电量百分比soc
bat
，soc
bat
＝(q
bat-q
con
)
÷qbat
。
[0048]
考虑到电池的自放电衰减以及电量计算的偏差问题，所述有效电池电量q
bat
＝q
rating
×
m，其中q
rating
为电池的额定容量，m为余量系数，取值范围为85％-95％，默认为90％。
[0049]
尽管已经出示和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。