由于尚未部署數(shù)十億個(gè)物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)，因此許多傳感器節(jié)點(diǎn)開(kāi)發(fā)人員面臨的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是功耗。對(duì)這些傳感器運(yùn)行電力線要么因其位置而不切實(shí)際，即使可行，耗時(shí)且昂貴。

此外，維修和更換電池可能會(huì)大大減少業(yè)務(wù)案例。產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員需要無(wú)限期地延長(zhǎng)電池壽命，或者找到替代方法為設(shè)備供電。

本文將展示如何分析產(chǎn)品的功耗并優(yōu)化其硬件和軟件，然后討論如何增強(qiáng)采用最新能量收集技術(shù)的電池。

能源概況

設(shè)計(jì)人員需要檢查和優(yōu)化的關(guān)鍵特性是其產(chǎn)品的能源配置。能量分布包括：

動(dòng)態(tài)能量消耗：設(shè)備喚醒和運(yùn)行時(shí)消耗的能量

靜態(tài)能量消耗：設(shè)備休眠時(shí)消耗的能量不執(zhí)行任何工作。

設(shè)計(jì)人員至少有三種選擇可用于延長(zhǎng)電池壽命并最大限度地減少系統(tǒng)維護(hù)：

硬件能源優(yōu)化

軟件能源優(yōu)化

能源收集

優(yōu)化硬件：微控制器

對(duì)于許多設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，能源優(yōu)化將從硬件。為產(chǎn)品選擇正確的有源和無(wú)源元件將大大有助于降低傳感器節(jié)點(diǎn)的能量曲線。典型無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)中的主要能源消耗包括：

微控制器

無(wú)線接口

傳感器和各種集成電路

電壓調(diào)節(jié)器

存儲(chǔ)器存儲(chǔ)設(shè)備

對(duì)于傳感器節(jié)點(diǎn)，主要能源消費(fèi)者將成為微控制器，因此它成為早期階段的關(guān)鍵組成部分設(shè)計(jì)。

微控制器有許多不同的形狀，尺寸和架構(gòu)，但對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)連接設(shè)備，從32位ARM微控制器開(kāi)始是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。這些微控制器得到了多家制造商的良好支持，在它們上開(kāi)發(fā)強(qiáng)大的便攜式軟件相對(duì)容易。它們的成本與許多8位或16位器件相當(dāng)，并且它們擁有強(qiáng)大的生態(tài)系統(tǒng)和社區(qū)。

雖然ARM微控制器通常具有高能效，但設(shè)計(jì)人員希望專注于Cortex -M0 +系列旨在最大限度地降低能耗。實(shí)際上，在最深的睡眠模式下，大多數(shù)Cortex-M0 +器件的功耗都低于1μA。

休眠電流很重要，特別是在低占空比應(yīng)用中，但在運(yùn)行時(shí)也應(yīng)選擇低功耗的器件。一個(gè)很好的例子是恩智浦KL02微控制器和Kinetis-L系列整體。恩智浦KL02是一款低引腳數(shù)器件，具有14個(gè)可用I/O.這非常適合需要對(duì)少量傳感器進(jìn)行采樣并與無(wú)線電通信的專用傳感器節(jié)點(diǎn)。恩智浦KL02具有4 kB的可用RAM和32 kB的編程空間。

傳感器節(jié)點(diǎn)需要更多的I/O和更多的RAM來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，甚至運(yùn)行輕量級(jí)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（ RTOS），應(yīng)該考慮意法半導(dǎo)體的STM32L031K6T7。 STM32L031K6T7具有25條可用I/O線，8 kB RAM和32 kB閃存。

選擇低功耗微控制器時(shí)，需要考慮以下建議和標(biāo)準(zhǔn)：

最小化I/O引腳數(shù)

最大限度地減少內(nèi)部外設(shè)的數(shù)量

選擇Cortex-M0 +系列或同等組件

驗(yàn)證是否部件中包含低功耗定時(shí)器

確保包含DMA控制器

優(yōu)化硬件：內(nèi)存和無(wú)源

何時(shí)選擇硬件組件時(shí)，微控制器并不是唯一可以成為能源的部分。延長(zhǎng)電池壽命通常是通過(guò)查看所有小功耗消耗器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這些消耗器在累加時(shí)變得相當(dāng)可觀。

例如采用EEPROM器件的設(shè)計(jì)，例如Microchip Technology的25LC160A。 25LC160A的讀取電流在數(shù)據(jù)表中規(guī)定為6 mA（5.5 V @ 10 MHz），寫入電流為3 mA，寫入時(shí)間為5 ms。對(duì)于更低的讀取電流，較新的FRAM芯片可低至200μA（1 MHz）。在訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)節(jié)省近3 mA可能看起來(lái)不是很多，但如果數(shù)據(jù)在多年內(nèi)被定期寫入和讀取，則會(huì)節(jié)省成本。 FRAM的寫入時(shí)間也等于SPI總線傳輸時(shí)間。

除了有源元件外，設(shè)計(jì)人員還應(yīng)檢查可能存在漏電流的無(wú)源元件。這些通常包括二極管，電容器和電阻器。選擇無(wú)源元件的設(shè)計(jì)人員應(yīng)記住：

由于漏電流值較高，應(yīng)避免使用鋁電容器

通過(guò)提高電容器的額定電壓可以降低漏電流

最大限度地降低穩(wěn)壓器輸出端的大容量電容

最大限度地減少電容器的數(shù)量，因?yàn)槊總€(gè)電容器都會(huì)有泄漏，可以快速累加。

選擇最大值的上拉電阻，以最大限度地降低漏電流

避免分壓電路

最大限度地降低穩(wěn)壓器的開(kāi)關(guān)頻率

優(yōu)化軟件以實(shí)現(xiàn)低能耗

最大限度地減少電子設(shè)備消耗的能量是優(yōu)化傳感器節(jié)點(diǎn)的重要一步。然而，通過(guò)考慮系統(tǒng)中組件的電氣約束，還需要使為傳感器節(jié)點(diǎn)編寫的軟件有效。開(kāi)發(fā)人員可以利用許多技術(shù)來(lái)最大限度地縮短系統(tǒng)喚醒時(shí)間，并盡可能長(zhǎng)時(shí)間地將系統(tǒng)保持在低功耗模式。其中包括：

使用低功耗定時(shí)器進(jìn)行喚醒

將軟件編寫為事件驅(qū)動(dòng)

使用最低功耗模式

使用DMA控制器

自治外設(shè)

使用這些技術(shù)的開(kāi)發(fā)人員可以擁有高效的軟件，但仍需要確定哪些軟件例程使用最多能源。使用功率監(jiān)視器，例如IAR I-Jet I-Scope，可以幫助開(kāi)發(fā)人員將功能和代碼行與系統(tǒng)中的能耗相關(guān)聯(lián)。當(dāng)與ARM的IAR I-Jet在線調(diào)試探針結(jié)合使用時(shí)，I-Scope可以在調(diào)試器對(duì)程序計(jì)數(shù)器進(jìn)行采樣的同時(shí)測(cè)量系統(tǒng)周圍的電壓和電流點(diǎn)。

程序計(jì)數(shù)器告訴調(diào)試環(huán)境在任何給定函數(shù)中執(zhí)行什么代碼行，然后調(diào)試環(huán)境將該行與系統(tǒng)中的能耗相關(guān)聯(lián)。然后，開(kāi)發(fā)人員會(huì)指出軟件中使用最多能量的區(qū)域，以便他們可以集中精力進(jìn)行優(yōu)化。

圖1：要了解軟件如何影響能耗，請(qǐng)將IAR I-Scope（顯示）連接到IAR I-Jet調(diào)試器以對(duì)程序計(jì)數(shù)器和系統(tǒng)進(jìn)行采樣電壓和電流。 （來(lái)源：IAR）

一旦軟件組件被識(shí)別為具有高能耗，開(kāi)發(fā)人員可以使用許多選項(xiàng)來(lái)優(yōu)化代碼，包括：

< li>提高功能中的優(yōu)化級(jí)別

優(yōu)化速度而不是代碼大小

重新編寫代碼區(qū)域

增加電池存儲(chǔ)能量回收

在許多情況下，傳感器節(jié)點(diǎn)將以光，溫度差，壓力和運(yùn)動(dòng)的形式暴露在環(huán)境能量中。設(shè)計(jì)人員可以利用這些附近的能源來(lái)增加電池電量并增加電量。例如，STMicroelectronics SPV1040太陽(yáng)能電池充電器可以捕獲光線直接為電路供電或?yàn)殡姵爻潆姟?/p>

SPV1040可以將輸入電壓低至0.3 V一直轉(zhuǎn)換為5.5 V變成可用的能量。 SPV1040可配置為最大1.8安培的最大充電電流，并且在太陽(yáng)能電池安裝不正確的情況下包括反極性保護(hù)。

意法半導(dǎo)體的STEVAL-ISV006V2評(píng)估套件允許設(shè)計(jì)人員測(cè)試SPV1040使用提供的太陽(yáng)能電池板，峰值功率輸出為200 mW（圖2）。 SPV1040可以處理5 W的峰值功率，因此設(shè)計(jì)人員可以將所包含的面板換成可以提供更大電流的面板。該套件包括一個(gè)內(nèi)置超級(jí)電容器，可用于為設(shè)備供電而無(wú)需電池。設(shè)計(jì)人員還可以輕松更換超級(jí)電容，用于充電電池。

圖2：STMicroelectronics用于SPV1040太陽(yáng)能電池充電器的STEVAL-ISV006V2評(píng)估套件帶有一個(gè)500 mW的太陽(yáng)能電池板，可以換出如果需要更多的力量。 （來(lái)源：意法半導(dǎo)體）

終極低功耗傳感器節(jié)點(diǎn)應(yīng)用甚至不包含電池，而是使用能量收集技術(shù)為設(shè)備供電。

SPV1040可用于充足光照的應(yīng)用，但如果應(yīng)用具有振動(dòng)等動(dòng)能來(lái)源，設(shè)計(jì)人員可能希望使用凌力爾特公司的DC1459B-A壓電能量收集套件開(kāi)始開(kāi)發(fā)（圖3） 。這是基于該公司的LTC3588-1系列電源IC。 LTC3588-1允許設(shè)計(jì)人員將輸出電壓配置為1.8,2.5,3.3或3.6 V，非常適合希望降低系統(tǒng)工作電壓的設(shè)計(jì)人員。

圖3：凌力爾特公司的DC1459B-A用于LTC3588-1系列電源IC的壓電能量收集開(kāi)發(fā)套件為開(kāi)發(fā)人員提供了一個(gè)測(cè)試平臺(tái)，用于設(shè)計(jì)可獲得動(dòng)能的系統(tǒng)，如振動(dòng)或運(yùn)動(dòng)。 （來(lái)源：凌力爾特公司）

結(jié)論

優(yōu)化互聯(lián)網(wǎng)連接的傳感器節(jié)點(diǎn)以延長(zhǎng)電池壽命并非易事。優(yōu)化從選擇合適的硬件組件開(kāi)始，然后是高效的代碼，以最佳方式控制系統(tǒng)的整體能源使用，以延長(zhǎng)電池壽命。

雖然電池幾乎默認(rèn)使用，但它們有自己的問(wèn)題保質(zhì)期和能量損失隨著時(shí)間的推移。在適當(dāng)?shù)那闆r下，傳感器節(jié)點(diǎn)的最佳解決方案是用收集的環(huán)境能量供電。然后，傳感器可以提供很少或不需要維護(hù)的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)。