IOT超低功耗設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)筆記

IOT低功耗設(shè)備設(shè)計(jì)大致為3個(gè)方面的設(shè)計(jì)： 器件選型、電路設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、續(xù)航壽命估算 ——

器件選型

典型的器件包括：單片機(jī)MCU、電源芯片、通訊模組等。

單片機(jī)——

1.選擇具備多種低功耗工作模式的MCU，如國(guó)民技術(shù)N32G4FR系列MCU支持5種低功耗模式（Sleep，Stop0，Stop2，Standby，VBat），開啟帶有RTC喚醒的Stop模式可讓功耗盡可能低；

2.支持寬范圍供電，如1.8-3.3V，在不需要大電流供電的模式下，使用1.8V供電可以讓MCU處于更低功耗的狀態(tài)；

3.不使用的IO配置為模擬輸入，模擬輸入模式下漏電流最低；

電源芯片——

1.選擇更高效率的電源IC，開關(guān)電源DC-DC的效率高于LDO，特別在高壓差、大電流的情況下，DC-DC具備更高的能效優(yōu)勢(shì)，對(duì)于常供電的IC，關(guān)注靜態(tài)電流值，對(duì)于帶EN管腳的IC，關(guān)注Shutdown電流值；

2.LDO的成本比DC-DC低，且在低壓差、低電流的情況下，具備低功耗特性的LDO也可做考慮，如圣邦微的SGM2034，靜態(tài)漏電流為1uA；

通訊模組——

1.通訊模組中的MCU部分可參考單片機(jī)的的低功耗設(shè)計(jì)，本質(zhì)上具備一致性；

2.2.4G的通訊模組，ZigBee低功耗具備更大優(yōu)勢(shì)，BLE藍(lán)牙Mesh這兩年間也開始逼近ZigBee，WiFi則比較大，同等條件下，ZigBee的發(fā)射電流可以做到50mA以內(nèi)，而WiFi的發(fā)射電流一般要大于300mA，加上心跳包對(duì)接時(shí)間的差異，具備快聯(lián)特性的WiFi可能需要10ms，而ZigBee可能只需要3-5ms。

3.通訊模組OTA的功耗 > 搜網(wǎng)功耗 > 靜態(tài)功耗。另外，網(wǎng)關(guān)信號(hào)正常與異常，也會(huì)導(dǎo)致通訊模組在搜網(wǎng)時(shí)的功耗有所不同。

電路設(shè)計(jì)

1. 對(duì)于耗電比較大的器件，使用獨(dú)立IC供電，并盡可能做到可獨(dú)立關(guān)斷供電回路，在非常供電的狀態(tài)下切斷供電回路；
2. 對(duì)于上下拉電阻，在確保信號(hào)抗干擾度良好的前提下，盡可能使用高阻值；如對(duì)于1K的上拉電阻，當(dāng)電流回路對(duì)地時(shí)，產(chǎn)生3300uA的電流，而對(duì)于100K的上拉電阻，則為33uA。當(dāng)然，對(duì)于外界的工頻干擾等，同樣的條件下，10K的上拉電阻具備更高的抗干擾度；

3.電池電量檢測(cè)采用分壓電阻時(shí)可使用1M左右的阻值，由于涉及單片機(jī)ADC阻抗匹配的不同，建議在信號(hào)的采集中間加上一級(jí)電壓跟隨器，該跟隨器需要低功耗或者需要單獨(dú)供電，避免無謂的電量損耗；

4.對(duì)于有光顯示的場(chǎng)景，如LED指示等，盡可能降低LED亮度。

軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)更多地體現(xiàn)在如何驅(qū)動(dòng)硬件進(jìn)入低功耗模式 ，如：開啟單片機(jī)RTC喚醒的Stop模式；控制電源的EN管腳進(jìn)入非常供電模式；GPIO的模擬輸入模式；通訊模組在發(fā)送完成數(shù)據(jù)之后，立即關(guān)閉UDP連接，盡可能降低大電流模式持續(xù)時(shí)間

續(xù)航壽命估算

1.對(duì)于靜態(tài)電流，可使用萬用表進(jìn)行測(cè)量（如Fluke的17B+），由于萬用表的采樣率較低，且所呈現(xiàn)的數(shù)值為測(cè)量有效值，因此對(duì)于動(dòng)態(tài)電流，如設(shè)備的間隔性心跳包電流，則需要使用采樣率更高的儀器進(jìn)行測(cè)量，如Keysight的N6705C；

2. 嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓挠?jì)算中，需考慮電池的自放電率 ，即電池即使在不使用的條件下，自身的電化學(xué)物質(zhì)也會(huì)產(chǎn)生一定的反應(yīng)自我消耗，特別是可充電的鎳鎘電池；

3.簡(jiǎn)單舉一個(gè)低功耗設(shè)備續(xù)航時(shí)間計(jì)算的例子：

假設(shè)電池容量250mAh，10分鐘發(fā)送一次心跳包對(duì)接網(wǎng)絡(luò)，每次5秒30mA瞬時(shí)電流，待機(jī)20uA電流，可做如下推算：

單次對(duì)接網(wǎng)絡(luò)耗電：30mA x 5s = 150mAs = 41.66uAh；

一天對(duì)接網(wǎng)絡(luò)次數(shù)：(24h x 60)÷10 = 144次；

一天對(duì)接網(wǎng)絡(luò)總時(shí)間：5s x 144 = 720s；

一天待機(jī)總時(shí)間：(24h x 3600)s - 720s = 85680s = 23.8h；

一天總功耗：(23.8h x 20uA) + (144 x 41.66uAh) = 6475.04uAh = 6.48mAh；

可使用天數(shù)：250mAh ÷ 6.48mAh ≈ 39天