物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點的功耗與優(yōu)化方法

由于尚未部署數(shù)十億個物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點，因此許多傳感器節(jié)點開發(fā)人員面臨的一個關(guān)鍵問題是功耗。對這些傳感器運行電力線要么因其位置而不切實際，即使可行，耗時且昂貴。

此外，維修和更換電池可能會大大減少業(yè)務(wù)案例。產(chǎn)品設(shè)計人員需要無限期地延長電池壽命，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，然后討論如何增強采用最新能量收集技術(shù)的電池。

能源概況

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

動態(tài)能量消耗：設(shè)備喚醒和運行時消耗的能量

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

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

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

對于許多設(shè)計人員來說，能源優(yōu)化將從硬件。為產(chǎn)品選擇正確的有源和無源元件將大大有助于降低傳感器節(jié)點的能量曲線。典型無線傳感器節(jié)點中的主要能源消耗包括：

微控制器

無線接口

傳感器和各種集成電路

電壓調(diào)節(jié)器

存儲器存儲設(shè)備

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

微控制器有許多不同的形狀，尺寸和架構(gòu)，但對于物聯(lián)網(wǎng)連接設(shè)備，從32位ARM微控制器開始是一個不錯的選擇。這些微控制器得到了多家制造商的良好支持，在它們上開發(fā)強大的便攜式軟件相對容易。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)計人員希望專注于Cortex -M0 +系列旨在最大限度地降低能耗。實際上，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，但在運行時也應(yīng)選擇低功耗的器件。一個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個可用I/O.這非常適合需要對少量傳感器進行采樣并與無線電通信的專用傳感器節(jié)點。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)點需要更多的I/O和更多的RAM來存儲數(shù)據(jù)，甚至運行輕量級的實時操作系統(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，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

驗證是否部件中包含低功耗定時器

確保包含DMA控制器

優(yōu)化硬件：內(nèi)存和無源

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

例如采用EEPROM器件的設(shè)計，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，寫入時間為5 ms。對于更低的讀取電流，較新的FRAM芯片可低至200μA（1 MHz）。在訪問外部存儲器時節(jié)省近3 mA可能看起來不是很多，但如果數(shù)據(jù)在多年內(nèi)被定期寫入和讀取，則會節(jié)省成本。 FRAM的寫入時間也等于SPI總線傳輸時間。

除了有源元件外，設(shè)計人員還應(yīng)檢查可能存在漏電流的無源元件。這些通常包括二極管，電容器和電阻器。選擇無源元件的設(shè)計人員應(yīng)記?。?/p>

由于漏電流值較高，應(yīng)避免使用鋁電容器

通過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，因為每個電容器都會有泄漏，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)壓器的開關(guān)頻率

優(yōu)化軟件以實現(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)點的重要一步。然而，通過考慮系統(tǒng)中組件的電氣約束，還需要使為傳感器節(jié)點編寫的軟件有效。開發(fā)人員可以利用許多技術(shù)來最大限度地縮短系統(tǒng)喚醒時間，并盡可能長時間地將系統(tǒng)保持在低功耗模式。其中包括：

使用低功耗定時器進行喚醒

將軟件編寫為事件驅(qū)動

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，I-Scope可以在調(diào)試器對程序計數(shù)器進行采樣的同時測量系統(tǒng)周圍的電壓和電流點。

程序計數(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，開發(fā)人員會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行優(yōu)化。

圖1：要了解軟件如何影響能耗，請將IAR I-Scope（顯示）連接到IAR I-Jet調(diào)試器以對程序計數(shù)器和系統(tǒng)進行采樣電壓和電流。 （來源：IAR）

一旦軟件組件被識別為具有高能耗，開發(fā)人員可以使用許多選項來優(yōu)化代碼，包括：

< li>提高功能中的優(yōu)化級別

優(yōu)化速度而不是代碼大小

重新編寫代碼區(qū)域

增加電池存儲能量回收

在許多情況下，傳感器節(jié)點將以光，溫度差，壓力和運動的形式暴露在環(huán)境能量中。設(shè)計人員可以利用這些附近的能源來增加電池電量并增加電量。例如，STMicroelectronics SPV1040太陽能電池充電器可以捕獲光線直接為電路供電或為電池充電。

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，并且在太陽能電池安裝不正確的情況下包括反極性保護。

意法半導(dǎo)體的STEVAL-ISV006V2評估套件允許設(shè)計人員測試SPV1040使用提供的太陽能電池板，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。該套件包括一個內(nèi)置超級電容器，可用于為設(shè)備供電而無需電池。設(shè)計人員還可以輕松更換超級電容，用于充電電池。

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

終極低功耗傳感器節(jié)點應(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)用具有振動等動能來源，設(shè)計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始開發(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的壓電能量收集開發(fā)套件為開發(fā)人員提供了一個測試平臺，用于設(shè)計可獲得動能的系統(tǒng)，如振動或運動。 （來源：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)點以延長電池壽命并非易事。優(yōu)化從選擇合適的硬件組件開始，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，以延長電池壽命。

雖然電池幾乎默認使用，但它們有自己的問題保質(zhì)期和能量損失隨著時間的推移。在適當(dāng)?shù)那闆r下，傳感器節(jié)點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的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)。