减少物联网传感器节点耗电量

由于有数十亿的IoT传感器节点尚未部署，因此许多传感器节点开发人员面临的一个关键问题是power。在这些传感器上运行一个电力线是不切实际的，因为它们的位置，而且即使可行，耗时和昂贵。

此外，维修和更换电池可能会大大减少商业案例。产品设计师需要无限延长电池寿命，或者寻找其他方法来为他们的设备供电。

本文将介绍如何分析一个产品的功耗，并优化其硬件和软件，然后讨论如何使用最新的能量收集技术来增加电池。

　　能源配置文件

设计人员需要检查和优化的关键特性是其产品的能量配置。能源概况包括:

动态能量消耗:当设备醒着运行时所消耗的能量。

静态能量消耗:设备睡觉时消耗的能量，不执行任何工作。

设计人员至少有三种可用的选择，可用于延长电池寿命和最小化系统维护:

硬件能源优化

能源优化软件

能量收获

优化硬件:微控制器

对于许多设计师来说，能源优化将从硬件开始。为产品选择正确的主动和被动元件将大大降低传感器节点的能量配置。典型的无线传感器节点的主要能源消费者包括:

微控制器

无线接口

传感器和杂项集成电路。

电压调节器

内存存储设备

对于一个传感器节点，主要的能源消耗者将是微控制器，因此它在设计的早期阶段就成为一个重要的组成部分。

微控制器有许多不同的形状、大小和架构，但是对于一个IoT连接的设备，从一个32位的ARM微控制器开始是一个不错的选择。这些微控制器很好地得到了多个制造商的支持，并且相对容易地开发出健壮的和可移植的软件。它们的成本也可与许多8位或16位的零件相媲美，而且它们拥有强大的生态系统和社区。

虽然ARM微控制器在总体上是节能的，但设计者们还是希望把重点放在cortexm0 +家庭上，因为它的设计目的是尽量减少能源消耗。事实上,在他们最深的睡眠模式,大多数Cortex-M0 +部分将消耗1µA。

睡眠电流是很重要的，特别是在低负荷的应用程序中，但是在运行时也应该选择低功率的设备。一个很好的例子是NXP KL02微控制器和kineti - l系列。NXP KL02是一个低针数部分，有14个可用的I/Os。这对于一个专门的传感器节点来说是完美的，该节点需要采集一些传感器并通过无线电进行通信。NXP KL02有4 kB的可用RAM和32 kB的编程空间。

传感器节点需要更多的I/O和更多的RAM来存储数据，甚至运行一个轻量级的实时操作系统(RTOS)，应该考虑STMicroelectronics的STM32L031K6T7。STM32L031K6T7有25个可用的I/O行，其中有8kb的RAM和32kb的闪存。

在选择低功率微控制器时，以下是一些建议和标准:

最小化I/O引脚的数量。

减少内部外设的数量。

选择Cortex-M0+家庭或等效组件。

检查部件上是否包含一个低功耗计时器。

确保包含了DMA控制器。

优化硬件:内存和被动。

当涉及到选择硬件组件时，微控制器并不是唯一可以成为能源消耗者的部分。延长电池寿命通常是通过观察所有的小能源消费者，当他们加起来，变得相当可观。

例如，一个使用EEPROM设备的设计，例如微芯片技术的25LC160A。25LC160A的读取电流在数据表中指定为6 mA (5.5 V @ 10 MHz)，写入电流为3 mA，写入时间为5毫秒。更低的阅读潮流,更新弗拉姆号芯片低至200μA(1 MHz)。在访问外部内存时节省大约3个mA似乎并不多，但如果数据是在多年的时间内定期编写和读取的，那么储蓄就会累积起来。写入FRAM的时间也等于SPI总线传输时间。

除了主动部件外，设计师还应该检查可能有泄漏电流的被动元件。这些通常包括二极管、电容和电阻。选择被动元件的设计师应该记住:

铝电容器因其泄漏电流高，应避免使用。

通过提高电容器的电压等级可以降低泄漏电流。

在电压调整器输出上尽量减少容量。

尽量减少电容器的数量，因为每个电容器都有泄漏，它们可以迅速累积。

选择最大的拉升电阻，以减少其泄漏电流。

避免分压器电路

减少调整器的开关频率。

优化低能耗软件。

减少电子设备消耗的能量是优化传感器节点的一个重要步骤。然而，为传感器节点编写的软件也需要通过考虑系统中组件的电气约束来提高效率。开发人员有许多可以利用的技术，以尽量减少系统的唤醒时间，并尽可能长时间地保持系统处于低功率模式。这些包括:

使用低功耗计时器唤醒。

编写用于事件驱动的软件。

使用最低能量模式。

利用DMA控制器

自治的外围设备

使用这些技术的开发人员可以拥有高效的软件，但仍然需要确定哪些软件程序使用的是最多的能量。使用power monitor，比如IAR I-Jet I-Scope，可以帮助开发人员将代码的功能和代码行与系统中的能源消耗联系起来。当与IAR I-Jet电路调试探针结合使用时，I-Scope可以测量系统周围的电压和电流点，同时调试器正在对程序计数器进行采样。

程序计数器告诉调试环境在任何给定的函数中执行的代码行是什么，然后调试环境将这一行与系统中的能源消耗联系起来。然后开发人员会指出软件中使用最多能量的区域，这样他们就可以集中精力进行优化工作。

图1:为了了解软件如何影响能源消耗，将IAR I-Scope(显示)连接到IAR I-Jet调试器，以采样程序计数器和系统电压和电流。(来源:凯利讯半导体)

一旦软件组件被确定为具有高能源消耗，开发人员有许多可用的选择来优化代码，包括:

增加函数的优化级别。

优化速度而不是代码大小。

重写的代码区域

用能量回收来增加电池储存量。

在许多情况下，传感器节点将以光的形式、温差、压力和运动的形式暴露在环境能量中。设计师可以利用这些附近的能源来增加电池和充电。例如，STMicroelectronics SPV1040太阳能电池充电器可以捕获光直接驱动电路或给电池充电。

SPV1040可以将输入电压降至0.3 V，一直到5.5 V转换为可用能量。SPV1040可以配置为最大电流为1.8安培，并包括反极性保护，以防太阳能电池安装不当。

意法半导体的STEVAL-ISV006V2 eval工具允许设计师来测试SPV1040使用提供太阳能电池板的最大输出功率200兆瓦(图2)。5 W的SPV1040可以处理峰值功率,所以设计师可以换出的包括面板可以供应更多的电流。这个组件包括一个内置的超级电容器，可以用来给一个没有电池的设备供电。设计师也可以很容易地更换超级电容器的可充电电池。

STMicroelectronics的STEVAL-ISV006V2 eval工具包的图像。

图2:SPV1040太阳能电池充电器的STMicroelectronics ' STEVAL-ISV006V2 eval kit配备了一个500兆瓦的太阳能电池板，可以用更大的功率将其换出。(来源:凯利讯半导体)

最终的低功率传感器节点应用程序甚至不包括电池，而是使用能量收集技术为设备供电。

SPV1040可以用于应用程序获得充足的光线,但是如果应用程序有一个的动能来源,如振动,设计师可能希望开始使用线性技术开发的DC1459B-A压电能量收集装备(图3)。这是基于公司的LTC3588-1供电ICs。LTC3588-1允许设计人员将输出电压配置为1.8、2.5、3.3或3.6 V，这对于希望降低系统工作电压的设计者来说是完美的。

线性技术的dc1459b图像-压电能量采集开发工具包。

图3:线性技术的dc1459b -一个压电式能量采集开发工具包，为LTC3588-1型电源供电，为开发人员提供了一个系统设计的测试平台，该系统可以获得诸如振动或运动等动能。(来源:凯利讯半导体)

　　结论

优化网络连接传感器节点的电池寿命不是一件小事。优化从选择正确的硬件组件开始，然后是高效的代码，最优地控制系统的整体能源使用，以延长电池的使用寿命。

虽然电池几乎是在默认情况下使用，但随着时间的推移，电池的保质期和能量损耗都有各自的问题。在适当的情况下，传感器节点的最佳解决方案是利用获得的环境能量供电。然后传感器就可以提供IoT数据，几乎不需要维护。