如何使物联网边缘设备高效节能？

作者：e络盟技术团队

 

电源效率对于物联网的成功至关重要。设备的效率越高，其功能寿命就越长，用户体验就越好。您是否在组织中实施了物联网解决方案，以提高物联网边缘设备的能源效率？本文重点介绍了您应该考虑的15个关键因素。

 

要点

• 物联网设备依靠睡眠模式和低功耗管理来节省能源，延长电池寿命。
• 电池供电的物联网设备必须节能。您必须采用低功耗组件和优化通信协议等方法来节省电力。
• 在边缘处理本地数据可以有效降低功耗。
• 定期更新软件对于提高物联网设备电源效率，解决电源相关问题至关重要。

 

背景

物联网是一个庞大的网络，它由联网的实体设备组成，通过无线和蜂窝连接进行无缝通信。该网络应用了许多嵌入式传感器、软件和其他技术，有助于通过互联网连接其他系统和设备，并交换数据。物联网应用的爆发性增长和节能方法的采用，推动了行业向边缘数据处理转变。

 

运行基础知识

下图所示为物联网设备的典型电流曲线模式。这些设备通常处于闲置状态，从而节省能源，延长电池寿命。现代MCU具有多种不同功能的低功耗模式，以降低功耗。唤醒方法可根据睡眠模式深度，在外部事件发生时恢复功能。

物联网设备的典型省电模式

 

低功耗管理的发展可实现对功耗进行精细控制。超低功耗睡眠模式（如待机、低耗电、睡眠和深度睡眠）消耗的电流极小（从微安到纳安不等）。由于物联网处理器采用了CMOS技术，功耗会随时钟频率的提高而线性增加。

 

功耗最低的待机模式消耗的电流约为功耗最高模式的三分之一，但可以将处理器保持在最低限度使用的状态。某些物联网应用可能需要最低功耗的睡眠模式，同时保留缓存，以最大程度地减少活动模式处理所需的周期数。为了最大限度地延长电池寿命，大多数物联网系统都会事先预处理和收集数据。只有当有足够的有用数据需要传输时，物联网系统才会打开通信电路。您可以使用物联网电池寿命工具，来确定您在合并数据以降低发送频率时会发生什么情况。

 

窍门和技巧

电源效率至关重要，因为物联网边缘设备运行时间长且通过电池供电。我们将总结为物联网设备供电时的各种窍门和技巧。

 

1. 对物联网设备采用睡眠模式：巧妙利用睡眠模式来降低非活动时间的功耗。当设备不主动处理数据或执行操作时，将其设置为低功耗睡眠模式，以延长电池寿命。

2. 能量收集技术：考虑使用太阳能、动能或热能等能量收集方法来为设备电池充电或补电。这确保了在不使用传统电池的情况下持续运行。

3. 避免过多的推送通知：限制发送到物联网设备的推送警报的频率和内容。 仅在必要时才允许此类通知。这些警报可能会“唤醒”设备，并在不必要的情况下耗尽电池电量。

4. 物联网设备传输信息的时间和方式：批量或按预定时间间隔发送信息，而不是连续发送，从而优化数据传输。这样可以减少反复连接和断开的问题，并节省电量。

5. 功能如何影响电池寿命：进行全面的电源分析，以了解物联网设备如何使用电源来运行其功能和组件。确定高耗能的组件，并优先考虑节能替代方案或优化方案。

6. 选择最合适的无线协议：根据物联网用例和功率限制选择合适的无线通信协议。各种无线通信技术，包括 Wi-Fi®、低功耗Bluetooth®、Thread 和 Zigbee®，以及新兴的 MATTER 协议，可在家庭和楼宇自动化系统中实现设备到设备、设备到云和设备到移动设备的通信。

7. 使用低功耗传感器：选择功耗最低的传感器，并使用自适应采样技术，根据环境变化来更改传感器的数值，以减少不必要的传感器数据读取，同时节省能源。

8. 管理固件和软件更新：确保高能效地进行固件和软件更新，并尽可能专注于改善功耗。定期更新设备，进行节能升级和错误修复。

9. 低功耗组件：使用低功耗微控制器、传感器和通信模块。有条件最好使用最新的节能技术和解决方案。考虑使用待机较少且需要最小运行功率的组件。

10. 睡眠模式和唤醒：有效利用睡眠模式，在不活动期间节省电量。仅当外部事件或计时器需要时才允许唤醒设备。减少处于活动模式的时间。

11. 高效通信协议：根据具体用例和网络要求，使用 MQTT-SN、CoAP 或 LoRaWAN 等节能通信协议。

12. 负载循环：采用负载循环技术，定期唤醒设备以执行任务，然后重新进入睡眠状态。这降低了总体功耗，尤其对于需要处理突发数据的设备而言。

13. 本地数据处理：数据预处理和过滤必须在边缘完成，以减少传输到云端的数据量。这将显著降低通信过程中的功耗。

14. 电源管理集成电路：仅使用专用电源管理集成电路，这些集成电路旨在通过调节各种组件的电源供应来最大限度地提高能源效率。

15. 优化显示屏使用：使用低功耗显示屏技术。如果设备有显示屏，请使用低功耗显示屏技术，并在不使用时关闭显示屏。

 

必须定期优化和更新设备的固件，以修复问题并提高电源效率。根据组件的性能要求，使用动态电压调节技术来改变组件的工作电压。这样做有助于在各种工作负载情况下优化电源使用情况。减少数据量，降低传输频率。为了最大限度地减少通信期间的电力消耗，使用数据压缩技术并仅发送必要信息。将某些功能外包给云或边缘服务器，减少设备的数据处理工作量。这有助于降低设备的处理需求，从而降低功耗。