物联网传感器节点的功耗与优化方法

由于尚未部署数十亿个物联网传感器节点，因此许多传感器节点开发人员面临的一个关键问题是功耗。对这些传感器运行电力线要么因其位置而不切实际，即使可行，耗时且昂贵。

此外，维修和更换电池可能会大大减少业务案例。产品设计人员需要无限期地延长电池寿命，或者找到替代方法为设备供电。

本文将展示如何分析产品的功耗并优化其硬件和软件，然后讨论如何增强采用最新能量收集技术的电池。

能源概况

设计人员需要检查和优化的关键特性是其产品的能源配置。能量分布包括：

动态能量消耗：设备唤醒和运行时消耗的能量

静态能量消耗：设备休眠时消耗的能量不执行任何工作。

设计人员至少有三种选择可用于延长电池寿命并最大限度地减少系统维护：

硬件能源优化

软件能源优化

能源收集

优化硬件：微控制器

对于许多设计人员来说，能源优化将从硬件。为产品选择正确的有源和无源元件将大大有助于降低传感器节点的能量曲线。典型无线传感器节点中的主要能源消耗包括：

微控制器

无线接口

传感器和各种集成电路

电压调节器

存储器存储设备

对于传感器节点，主要能源消费者将成为微控制器，因此它成为早期阶段的关键组成部分设计。

微控制器有许多不同的形状，尺寸和架构，但对于物联网连接设备，从32位ARM微控制器开始是一个不错的选择。这些微控制器得到了多家制造商的良好支持，在它们上开发强大的便携式软件相对容易。它们的成本与许多8位或16位器件相当，并且它们拥有强大的生态系统和社区。

虽然ARM微控制器通常具有高能效，但设计人员希望专注于Cortex -M0 +系列旨在最大限度地降低能耗。实际上，在最深的睡眠模式下，大多数Cortex-M0 +器件的功耗都低于1μA。

休眠电流很重要，特别是在低占空比应用中，但在运行时也应选择低功耗的器件。一个很好的例子是恩智浦KL02微控制器和Kinetis-L系列整体。恩智浦KL02是一款低引脚数器件，具有14个可用I/O.这非常适合需要对少量传感器进行采样并与无线电通信的专用传感器节点。恩智浦KL02具有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，甚至运行轻量级的实时操作系统（ RTOS），应该考虑意法半导体的STM32L031K6T7。 STM32L031K6T7具有25条可用I/O线，8 kB RAM和32 kB闪存。

选择低功耗微控制器时，需要考虑以下建议和标准：

最小化I/O引脚数

最大限度地减少内部外设的数量

选择Cortex-M0 +系列或同等组件

验证是否部件中包含低功耗定时器

确保包含DMA控制器

优化硬件：内存和无源

何时选择硬件组件时，微控制器并不是唯一可以成为能源的部分。延长电池寿命通常是通过查看所有小功耗消耗器来实现的，这些消耗器在累加时变得相当可观。

例如采用EEPROM器件的设计，例如Microchip Technology的25LC160A。 25LC160A的读取电流在数据表中规定为6 mA（5.5 V @ 10 MHz），写入电流为3 mA，写入时间为5 ms。对于更低的读取电流，较新的FRAM芯片可低至200μA（1 MHz）。在访问外部存储器时节省近3 mA可能看起来不是很多，但如果数据在多年内被定期写入和读取，则会节省成本。 FRAM的写入时间也等于SPI总线传输时间。

除了有源元件外，设计人员还应检查可能存在漏电流的无源元件。这些通常包括二极管，电容器和电阻器。选择无源元件的设计人员应记住：

由于漏电流值较高，应避免使用铝电容器

通过提高电容器的额定电压可以降低漏电流

最大限度地降低稳压器输出端的大容量电容

最大限度地减少电容器的数量，因为每个电容器都会有泄漏，可以快速累加。

选择最大值的上拉电阻，以最大限度地降低漏电流

避免分压电路

最大限度地降低稳压器的开关频率

优化软件以实现低能耗

最大限度地减少电子设备消耗的能量是优化传感器节点的重要一步。然而，通过考虑系统中组件的电气约束，还需要使为传感器节点编写的软件有效。开发人员可以利用许多技术来最大限度地缩短系统唤醒时间，并尽可能长时间地将系统保持在低功耗模式。其中包括：

使用低功耗定时器进行唤醒

将软件编写为事件驱动

使用最低功耗模式

使用DMA控制器

自治外设

使用这些技术的开发人员可以拥有高效的软件，但仍需要确定哪些软件例程使用最多能源。使用功率监视器，例如IAR I-Jet I-Scope，可以帮助开发人员将功能和代码行与系统中的能耗相关联。当与ARM的IAR I-Jet在线调试探针结合使用时，I-Scope可以在调试器对程序计数器进行采样的同时测量系统周围的电压和电流点。

程序计数器告诉调试环境在任何给定函数中执行什么代码行，然后调试环境将该行与系统中的能耗相关联。然后，开发人员会指出软件中使用最多能量的区域，以便他们可以集中精力进行优化。

图1：要了解软件如何影响能耗，请将IAR I-Scope（显示）连接到IAR I-Jet调试器以对程序计数器和系统进行采样电压和电流。 （来源：IAR）

一旦软件组件被识别为具有高能耗，开发人员可以使用许多选项来优化代码，包括：

< li>提高功能中的优化级别

优化速度而不是代码大小

重新编写代码区域

增加电池存储能量回收

在许多情况下，传感器节点将以光，温度差，压力和运动的形式暴露在环境能量中。设计人员可以利用这些附近的能源来增加电池电量并增加电量。例如，STMicroelectronics SPV1040太阳能电池充电器可以捕获光线直接为电路供电或为电池充电。

SPV1040可以将输入电压低至0.3 V一直转换为5.5 V变成可用的能量。 SPV1040可配置为最大1.8安培的最大充电电流，并且在太阳能电池安装不正确的情况下包括反极性保护。

意法半导体的STEVAL-ISV006V2评估套件允许设计人员测试SPV1040使用提供的太阳能电池板，峰值功率输出为200 mW（图2）。 SPV1040可以处理5 W的峰值功率，因此设计人员可以将所包含的面板换成可以提供更大电流的面板。该套件包括一个内置超级电容器，可用于为设备供电而无需电池。设计人员还可以轻松更换超级电容，用于充电电池。

图2：STMicroelectronics用于SPV1040太阳能电池充电器的STEVAL-ISV006V2评估套件带有一个500 mW的太阳能电池板，可以换出如果需要更多的力量。 （来源：意法半导体）

终极低功耗传感器节点应用甚至不包含电池，而是使用能量收集技术为设备供电。

SPV1040可用于充足光照的应用，但如果应用具有振动等动能来源，设计人员可能希望使用凌力尔特公司的DC1459B-A压电能量收集套件开始开发（图3） 。这是基于该公司的LTC3588-1系列电源IC。 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，非常适合希望降低系统工作电压的设计人员。

图3：凌力尔特公司的DC1459B-A用于LTC3588-1系列电源IC的压电能量收集开发套件为开发人员提供了一个测试平台，用于设计可获得动能的系统，如振动或运动。 （来源：凌力尔特公司）

结论

优化互联网连接的传感器节点以延长电池寿命并非易事。优化从选择合适的硬件组件开始，然后是高效的代码，以最佳方式控制系统的整体能源使用，以延长电池寿命。

虽然电池几乎默认使用，但它们有自己的问题保质期和能量损失随着时间的推移。在适当的情况下，传感器节点的最佳解决方案是用收集的环境能量供电。然后，传感器可以提供很少或不需要维护的物联网数据。