由于尚未部署數十億個物聯網傳感器節點，因此許多傳感器節點開發人員面臨的一個關鍵問題是功耗。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務案例。產品設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備供電。

本文將展示如何分析產品的功耗并優化其硬件和軟件，然后討論如何增強采用最新能量收集技術的電池。

能源概況

設計人員需要檢查和優化的關鍵特性是其產品的能源配置。能量分布包括：

動態能量消耗：設備喚醒和運行時消耗的能量

靜態能量消耗：設備休眠時消耗的能量不執行任何工作。

設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維護：

硬件能源優化

軟件能源優化

能源收集

優化硬件：微控制器

對于許多設計人員來說，能源優化將從硬件。為產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點的能量曲線。典型無線傳感器節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

電壓調節器

存儲器存儲設備

對于傳感器節點，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鍵組成部分設計。

微控制器有許多不同的形狀，尺寸和架構，但對于物聯網連接設備，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，并且它們擁有強大的生態系統和社區。

雖然ARM微控制器通常具有高能效，但設計人員希望專注于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用中，但在運行時也應選擇低功耗的器件。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。

傳感器節點需要更多的I/O和更多的RAM來存儲數據，甚至運行輕量級的實時操作系統（ RTOS），應該考慮意法半導體的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準：

最小化I/O引腳數

最大限度地減少內部外設的數量

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

優化硬件：內存和無源

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的，這些消耗器在累加時變得相當可觀。

例如采用EEPROM器件的設計，例如Microchip Technology的25LC160A。 25LC160A的讀取電流在數據表中規定為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省近3 mA可能看起來不是很多，但如果數據在多年內被定期寫入和讀取，則會節省成本。 FRAM的寫入時間也等于SPI總線傳輸時間。

除了有源元件外，設計人員還應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。選擇無源元件的設計人員應記住：

由于漏電流值較高，應避免使用鋁電容器

通過提高電容器的額定電壓可以降低漏電流

最大限度地降低穩壓器輸出端的大容量電容

最大限度地減少電容器的數量，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

最大限度地降低穩壓器的開關頻率

優化軟件以實現低能耗

最大限度地減少電子設備消耗的能量是優化傳感器節點的重要一步。然而，通過考慮系統中組件的電氣約束，還需要使為傳感器節點編寫的軟件有效。開發人員可以利用許多技術來最大限度地縮短系統喚醒時間，并盡可能長時間地將系統保持在低功耗模式。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動

使用最低功耗模式

使用DMA控制器

自治外設

使用這些技術的開發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。使用功率監視器，例如IAR I-Jet I-Scope，可以幫助開發人員將功能和代碼行與系統中的能耗相關聯。當與ARM的IAR I-Jet在線調試探針結合使用時，I-Scope可以在調試器對程序計數器進行采樣的同時測量系統周圍的電壓和電流點。

程序計數器告訴調試環境在任何給定函數中執行什么代碼行，然后調試環境將該行與系統中的能耗相關聯。然后，開發人員會指出軟件中使用最多能量的區域，以便他們可以集中精力進行優化。

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調試器以對程序計數器和系統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，開發人員可以使用許多選項來優化代碼，包括：

< li>提高功能中的優化級別

優化速度而不是代碼大小

重新編寫代碼區域

增加電池存儲能量回收

在許多情況下，傳感器節點將以光，溫度差，壓力和運動的形式暴露在環境能量中。設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。

意法半導體的STEVAL-ISV006V2評估套件允許設計人員測試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。該套件包括一個內置超級電容器，可用于為設備供電而無需電池。設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：意法半導體）

終極低功耗傳感器節點應用甚至不包含電池，而是使用能量收集技術為設備供電。

SPV1040可用于充足光照的應用，但如果應用具有振動等動能來源，設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（圖3） 。這是基于該公司的LTC3588-1系列電源IC。 LTC3588-1允許設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工作電壓的設計人員。

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套件為開發人員提供了一個測試平臺，用于設計可獲得動能的系統，如振動或運動。 （來源：凌力爾特公司）

結論

優化互聯網連接的傳感器節點以延長電池壽命并非易事。優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期和能量損失隨著時間的推移。在適當的情況下，傳感器節點的最佳解決方案是用收集的環境能量供電。然后，傳感器可以提供很少或不需要維護的物聯網數據。