一個電力線是不切實際的，因為它們的位置，而且即使可行，耗時和昂貴。
此外，維修和更換電池可能會大大減少商業(yè)案例。產(chǎn)品設計師需要無限延長電池壽命，或者尋找其他方法來為他們的設備供電。
本文將介紹如何分析一個產(chǎn)品的功耗，并優(yōu)化其硬件和軟件，然后討論如何使用最新的能量收集技術來增加電池。
能源配置文件
設計人員需要檢查和優(yōu)化的關鍵特性是其產(chǎn)品的能量配置。能源概況包括:
動態(tài)能量消耗:當設備醒著運行時所消耗的能量。
靜態(tài)能量消耗:設備睡覺時消耗的能量，不執(zhí)行任何工作。
設計人員至少有三種可用的選擇，可用于延長電池壽命和最小化系統(tǒng)維護:
硬件能源優(yōu)化
能源優(yōu)化軟件
能量收獲
優(yōu)化硬件:微控制器
對于許多設計師來說，能源優(yōu)化將從硬件開始。為產(chǎn)品選擇正確的主動和被動元件將大大降低傳感器節(jié)點的能量配置。典型的無線傳感器節(jié)點的主要能源消費者包括:
微控制器
無線接口
傳感器和雜項集成電路。
電壓調(diào)節(jié)器
內(nèi)存存儲設備
對于一個傳感器節(jié)點，主要的能源消耗者將是微控制器，因此它在設計的早期階段就成為一個重要的組成部分。
微控制器有許多不同的形狀、大小和架構(gòu)，但是對于一個IoT連接的設備，從一個32位的ARM微控制器開始是一個不錯的選擇。這些微控制器很好地得到了多個制造商的支持，并且相對容易地開發(fā)出健壯的和可移植的軟件。它們的成本也可與許多8位或16位的零件相媲美，而且它們擁有強大的生態(tài)系統(tǒng)和社區(qū)。
雖然ARM微控制器在總體上是節(jié)能的，但設計者們還是希望把重點放在cortexm0 +家庭上，因為它的設計目的是盡量減少能源消耗。事實上,在他們最深的睡眠模式,大多數(shù)Cortex-M0 +部分將消耗1μA。
睡眠電流是很重要的，特別是在低負荷的應用程序中，但是在運行時也應該選擇低功率的設備。一個很好的例子是NXP KL02微控制器和kineti - l系列。NXP KL02是一個低針數(shù)部分，有14個可用的I/Os。這對于一個專門的傳感器節(jié)點來說是完美的，該節(jié)點需要采集一些傳感器并通過無線電進行通信。NXP KL02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)，甚至運行一個輕量級的實時操作系統(tǒng)(RTOS)，應該考慮STMicroelectronics的STM32L031K6T7。STM32L031K6T7有25個可用的I/O行，其中有8kb的RAM和32kb的閃存。
在選擇低功率微控制器時，以下是一些建議和標準:
最小化I/O引腳的數(shù)量。
減少內(nèi)部外設的數(shù)量。
選擇Cortex-M0+家庭或等效組件。
檢查部件上是否包含一個低功耗計時器
確保包含了DMA控制器。
優(yōu)化硬件:內(nèi)存和被動。
當涉及到選擇硬件組件時，微控制器并不是唯一可以成為能源消耗者的部分。延長電池壽命通常是通過觀察所有的小能源消費者，當他們加起來，變得相當可觀。
例如，一個使用EEPROM設備的設計，例如微芯片技術的25LC160A。25LC160A的讀取電流在數(shù)據(jù)表中指定為6 mA (5.5 V @ 10 MHz)，寫入電流為3 mA，寫入時間為5毫秒。更低的閱讀潮流,更新弗拉姆號芯片低至200μA(1 MHz)。在訪問外部內(nèi)存時節(jié)省大約3個mA似乎并不多，但如果數(shù)據(jù)是在多年的時間內(nèi)定期編寫和讀取的，那么儲蓄就會累積起來。寫入FRAM的時間也等于SPI總線傳輸時間。
除了主動部件外，設計師還應該檢查可能有泄漏電流的被動元件。這些通常包括二極管、電容和電阻。選擇被動元件的設計師應該記住:
鋁電容器因其泄漏電流高，應避免使用。
通過提高電容器的電壓等級可以降低泄漏電流。
在電壓調(diào)整器輸出上盡量減少容量。
盡量減少電容器的數(shù)量，因為每個電容器都有泄漏，它們可以迅速累積。
選擇最大的拉升電阻，以減少其泄漏電流。
避免分壓器電路
減少調(diào)整器的開關頻率。
優(yōu)化低能耗軟件。
減少電子設備消耗的能量是優(yōu)化傳感器節(jié)點的一個重要步驟。然而，為傳感器節(jié)點編寫的軟件也需要通過考慮系統(tǒng)中組件的電氣約束來提高效率。開發(fā)人員有許多可以利用的技術，以盡量減少系統(tǒng)的喚醒時間，并盡可能長時間地保持系統(tǒng)處于低功率模式。這些包括:
使用低功耗計時器
編寫用于事件驅(qū)動的軟件。
使用最低能量模式。
利用DMA控制器
自治的外圍設備
使用這些技術的開發(fā)人員可以擁有高效的軟件，但仍然需要確定哪些軟件程序使用的是最多的能量。使用power monitor，比如IAR I-Jet I-Scope，可以幫助開發(fā)人員將代碼的功能和代碼行與系統(tǒng)中的能源消耗聯(lián)系起來。當與IAR I-Jet電路調(diào)試探針結(jié)合使用時，I-Scope可以測量系統(tǒng)周圍的電壓和電流點，同時調(diào)試器正在對程序計數(shù)器進行采樣。
程序計數(shù)器告訴調(diào)試環(huán)境在任何給定的函數(shù)中執(zhí)行的代碼行是什么，然后調(diào)試環(huán)境將這一行與系統(tǒng)中的能源消耗聯(lián)系起來。然后開發(fā)人員會指出軟件中使用最多能量的區(qū)域，這樣他們就可以集中精力進行優(yōu)化工作。
圖1:為了了解軟件如何影響能源消耗，將IAR I-Scope(顯示)連接到IAR I-Jet調(diào)試器，以采樣程序計數(shù)器和系統(tǒng)電壓和電流。(來源:凱利訊半導體)
一旦軟件組件被確定為具有高能源消耗，開發(fā)人員有許多可用的選擇來優(yōu)化代碼，包括:
增加函數(shù)的優(yōu)化級別。
優(yōu)化速度而不是代碼大小。
重寫的代碼區(qū)域
用能量回收來增加電池儲存量。
在許多情況下，傳感器節(jié)點將以光的形式、溫差、壓力和運動的形式暴露在環(huán)境能量中。設計師可以利用這些附近的能源來增加電池和充電。例如，STMicroelectro
SPV1040可以將輸入電壓降至0.3 V，一直到5.5 V轉(zhuǎn)換為可用能量。SPV1040可以配置為最大電流為1.8安培，并包括反極性保護，以防太陽能電池安裝不當。
意法半導體的STe
STMicroelectronics的STe
圖2:SPV1040太陽能電池充電器的STMicroelectro
最終的低功率傳感器節(jié)點應用程序甚至不包括電池，而是使用能量收集技術為設備供電。
SPV1040可以用于應用程序獲得充足的光線,但是如果應用程序有一個的動能來源,如振動,設計師可能希望開始使用線性技術開發(fā)的DC1459B-A壓電能量收集裝備(圖3)。這是基于公司的LTC3588-1供電ICs。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，這對于希望降低系統(tǒng)工作電壓的設計者來說是完美的。
線性技術的dc1459b圖像-壓電能量采集開發(fā)工具包。
圖3:線性技術的dc1459b -一個壓電式能量采集開發(fā)工具包，為LTC3588-1型電源供電，為開發(fā)人員提供了一個系統(tǒng)設計的測試平臺，該系統(tǒng)可以獲得諸如振動或運動等動能。(來源:凱利訊半導體)
結(jié)論
優(yōu)化網(wǎng)絡連接傳感器節(jié)點的電池壽命不是一件小事。優(yōu)化從選擇正確的硬件組件開始，然后是高效的代碼，最優(yōu)地控制系統(tǒng)的整體能源使用，以延長電池的使用壽命。
雖然電池幾乎是在默認情況下使用，但隨著時間的推移，電池的保質(zhì)期和能量損耗都有各自的問題。在適當?shù)那闆r下，傳感器節(jié)點的最佳解決方案是利用獲得的環(huán)境能量供電。然后傳感器就可以提供IoT數(shù)據(jù)，幾乎不需要維護。
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