由於有數十億的iot感測器節點尚未部署，因此許多感測器節點開發人員面臨的乙個關鍵問題是power。在這些感測器上執行乙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案例。產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裝置供電。
本文將介紹如何分析乙個產品的功耗，並優化其硬體和軟體，然後討論如何使用最新的能量收集技術來增加電池。
能源配置檔案
設計人員需要檢查和優化的關鍵特性是其產品的能量配置。能源概況包括:
動態能量消耗:當裝置醒著執行時所消耗的能量。
靜態能量消耗:裝置睡覺時消耗的能量，不執行任何工作。
設計人員至少有三種可用的選擇，可用於延長電池壽命和最小化系統維護:
硬體能源優化
能源優化軟體
能量收穫
優化硬體:微控制器
對於許多設計師來說，能源優化將從硬體開始。為產品選擇正確的主動和被動元件將大大降低感測器節點的能量配置。典型的無線感測器節點的主要能源消費者包括:
微控制器
無線介面
感測器和雜項積體電路。
電壓調節器
記憶體儲存裝置
對於乙個感測器節點，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乙個重要的組成部分。
微控制器有許多不同的形狀、大小和架構，但是對於乙個iot連線的裝置，從乙個32位的arm微控制器開始是乙個不錯的選擇。這些微控制器很好地得到了多個製造商的支援，並且相對容易地開發出健壯的和可移植的軟體。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系統和社群。
雖然arm微控制器在總體上是節能的，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儘量減少能源消耗。事實上,在他們最深的睡眠模式,大多數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式中，但是在執行時也應該選擇低功率的裝置。乙個很好的例子是nxp kl02微控制器和kineti - l系列。nxp kl02是乙個低針數部分，有14個可用的i/os。這對於乙個專門的感測器節點來說是完美的，該節點需要採集一些感測器並通過無線電進行通訊。nxp kl02有4 kb的可用ram和32 kb的程式設計空間。
感測器節點需要更多的i/o和更多的ram來儲存資料，甚至執行乙個輕量級的實時作業系統(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的快閃儲存器。
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引腳的數量。
減少內部外設的數量。
選擇cortex-m0+家庭或等效元件。
檢查部件上是否包含乙個低功耗計時器。
確保包含了dma控制器。
優化硬體:記憶體和被動。
當涉及到選擇硬體元件時，微控制器並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，乙個使用eeprom裝置的設計，例如微晶元技術的25lc160a。25lc160a的讀取電流在資料表中指定為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,更新弗拉姆號晶元低至200μa(1 mhz)。在訪問外部記憶體時節省大約3個ma似乎並不多，但如果資料是在多年的時間內定期編寫和讀取的，那麼儲蓄就會累積起來。寫入fram的時間也等於spi匯流排傳輸時間。
除了主動部件外，設計師還應該檢查可能有洩漏電流的被動元件。這些通常包括二極體、電容和電阻。選擇被動元件的設計師應該記住:
鋁電容器因其洩漏電流高，應避免使用。
通過提高電容器的電壓等級可以降低洩漏電流。
在電壓調整器輸出上儘量減少容量。
儘量減少電容器的數量，因為每個電容器都有洩漏，它們可以迅速累積。
選擇最大的拉公升電阻，以減少其洩漏電流。
避免分壓器電路
減少調整器的開關頻率。
優化低能耗軟體。
減少電子裝置消耗的能量是優化感測器節點的乙個重要步驟。然而，為感測器節點編寫的軟體也需要通過考慮系統中元件的電氣約束來提高效率。開發人員有許多可以利用的技術，以儘量減少系統的喚醒時間，並盡可能長時間地保持系統處於低功率模式。這些包括:
使用低功耗計時器喚醒。
編寫用於事件驅動的軟體。
使用最低能量模式。
利用dma控制器
自治的外圍裝置
使用這些技術的開發人員可以擁有高效的軟體，但仍然需要確定哪些軟體程式使用的是最多的能量。使用power monitor，比如iar i-jet i-scope，可以幫助開發人員將**的功能和**行與系統中的能源消耗聯絡起來。當與iar i-jet電路除錯探針結合使用時，i-scope可以測量系統周圍的電壓和電流點，同時偵錯程式正在對程式計數器進行取樣。
程式計數器告訴除錯環境在任何給定的函式中執行的**行是什麼，然後除錯環境將這一行與系統中的能源消耗聯絡起來。然後開發人員會指出軟體中使用最多能量的區域，這樣他們就可以集中精力進行優化工作。
的形象iar i-scope
一旦軟體元件被確定為具有高能源消耗，開發人員有許多可用的選擇來優化**，包括:
增加函式的優化級別。
優化速度而不是**大小。
重寫的**區域
用能量**來增加電池儲存量。
在許多情況下，感測器節點將以光的形式、溫差、壓力和運動的形式暴露在環境能量中。設計師可以利用這些附近的能源來增加電池和充電。例如，stmicroelectronics spv1040太陽能電池充電器可以捕獲光直接驅動電路或給電池充電。
spv1040可以將輸入電壓降至0.3 v，一直到5.5 v轉換為可用能量。spv1040可以配置為最大電流為1.8安培，幷包括反極性保護，以防太陽能電池安裝不當。
意法半導體的steval-isv006v2 eval工具允許設計師來測試spv1040使用提供太陽能電池板的最大輸出功率200兆瓦(圖2)。5 w的spv1040可以處理峰值功率,所以設計師可以換出的包括面板可以**更多的電流。這個元件包括乙個內建的超級電容器，可以用來給乙個沒有電池的裝置供電。設計師也可以很容易地更換超級電容器的可充電電池。
stmicroelectronics的steval-isv006v2 eval工具包的影象。
最終的低功率感測器節點應用程式甚至不包括電池，而是使用能量收集技術為裝置供電。
spv1040可以用於應用程式獲得充足的光線,但是如果應用程式有乙個的動能**,如振動,設計師可能希望開始使用線性技術開發的dc1459b-a壓電能量收集裝備(圖3)。這是基於公司的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，這對於希望降低系統工作電壓的設計者來說是完美的。
線性技術的dc1459b影象-壓電能量採集開發工具包。
結論
優化網路連線感測器節點的電池壽命不是一件小事。優化從選擇正確的硬體元件開始，然後是高效的**，最優地控制系統的整體能源使用，以延長電池的使用壽命。
雖然電池幾乎是在預設情況下使用，但隨著時間的推移，電池的保質期和能量損耗都有各自的問題。在適當的情況下，感測器節點的最佳解決方案是利用獲得的環境能量供電。然後感測器就可以提供iot資料，幾乎不需要維護。
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