IOT低功耗設(shè)備設(shè)計(jì)大致為3個(gè)方面的設(shè)計(jì):器件選型、電路設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、續(xù)航壽命估算——
器件選型
典型的器件包括:單片機(jī)MCU、電源芯片、通訊模組等。
單片機(jī)——
1．選擇具備多種低功耗工作模式的MCU,如國(guó)民技術(shù)N32G4FR系列MCU支持5種低功耗模式(Sleep,Stop0,Stop2,Standby,VBat),開(kāi)啟帶有RTC喚醒的Stop模式可讓功耗盡可能低;
2．支持寬范圍供電,如1．8-3．3V,在不需要大電流供電的模式下,使用1．8V供電可以讓MCU處于更低功耗的狀態(tài);
3．不使用的IO配置為模擬輸入,模擬輸入模式下漏電流最低;
關(guān)于MCU的超低功耗設(shè)計(jì),參考該篇文字《STM32芯片超低功耗設(shè)計(jì)思路》
電源芯片——
1．選擇更高效率的電源IC,開(kāi)關(guān)電源DC-DC的效率高于LDO,特別在高壓差、大電流的情況下,DC-DC具備更高的能效優(yōu)勢(shì),對(duì)于常供電的IC,關(guān)注靜態(tài)電流值,對(duì)于帶EN管腳的IC,關(guān)注Shutdown電流值;
2．LDO的成本比DC-DC低,且在低壓差、低電流的情況下,具備低功耗特性的LDO也可做考慮,如圣邦微的SGM2034,靜態(tài)漏電流為1uA;
關(guān)于LDO與DC-DC的效能優(yōu)勢(shì)對(duì)比,參考該篇文字《LDO與DC-DC 的入門理解》
通訊模組——
1．通訊模組中的MCU部分可參考單片機(jī)的的低功耗設(shè)計(jì),本質(zhì)上具備一致性;
2．2．4G的通訊模組,ZigBee低功耗具備更大優(yōu)勢(shì),BLE藍(lán)牙Mesh這兩年間也開(kāi)始逼近ZigBee,WiFi則比較大,同等條件下,ZigBee的發(fā)射電流可以做到50mA以內(nèi),而WiFi的發(fā)射電流一般要大于300mA,加上心跳包對(duì)接時(shí)間的差異,具備快聯(lián)特性的WiFi可能需要10ms,而ZigBee可能只需要3-5ms。
3．通訊模組OTA的功耗 > 搜網(wǎng)功耗 > 靜態(tài)功耗。另外,網(wǎng)關(guān)信號(hào)正常與異常,也會(huì)導(dǎo)致通訊模組在搜網(wǎng)時(shí)的功耗有所不同。
電路設(shè)計(jì)
1． 對(duì)于耗電比較大的器件,使用獨(dú)立IC供電,并盡可能做到可獨(dú)立關(guān)斷供電回路,在非常供電的狀態(tài)下切斷供電回路;
2． 對(duì)于上下拉電阻,在確保信號(hào)抗干擾度良好的前提下,盡可能使用高阻值;如對(duì)于1K的上拉電阻,當(dāng)電流回路對(duì)地時(shí),產(chǎn)生3300uA的電流,而對(duì)于100K的上拉電阻,則為33uA。當(dāng)然,對(duì)于外界的工頻干擾等,同樣的條件下,10K的上拉電阻具備更高的抗干擾度;
3．電池電量檢測(cè)采用分壓電阻時(shí)可使用1M左右的阻值,由于涉及單片機(jī)ADC阻抗匹配的不同(關(guān)于ADC阻抗匹配,可參考《單片機(jī)讀取外部電壓ADC阻抗匹配問(wèn)題》),建議在信號(hào)的采集中間加上一級(jí)電壓跟隨器,該跟隨器需要低功耗或者需要單獨(dú)供電,避免無(wú)謂的電量損耗;
4．對(duì)于有光顯示的場(chǎng)景,如LED指示等,盡可能降低LED亮度。
軟件設(shè)計(jì)
軟件設(shè)計(jì)更多地體現(xiàn)在如何驅(qū)動(dòng)硬件進(jìn)入低功耗模式,如:開(kāi)啟單片機(jī)RTC喚醒的Stop模式;控制電源的EN管腳進(jìn)入非常供電模式;GPIO的模擬輸入模式;通訊模組在發(fā)送完成數(shù)據(jù)之后,立即關(guān)閉UDP連接,盡可能降低大電流模式持續(xù)時(shí)間
續(xù)航壽命估算
1．對(duì)于靜態(tài)電流,可使用萬(wàn)用表進(jìn)行測(cè)量(如Fluke的17B+),由于萬(wàn)用表的采樣率較低,且所呈現(xiàn)的數(shù)值為測(cè)量有效值,因此對(duì)于動(dòng)態(tài)電流,如設(shè)備的間隔性心跳包電流,則需要使用采樣率更高的儀器進(jìn)行測(cè)量,如Keysight的N6705C;(關(guān)于低功耗測(cè)量?jī)x器,可參考《淺談4款低功耗電流測(cè)試“神器”》)
2．嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓挠?jì)算中,需考慮電池的自放電率,即電池即使在不使用的條件下,自身的電化學(xué)物質(zhì)也會(huì)產(chǎn)生一定的反應(yīng)自我消耗,特別是可充電的鎳鎘電池;
3．簡(jiǎn)單舉一個(gè)低功耗設(shè)備續(xù)航時(shí)間計(jì)算的例子:
假設(shè)電池容量250mAh,10分鐘發(fā)送一次心跳包對(duì)接網(wǎng)絡(luò),每次5秒30mA瞬時(shí)電流,待機(jī)20uA電流,可做如下推算:
單次對(duì)接網(wǎng)絡(luò)耗電:30mA x 5s = 150mAs = 41．66uAh;
一天對(duì)接網(wǎng)絡(luò)次數(shù):(24h x 60)÷10 = 144次;
一天對(duì)接網(wǎng)絡(luò)總時(shí)間:5s x 144 = 720s;
一天待機(jī)總時(shí)間:(24h x 3600)s - 720s = 85680s = 23．8h;
一天總功耗:(23．8h x 20uA) + (144 x 41．66uAh) = 6475．04uAh = 6．48mAh;
可使用天數(shù):250mAh ÷ 6．48mAh ≈ 39天
