为更持久的IoT节点设计解决方案

　　物联网的支持者(物联网)邀请我们设想一个未来，即使是最微小的设备都是智能和连接的，它的设计目的是让生活更轻松、更舒适，并有助于拯救地球的资源。

　　然而，很少有人会想要想象一个未来，有数百亿的远程安装的盒子需要定期更换电池。极端的电力管理使用超低功耗的微控制器来吸引非常低的睡眠电流，可以让IoT从一个小电池运行到设备的生命周期。这可能需要几年的时间，假设一个低的工作周期。另一种选择是设计——在能量采集子系统中，能够为设备供电，并向电容器或小型电池充电以提供备份。

　　物联网应用的一个关键目标是利用连通性来收集情报或控制设备，这些地点在使用其他技术时是困难或不经济的。这些连接的设备可以为终端用户和服务提供者等其他利益相关者提供更多的价值。他们可能使用技术与本机IP传输连接,如以太网或无线上网,或者可能聚合为一个互联网网关使用任何广泛的rs - 232等有线或无线连接,蓝牙®,蓝牙智能或协议如无线个域网®或其他专用的低功耗协议运行在一个内部IEEE 802.15.4无线提供服务。传感器或执行器可以在偏远地区单独连接，也可以作为网状网络的一部分与附近的其他设备连接。

　　在许多情况下，IoT设备(如交流线路或网络电源，比如USB主机或以太网电源的电源)的方便电源是不可用的。需要一个独立的能量源，如主电池或能量收集子系统。对设备的预期寿命进行免维护操作是可取的，以节省现场服务访问的高成本。

　　如果要使用电池，设计人员必须确保总可用能量至少等于设备在其一生中所需要的总能量。在选择电池类型时，包括电池化学因素在内的因素影响放电特性，包括峰值电流输出。电池放电时，当电池电压低于元件所要求的最低工作电压时，电路将无法运行。如果没有额外的电路，比如升压转换器，那么剩余的电池能量就无法进入。锂电池技术在这方面提供了良好的性能:锂硫酰氯电池能够维持大约3.6 V的稳定电压，直到能量几乎耗尽，在生命结束时迅速下降到完全放电电压约2.2 V。设计者还应该考虑到电池的最大放电电流。如果电池是设备的唯一预定电源，它必须能够提供负载所需的峰值电流。或者，一个具有高放电能力的短期存储设备，如超级电容器，可以在需求高峰时帮助电池。

　　能量采集子系统应该能够捕获足够的环境能量来满足设备的需要。由于光或热能等环境能量通常不能持续使用，所以能量收集可以与能量存储设备一起使用，这种设备至少能够为微控制器提供备用电源，而传感器处于省电模式。一个小型可充电电池，如Seiko MS412FE 4.8毫米x1.2 mm锂币电池，其额定容量为1.0 Ah，最大持续放电电流为0.1 mA，可以满足这一要求。图1显示了MS电池的充电电路。充电电压，Vc，不超过3.3 V。在这种情况下,一个2 MΩ电阻应该插入调节充电电流。或者，可以使用存储电容，但其自放电速率比电池快。

　　可充电锂电池充电电路图。

　　图1:可充电锂电池充电电路。

　　在选择能量收集或电池功率时，也必须考虑成本和尺寸限制。锂基电池有各种尺寸和容量，包括标准按钮和圆柱形状因子。Tadiran TL-5101是一种半a尺寸的3.6 V电池，在一个轴向铅包中，可以直接焊接到电路板或电源引线上。这就消除了电池夹的成本，以及在最终组装过程中手动插入电池的额外时间。

　　就能源收获而言，像Microchip XLP 16位能源收获开发工具包这样的工具包可以帮助加速设计。该工具包是基于PIC24F单片机和一个太阳能收集模块和车载可充电薄膜储能设备。所提供的软件包括充电监控，主板采用标准的PICtail扩展连接器，使用IEEE 802.15.4 2.4 GHz无线电模块简化了无线连接的添加。

　　IoT时代的微控制器

　　在IoT应用中，谨慎的能源管理越来越重要，这推动了超低功耗设计的发展，利用灵活的微控制器睡眠模式来减少当前的吸引或停用未使用的电路，只要这样可以实现净节能。必须定期捕获感知数据的连接传感器,在本地执行少量的加工操作,并将结果无线接收器有一个权力配置的特点是长时间在睡眠模式下功耗很小,短时间内的高需求的设备被激活接收、过程或传输数据。应用程序设计人员的技巧在于确保尽可能低的低水平尽可能长，并且尽可能短的时间内达到峰值。

　　等微控制器芯片XLP(极低功率)设备,意法半导体STM32L线条和德州仪器MSP430的设备(如最近的MSP430FG6626引入灵活的架构,给设计师更多的控制比一般常规微控制器关闭未使用的外围设备和零部件的CPU核心,同时继续支持重要的功能。核心独立的外围设备，例如能够在没有CPU干预的情况下直接接收和传输数据包的UART，帮助节省能源，同时也节省了代码空间。

　　Microchip XLP设备，如16位的PIC24FJ256GB410，是新PIC24 GB4系列的一部分，结合了支持超低功耗设计和集成硬件加密引擎的功能，能够从主处理器卸载重要的IoT安全任务。

　　微控制器SOS(关闭某物)

　　传统的微控制器通常只支持有限的电源管理模式，通常给软件设计者一个选择:主动、空闲或休眠，超低功耗的微控制器支持更复杂的电源管理方案。大量的节电特性涵盖了设备的所有方面，如时钟子系统、电压调整器和特殊的低功率外设，如MSP430GF6266的集成运算放大器。

　　在STM32L0系列中，对时钟和电压调整器的额外控制，使设计人员能够灵活地优化操作速度和供应电压，以确保在执行时间的任何适用约束条件下，在尽可能低的功耗下执行所有操作。时钟控制器提供了由逻辑控制的多个内部源，设计者可以使用它来选择一个低、中、高速的路径，以使外围设备以合适的速度运行，这取决于PCU是活动的还是静态的。此外，对外围设备的多个门提供了一种方便和响应的方法，使单个外围设备失效。像DACs或GPIOs这样的设备可以在pin状态保持有效的情况下停止。

　　此外，多种电压调整模式可以选择正常的、低功率的或关闭的，以允许多个运行和休眠状态。因此，除了正常运行和睡眠模式外，还有低功率运行和低功率睡眠模式。还有一个8µA停止模式下,所有的时钟停止,除了低速时钟。在这种模式下,RTC和内存也可以关掉,减少当前进一步4µA。该设备可以在3.5µs退出停止模式,它允许频繁使用停止最大化总体储蓄力量。甚至更多的电路可以关闭以节省能源:芯片上的闪光可以在任何操作模式下供电，低功耗计时器和UARTs可以在停止模式下关闭。此外,有备用模式RTC。备用关闭电压供应核心,以及高速和中速时钟,减少电流0.27µA。图2总结了单片机的低功耗模式。

　　STMicroelectronics STM32L0xx低功耗模式概述。

　　图2:为电源意识的应用程序设计的微控制器，例如自或电池驱动的物联网节点提供多种电源管理模式。

　　核心电压也可以动态调整，允许选择电压范围下降到1.2 V，以最大限度地节约能源，因为核心的性能要求很低。电压可以向上或向下扩展迅速,在大约3µs,使快速响应性能需求的快速变化。

　　结论

　　未来几年，数十亿智能无线设备(如远程传感器)将接入互联网。利用高效的能源收集技术的无电池操作提供了良好的环境证明。另外，IoT端点可以设计为通过精心的电池选择和利用超低功耗的微控制器的嵌入式设计来实现其预期寿命的免维护。