IOT低功耗設備設計大致為3個方面的設計:器件選型、電路設計、軟件設計、續航壽命估算——

器件選型

典型的器件包括:單片機MCU、電源芯片、通訊模組等。

單片機——

1．選擇具備多種低功耗工作模式的MCU,如國民技術N32G4FR系列MCU支持5種低功耗模式(Sleep,Stop0,Stop2,Standby,VBat),開啟帶有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;

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;

關于MCU的超低功耗設計,參考該篇文字《STM32芯片超低功耗設計思路》

電源芯片——

1．選擇更高效率的電源IC,開關電源DC-DC的效率高于LDO,特別在高壓差、大電流的情況下,DC-DC具備更高的能效優勢,對于常供電的IC,關注靜態電流值,對于帶EN管腳的IC,關注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,靜態漏電流為1uA;

關于LDO與DC-DC的效能優勢對比,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部分可參考單片機的的低功耗設計,本質上具備一致性;

2．2．4G的通訊模組,ZigBee低功耗具備更大優勢,BLE藍牙Mesh這兩年間也開始逼近ZigBee,WiFi則比較大,同等條件下,ZigBee的發射電流可以做到50mA以內,而WiFi的發射電流一般要大于300mA,加上心跳包對接時間的差異,具備快聯特性的WiFi可能需要10ms,而ZigBee可能只需要3-5ms。

3．通訊模組OTA的功耗 > 搜網功耗 > 靜態功耗。另外,網關信號正常與異常,也會導致通訊模組在搜網時的功耗有所不同。

電路設計

1． 對于耗電比較大的器件,使用獨立IC供電,并盡可能做到可獨立關斷供電回路,在非常供電的狀態下切斷供電回路;

2． 對于上下拉電阻,在確保信號抗干擾度良好的前提下,盡可能使用高阻值;如對于1K的上拉電阻,當電流回路對地時,產生3300uA的電流,而對于100K的上拉電阻,則為33uA。當然,對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．電池電量檢測采用分壓電阻時可使用1M左右的阻值,由于涉及單片機ADC阻抗匹配的不同(關于ADC阻抗匹配,可參考《單片機讀取外部電壓ADC阻抗匹配問題》),建議在信號的采集中間加上一級電壓跟隨器,該跟隨器需要低功耗或者需要單獨供電,避免無謂的電量損耗;

4．對于有光顯示的場景,如LED指示等,盡可能降低LED亮度。

軟件設計

軟件設計更多地體現在如何驅動硬件進入低功耗模式,如:開啟單片機RTC喚醒的Stop模式;控制電源的EN管腳進入非常供電模式;GPIO的模擬輸入模式;通訊模組在發送完成數據之后,立即關閉UDP連接,盡可能降低大電流模式持續時間

續航壽命估算

1．對于靜態電流,可使用萬用表進行測量(如Fluke的17B+),由于萬用表的采樣率較低,且所呈現的數值為測量有效值,因此對于動態電流,如設備的間隔性心跳包電流,則需要使用采樣率更高的儀器進行測量,如Keysight的N6705C;(關于低功耗測量儀器,可參考《淺談4款低功耗電流測試“神器”》)

2．嚴謹的功耗計算中,需考慮電池的自放電率,即電池即使在不使用的條件下,自身的電化學物質也會產生一定的反應自我消耗,特別是可充電的鎳鎘電池;

3．簡單舉一個低功耗設備續航時間計算的例子:
假設電池容量250mAh,10分鐘發送一次心跳包對接網絡,每次5秒30mA瞬時電流,待機20uA電流,可做如下推算:

單次對接網絡耗電:30mA x 5s = 150mAs = 41．66uAh;

一天對接網絡次數:(24h x 60)÷10 = 144次;

一天對接網絡總時間:5s x 144 = 720s;

一天待機總時間:(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:250mAh ÷ 6．48mAh ≈ 39天