淺談超低功耗技術(shù)可延長物聯(lián)網(wǎng)無線傳感器使用壽命

導(dǎo)讀：
　　物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 中一個(gè)最大的技術(shù)挑戰(zhàn)就是傳感器節(jié)點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)在任何地方。這些傳感器能夠在已聯(lián)網(wǎng)住宅中被用于測量溫度和濕度、在實(shí)施養(yǎng)護(hù)監(jiān)視中被用于測量高速公路橋梁的機(jī)械應(yīng)力，或是在智能流量計(jì)量過程中被用于測量燃?xì)夂妥詠硭褂昧康?a target='_blank' class='arckwlink_none'>參數(shù)。這些數(shù)據(jù)被服務(wù)器采集處理后，需要一個(gè)廣泛的覆蓋區(qū)域，通過可靠數(shù)據(jù)從而形成穩(wěn)健耐用的網(wǎng)絡(luò)。實(shí)現(xiàn)這一過程的技術(shù)即是將傳感器數(shù)據(jù)無線傳輸至一個(gè)中央主機(jī)系統(tǒng)。
　　為了實(shí)現(xiàn)諸如此類的大型網(wǎng)絡(luò)，還必須將另外一個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域考慮在內(nèi)，那就是整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)必須有非常長的運(yùn)行使用壽命這一特征。使用壽命越長，養(yǎng)護(hù)成本越低。借助微控制器的功率優(yōu)化和諸如LiSOC12主電池的電池類型，這些處理器的供電運(yùn)行時(shí)間可以達(dá)到10年或更長的時(shí)間。
　　直到今天，更長距離的傳感器數(shù)據(jù)射頻 （RF） 傳輸還未得到廣泛實(shí)施。這個(gè)無線特性使得系統(tǒng)的功耗考慮更加復(fù)雜。雖然無線傳感器節(jié)點(diǎn)需要消耗盡可能低的平均功率，它還必須能夠?yàn)榕紶柍霈F(xiàn)的數(shù)據(jù)傳輸傳送高峰值電流。
　　從功耗角度來講，這便意味著傳感器系統(tǒng)內(nèi)的最低靜態(tài)電流與針對功率放大器的高效高功率能力之間需要相互組合。這也意味著器件、以及整體電源架構(gòu)本身選型方面的全新挑戰(zhàn)。
　　低靜態(tài)電流和長使用壽命
　　為了確保IoT-傳感器成為現(xiàn)實(shí)，傳感器的運(yùn)行必須具有成本有效性。一旦傳感器被安裝和啟動(dòng)，它的運(yùn)行時(shí)間需要盡可能的長，以最大限度地減小養(yǎng)護(hù)訪問周期，并節(jié)約成本。
　　這意味著，一方面，必須選擇經(jīng)久耐用的材料和組件。另一方面，內(nèi)部電路也必須特有最低靜態(tài)電流，以便在電池電能一定的情況下獲得更長的運(yùn)行時(shí)間。
　　目前，這些應(yīng)用使用特定的主電池。諸如LiSOC12的化學(xué)電池類型特有超過1Wh/cm3 的非常高的能量密度，并且人們可在市面上輕易地買到。這些主電池的自放電極低，而這正是需要考慮的另外一個(gè)方面。這就使得它們成為延長應(yīng)用使用壽命的第一選擇。
　　為了從這些參數(shù)中受益，電池電流必須被限制在5mA以下。超過了這個(gè)值的電流會(huì)增加自放電率，從而降低電池的使用壽命。由于內(nèi)部阻抗，更高的電流也會(huì)強(qiáng)制端子電壓增加。除了優(yōu)化電池本身，為了盡可能地減少電流泄露，也必須優(yōu)化耗能組件和電源架構(gòu)。
　　超低功耗微控制器片上系統(tǒng) （SoC） 器件特有數(shù)個(gè)低功耗模式，以減少流耗。一個(gè)超低功耗SoC延長了應(yīng)用使用壽命，其原因在于其執(zhí)行的待機(jī)模式，當(dāng)直接與電池相連時(shí)，器件的流耗大約為2μA。圖1顯示的是這款器件在低功耗模式 （LPM3） 下的電源電流。流耗取決于電源電壓（綠色跡線）。
　　當(dāng)SoC與一個(gè)超低功耗降壓轉(zhuǎn)換器組合在一起使用，以減少電源電壓時(shí)，流耗被進(jìn)一步減少。這些是靜態(tài)電流為幾百分之毫微安培的降壓轉(zhuǎn)換器。藍(lán)色跡線顯示的是，把電源電壓降壓至2.1V后，這個(gè)應(yīng)用汲取的電流。電池電壓越高，節(jié)省的電能就越多，其原因來自高效的降壓轉(zhuǎn)換。在3.6V的典型LiSOC12電池端子電壓上，總體流耗比直接電池連接下降了30%。
　　
　　圖1：將微控制器SoC與一個(gè)降壓升壓轉(zhuǎn)換器組合在一起，可以將功耗減少30%
　　針對無線傳輸?shù)姆逯倒β?br /> 　　除了低IQ方面，傳感器必須將搜集和處理的數(shù)據(jù)傳至一個(gè)基站。例如，可以是一個(gè)本地?cái)?shù)據(jù)集中器，它常用于公寓樓內(nèi)的智能燃?xì)鈧鞲衅?。除了無線儀表計(jì)量總線（無線M-Bus），這也可以是用于高速橋梁上現(xiàn)場傳感器節(jié)點(diǎn)的全球移動(dòng)通信系統(tǒng) （GSM） 基礎(chǔ)設(shè)施。
　　一個(gè)典型的工作模式就是全天搜集和處理數(shù)據(jù)，然后將采集到的數(shù)據(jù)在一天之內(nèi)最多傳輸數(shù)次。從功率角度來講，這表示，大多情況都需要維持在數(shù)微安范圍內(nèi)的低平均流耗，偶爾則需要對僅出現(xiàn)數(shù)毫秒的更高電流做出相應(yīng)支持。因此，數(shù)據(jù)傳輸所需要的能量數(shù)量取決于范圍和射頻協(xié)議。廣泛使用的標(biāo)準(zhǔn)是無線M-Bus和GSM。