自從 Kevin Ashton 創(chuàng)造出“物聯(lián)網(wǎng)”這個詞的那一天起，物聯(lián)網(wǎng)就迅速擴展以滿足多樣化的需求。 醫(yī)療設(shè)備、智能儀表、聯(lián)網(wǎng)汽車、智能農(nóng)業(yè)和智能基礎(chǔ)設(shè)施——只要你給應用命名，物聯(lián)網(wǎng)傳感器就可以發(fā)揮作用。 應用程序是無限的。 物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為萬物互聯(lián)。

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Statista 在最近的一份報告中估計，到 2030 年，全球聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的數(shù)量將達到約 500 億。 這些設(shè)備或系統(tǒng)將相互通信、捕獲和分析數(shù)據(jù)并將其發(fā)送到云端進行存儲或進一步處理。 更進一步，人們對邊緣 AI 處理的興趣日益濃厚，從而使智能設(shè)備變得更加智能。

智能設(shè)備上對應用程序和數(shù)據(jù)處理不斷增長的需求給設(shè)備設(shè)計人員帶來了一個挑戰(zhàn)：如何從電池中獲得更多。 延長或消除更換電池的需要可降低維護成本，并使物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備具有競爭優(yōu)勢。 最重要的是，在整個設(shè)備設(shè)計周期中，對低功耗的追求無處不在。 電池供電的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備需要遠程工作，完全依靠小電池。

設(shè)計工程師將找到通過平衡主動功能和深度睡眠模式來節(jié)省能源的方法;然而，這種方法有局限性。一些可穿戴設(shè)備，尤其是智能醫(yī)療設(shè)備——例如心臟起搏器——需要某些電路部件處于活動狀態(tài)以進行持續(xù)監(jiān)控。電路的活動部分必須始終處于開啟狀態(tài)，即使其他功能處于深度睡眠模式時也是如此。該活動限制了電池壽命。電路設(shè)計需要補償這一限制，以滿足應用的電池壽命要求。設(shè)計人員還面臨需要連續(xù)無線連接的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的挑戰(zhàn)，這與延長電池壽命的要求相沖突。無線通信通常是有源設(shè)備中最大的功率消耗者。

幸運的是，有許多技術(shù)可以提高電子電路的能效，同時延長電池壽命。

能量收集

能量收集是一種從環(huán)境中收集能量并將其轉(zhuǎn)換為可為電子電路供電的能量的方法。從外部環(huán)境獲取能量的方法包括熱電轉(zhuǎn)換、太陽能轉(zhuǎn)換、風能轉(zhuǎn)換、射頻 (RF) 信號和振動激發(fā)。

射頻能量收集捕獲環(huán)境電磁能，并通過天線和整流器電路將其轉(zhuǎn)換為可用的連續(xù)電壓直流 (DC)。環(huán)境中存在的周圍射頻能量源于多種高頻技術(shù)，包括 Wi-Fi 信號、微波爐和無線電廣播。振動激發(fā)能量來自地板、機械或汽車底盤的細微振動。根據(jù)可用能量的頻率和幅度，隔離環(huán)境能量的方法差別很大。如今，幾家公司開發(fā)了能量收集芯片，無需為低功耗物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備更換電池。

無線標準

無線連接標準(蜂窩和非蜂窩)已經(jīng)開發(fā)出功能和優(yōu)化技術(shù)，以幫助最大限度地延長 IoT 設(shè)備的電池壽命。 LTE-M 和 802.11 無線局域網(wǎng)等無線標準具有省電模式和擴展不連續(xù)接收等功能以降低功耗。

省電模式允許物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在固定時間處于睡眠或打瞌睡狀態(tài)，喚醒僅用于傳輸和監(jiān)控數(shù)據(jù)，然后再返回睡眠狀態(tài)，同時保持與網(wǎng)絡的注冊狀態(tài)。設(shè)備和網(wǎng)絡根據(jù)應用程序的要求協(xié)商和優(yōu)化時序。由于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在省電模式下處于非活動狀態(tài)，因此功耗較低，有助于延長電池壽命。

擴展的不連續(xù)接收可以作為擴展的 LTE 功能并入物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，獨立于節(jié)電模式工作以獲得額外的節(jié)電。該功能極大地延長了 IoT 設(shè)備不偵聽網(wǎng)絡的時間間隔。雖然它不提供與省電模式相同級別的功率降低，但延長的不連續(xù)接收可能是設(shè)備可達性和功耗之間的一個很好的折衷方案。

設(shè)備設(shè)計

設(shè)計工程師努力使電子電路更加節(jié)能。某些硬件設(shè)計、軟件或固件更改會導致電路消耗更多功率，從而降低功率效率。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的功耗也可能因氣候條件的不同而有所不同。設(shè)計人員經(jīng)常通過捕獲和分解硬件子系統(tǒng)的功耗來分析物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在不同場景中的功耗情況。從那里，他們可以確定必要的設(shè)計更改以優(yōu)化電池壽命。他們必須重復這些步驟來分析和驗證每個設(shè)計更改的影響。

此過程稱為基于事件的功耗分析。設(shè)計人員需要將電荷消耗曲線與子系統(tǒng)的 RF 或 DC 事件相關(guān)聯(lián)。如上所述，優(yōu)化設(shè)備設(shè)計的過程可能既困難又耗時。設(shè)計人員需要模擬環(huán)境、捕獲和比較電流消耗數(shù)據(jù)并進行設(shè)計更改。他們可能還需要再次重復這個過程。以用于農(nóng)業(yè)應用的 LoRa 智能傳感器為例。為了改進電池壽命估算，設(shè)計人員需要在腔室中捕獲傳感器在工作狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換時的動態(tài)電流消耗，并模擬全天的溫度曲線。通過數(shù)據(jù)日志，設(shè)計人員可以根據(jù)充電消耗曲線計算電池壽命，并決定需要改進的電路、軟件或固件部分。

市場上的產(chǎn)品可以幫助減少測試開發(fā)和測試時間，并輕松估計物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的電池壽命，因此設(shè)計人員可以將更多時間花在重要的事情上：設(shè)備設(shè)計。

大多數(shù)人都可能與手機電池電量不足引起的焦慮有關(guān)。 物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備也不例外，無論是智能手表、醫(yī)療設(shè)備還是農(nóng)業(yè)應用的智能傳感器。 電池運行時間是影響最終用戶購買決定的最重要標準之一。 它可以給你的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備帶來競爭優(yōu)勢，也可以破壞你的品牌聲譽。幸運的是，現(xiàn)有的技術(shù)和解決方案可以幫助產(chǎn)品制造商和設(shè)備設(shè)計師做出明智的決定，有效地管理電源，優(yōu)化物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的電池壽命。