在物联网低功耗设计,BOM有哪些规则需要掌握?
0 2022-10-27

不知不觉,我们已经处于物联网的汪洋大海之中,大家公认的说法是,到2020年全球物联网设备接入总数将达到300-500亿。面对这海量的设备,维护变成一个繁重的任务,这就要求互联网设备可靠“皮实”的同时,功耗足够低,一块电池(或者使用能量收集技术)能撑足够久。因此“低功耗”三个字在物联网用户端设备的设计中,一直被摆在很高优先级的位置上。这也让开发者在元器件的选型上小心谨慎,铭记下面这些不得不守的“军规”。

死磕物联网低功耗设计,BOM中不得不知的五条“军规”

图1:物联网用户端设备系统框图

第一条:用一颗低功耗的MCU

从物联网设备的系统框图上来看,MCU处于核心的地位;而从功耗的角度来看,它也是耗电最大的“电老虎”。8-bit MCU功耗固然低,但毕竟性能有限,所以在物联网设备中32-bit MCU上位成了主角。目前在32-bit通用MCU领域,ARM Cortex-M系列架构的CPU内核占主流,从M0、M0 、M3、M4到M7,序号越大性能越高,功耗也越大。所以根据物联设备的应用场景,选择一颗功耗性能比“刚刚好”的CPU内核是首要准则。

不过决定MCU整体功耗的因素很多,除了CPU内核自身的功耗,至少还要考虑三个因素:是否有多样的电源管理模式设定,可以让CPU内核和无需工作的电路处于休眠状态;是否有灵活的时钟管理系统,按需对各个功能电路进行调度;是否有更智能而低功耗的外围电路,能够帮助CPU内核分担工作。其实这些因素核心的思路就是:无事休眠、按需激活、避免空耗。

要想全面了解MCU低功耗性能、做出正确判断,除了吃透器件的Datasheet、经验设计积累外,目前也有第三方的评测可供参考,比如EEMBC联盟为衡量嵌入式微控制器低功耗特性专门设计的ULPBench评分。虽然有人认为这一评分的结果值得商榷,但仍然不失为一把衡量MCU整体低功耗特性可参考的标尺。

死磕物联网低功耗设计,BOM中不得不知的五条“军规”

表1:ULPBench中业界主流MCU产品得分


第二条:考虑集成化的传感器

在传感器的选型上,开发者通常有两种选择:分立的传感器或集成化的传感器。单独来看,前者在成本和功耗上都更有优势,不过从系统整体功耗上看,集成传感器件不失为一种不错的选择。因为在集成传感器件中,通常会将信号调理电路(如ADC)整合进去,将预处理后的信号通过SPI或I2C等数据接口直接传给MCU,减少MCU数据处理的负荷。有些传感器件还会集成信号处理电路,如一个低功耗的CPU核,构成功能更完整的传感器中枢,简单的计算自己做,进一步减少对主MCU的“打扰”。这些策略都会对系统总体能耗的降低有帮助。

第三条:选择合适的无线互连协议

影响物联网产品功耗的另一个重要因素就是无线互连功能。目前市场上有太多的无线互连协议可供选择,从私有的Sub-GHz协议,到众所周知的Wi-Fi、BLE、ZigBee等开放标准,以及近年来快速发展的低功耗广域网LPWAN协议(如LoRa、Sigfox、NB-IoT等)。无线通信的功耗会与网络的规模、拓扑结构、可靠性、数据吞吐量等因素相关。通常来说,拓扑结构越复杂、数据吞吐量越大的网络,功耗也会更大,比如:星形WiFi网络要比点对点通信的Sub-GHz无线通信功耗要高很多;同样采用ZigBee协议,星形网络肯定比Mesh网络能耗更低。

因此物联网设备无线互连协议的选择与应用场景关联度极高,开发者需要从现实的需求以及未来的扩展性方面通盘考虑,确定适合的无线技术,在此基础之上再选择低功耗性能最优的元器件。

第四条:选用耗电少的电源管理器件

电源管理器件是物联网系统中必不可少的部分。不论是选用LDO线性稳压器还是DC-DC转化器,抑或是能够提供多轨电压输出的PMIC,高效率是当然的首选特性。此外,与物联网产品配套的电源管理器件,特别在与能量收集技术相关的应用中,自身还需要具备低静态电流的特性——如TI等公司相关产品标称的静态电流值可达到300nA左右——尽可能降低设备的待机功耗。

第五条:做好安全性功耗预算

2016年10月网络黑客劫持了摄像头等大量物联网终端设备,向北美网络发起了大规模DDoS攻击,这再次提醒人们物联网设备端的安全问题不容忽视。而对物联网设备来说,增强安全功能也意味着更大的功耗,比如如果MCU的内部或外部没有配置加密硬件,加解密工作就不得不耗费MCU的计算资源,产生更多的功耗。使用更可靠的非对称加密算法,与对称加密算法相比也需要更多的功耗。因此安全性关联的功耗预算,也是必须考量的部分。

将以上几个因素串联起来,我们才可以为物联网设备端的功耗描绘出一幅完整的图景。在此基础之上,锱铢必较,精心雕琢出禁得住市场和用户考研的低功耗产品。

死磕物联网低功耗设计,BOM中不得不知的五条“军规”

表2:主要无线互连协议比较

转自:

声明: 本文转载自其它媒体或授权刊载,目的在于信息传递,并不代表本站赞同其观点和对其真实性负责,如有新闻稿件和图片作品的内容、版权以及其它问题的,请联系我们及时删除。(联系我们,邮箱:evan.li@aspencore.com )
0
评论
  • 相关技术文库
  • 物联网
  • 蓝牙
  • WIFI
  • LoRa
  • 无线网络技术:如何排查WiFi故障

      WiFi是一种可以将个人电脑、手持设备等终端以无线方式互相连接的技术。无线网络技术已经发展的很成熟了,但是对于WiFi技术,我们应该怎么进行WiFi故障处理

    01-06
  • 智能家居嵌入式Internet技术

      经过去年的风生水起,智能家居销售呈现了一个新兴蓬勃的局面,房地产、家装、网络运营商等多个渠道销售火爆。有人甚至预言2013年开始悄然进入智能家居的普及元年。

    2022-12-02
  • 一种物联网水表的原理及设计

    今天为大家介绍一项国家发明专利——一种微信物联网水表。该专利由深圳市常工电子计算机有限公司申请,并于2018年12月11日获得授权公告。内容说明本发明属于计量仪

    2022-11-11
  • 使用MSP430快速实现NFC P2P功能

      描述  此近场通信(NFC)参考设计提供实现NFC对等模式(P2P)应用的固件示例。其目的是向应用开发者展示以有源和无源模式使用TRF7970A实现稳定的对

    2022-11-07
  • 一种基于ZigBee的空中下载技术

      摘要:无线传感网络是由大量体积小,供电资源有限,并配置一定计算能力和无线通讯能力的传感节点组成。对于传感网络系统,一定存在程序代码更新和维护的需求,但由于传

    2022-11-07
  • 物联网网络安全的基本原则

    现如今智能的连接设备已经广泛布局在我们的家中或者我们的工作环境中,这些设备很棒,但它们也会暴露出许多新的攻击面,“设计安全”框架可以提供最佳的保护方案。该框架是

    2022-10-19
  • 无线传感网定位算法的几个关键问题

      0引言  节点的定位是无线传感网应用中的一个重要问题,位置信息的引入使得WSN的输出从单一的{数据}变为{数据,位置}形式,使得使用者可以更有效的获取特定位

    2022-09-28
  • 阀控物联网水表的原理及设计

    今天为大家介绍一项国家发明授权专利——一种阀控物联网水表。该专利由三川智慧科技股份有限公司申请,并于2017年10月3日获得授权公告。内容说明本实用新型涉及水表

    2022-09-26
  • 具有阶梯计价功能的物联网智能水表的原理及设计

    今天为大家介绍一项国家发明授权专利——具有阶梯计价功能的物联网智能水表。该专利由成都秦川物联网科技股份有限公司申请,并于2017年8月29日获得授权公告。内容说

    2022-09-26
  • 一文讲解LoRaWAN在智慧园区中的应用

    智慧园区的建设,离不开无线通讯技术。LoRaWAN是一种比较适合在智慧园区中应用的无线技术,本文将为大家讲解LoRaWAN在智慧园区中是如何使用的。 目前我国已经形成了“东部沿海聚集、中部沿江联动、西部特色发展”的智慧园区空间格局。环渤海、长三角和珠三角

    2022-09-22
  • 简述ZWS云的可视化开发模块和使用方法

    在物联网项目中,不同行业的需求有差异,需要开发不同界面的SaaS应用,为解决用户开发应用难问题,ZWS云平台支持可视化开发,用户可以像搭积木一样搭建SaaS应用以及HMI人机界面。 ZWS云平台,全称为:ZLG Web Service云计算服务平台,是一个标准通用的物联网

    2022-09-22
  • 一种景点旅游列车辅助语音自动导览系统

      随着我国经济快速发展、城乡居民收入不断提高和闲暇时间大量增加,旅游消费进入一个快速发展的新阶段。为了解决旅游发展过程中交通的问题,基于固定轨道的旅游列车应景

    2022-09-21
下载排行榜
更多
广告