节能物联网：低功耗物联网设备设计

如何让物联网设备能更加节能，这可能是决定一个产品是否具有巨大价值，还是只能用于其预期之外的用途的关键。在此，我们将学习制造低功耗物联网设备的原则。

电池寿命和电源管理是设计物联网设备时的主要考虑因素。许多新兴的物联网应用因为被部署在偏远地区或需要移动，而需要设备、机器、车辆和物理资产从电网中解耦。当更换电池变得困难或昂贵时，平衡电源管理、性能和可用性可能会决定连接产品的成败。低功耗并不一定代表低性能。

在物联网中，“低功耗”是什么意思？

“低功耗”是一个相对的概念，因此并没有一种简单直接的定义。毕竟，用于蜂窝设备的低功耗与用于手机（另一种类型的物联网设备）的低功耗显然是不同的。

要理解为什么物联网设备的低功耗是这样的一个情景描述符，我们可以看看以下两个案例：一个iPhone 13和一个用于监控石油和天然气资产的蜂窝物联网设备。

当蜂窝设备主动向云发送数据时，它通常消耗的电流为66.3毫安。这个数字, 66.3毫安, 对于大多数人来说可能意义不大，让我们来解释一下。

根据一篇博客的分析，不同使用模式下各种iPhone型号的电池寿命，iPhone 13有一块3227mAh的电池，当用户进行基本的网页浏览时，电池可以持续大约14个小时。

这确实令人印象深刻，但如果你想设计一个在寒冷的冬天中，用于在加拿大石油田远程监测石油和天然气资产的太阳能驱动的物联网系统，14个小时的电池寿命可能还不够。

如果我们使用同样的iPhone 13电池（3227mAh）为这台蜂窝设备供电，同时传输数据并消耗66.3mA，我们预计电池可以持续大约48个小时。

这个时间更长一些，但对于上述石油和天然气的场景来说，可能还是不够。例如，如果风暴来袭导致太阳能模块在几天内无法产生能量，设备将无法运行，你也就无法监测你的设备。

尽管iPhone提供了极其优化的电池和电源管理能力，以适应消费者如何使用手机，但它并不适合作为石油和天然气监测设备。

设计低功耗物联网设备时，为什么电源模式很重要？

继续上一个例子，我们预测这个蜂窝设备可以持续大约48个小时，让我们稍微调整一下我们的假设。假设我们发现这个物联网设备只需要在一天的一半时间内工作，我们可以编程让它在另一半时间内休眠。这样，我们就能得到大约96个小时的电池寿命。

如果这还不足以满足这个应用场景的电源预算，我们可以采取一种机制来关闭无线电（物联网设备中最耗电的部分之一）而不关闭应用处理器。这将允许设备继续收集和排队/缓冲数据，以便后续传输。这些优化可以让我们达到大约192个小时的电池寿命——也就是说，是我们原先预估的四倍。

正如你所看到的，使用不同的操作模式的影响是巨大的，这是最优秀的物联网产品设计师和工程师所理解的。

因此，设计“低功耗”物联网不仅仅是选择最省电的子系统，如计算机、蜂窝调制解调器、电源供应和存储。同样重要的是控制你的物联网设备在哪种模式下操作。

如下图所示，你选择的模式大大影响你的总体能源预算。

低功耗物联网的四个关键应用场景

低功耗物联网的需求并不一定是行业或垂直特定的，而是应用场景特定的。无论你需要电池为你的电子设备供电的地方在哪里，你都希望你使用电池寿命的方式是有意识的、高效的。

那么，需要电池的应用场景都有哪些呢？

01 移动资产

“移动资产”指的是设备、机器、车辆或设备，它们根据用户行为进行移动。这些设备需要无论它们在哪里都能可靠地连接到互联网，所以电池寿命至关重要。

移动资产需要将他们的能源供应内置——例如，物联网连接的微型移动车辆或在不同医疗单位之间移动的医疗设备中的电池。

尽管这些资产通常有商业运营环绕他们来补充他们的能源储存系统，但这些操作昂贵且通常需要人工干预。在这些情况下，你会希望通过使他们的能源系统更低功耗和高效来减少这些“充电”事件。

02 远程固定资产

在这里，”远程固定资产”指的是没有接入电网的固定物联网设备。远程固定资产也需要内置能源供应，但由于他们是静止的，他们可以使用太阳能充电来长期“充满”他们的储存系统。除了前面提到的远程油气站点，农业物联网、远程排放监测，甚至交通监测系统都是这里的典型示例。

低功耗和高效的电源系统对于远程固定资产仍然具有重要性，因为它们允许你设计更小的太阳能电池、充电电路和电池组，这将降低你的材料成本。

03 关键资产

“关键资产”指的是与电网连接的物联网设备，但在电网出现故障时——或者尤其是当电网出现故障时——仍需要运行。

对于关键资产来说，添加一个备用电池以备电源中断使用是最佳的设计决策。在医疗物联网设备和物联网启用的智能能源设备（如电动汽车充电器，智能电表等）的例子中，电力中断可能导致关键资产的故障，从而导致损坏，停机时间，甚至伤亡。

04 可穿戴资产

可穿戴资产”是任何人类会穿戴或密切互动的物联网设备。

当然，设备的大小和重量对于一个人是否愿意穿戴设备是关键因素，这就要求你的电源系统需要小而轻。在可穿戴资产中，低功耗物联网允许你使用更小的电池，而不牺牲电池寿命，进一步减轻了设备的负担。

当然，设备的大小和重量对于一个人是否愿意穿戴和使用设备至关重要。尽管在过去十年中，可穿戴电子设备的能源供应已经有了很大的改进，但仍然有进步的空间。

无论你的物联网设备在何处部署，如何使用电源供应和电源管理将影响其性能和成功度。通过深入理解你的设备的能源需求和操作模式，你可以创建更持久、更有效的物联网解决方案。

设计低功耗物联网设备的常见挑战

设计低功耗的物联网设备需要团队做出权衡，并考虑他们的设计——从硬件到系统设计——是如何影响电力消耗的。

01 性能 VS 功耗

归根结底，你必须要注意的最重要的权衡就是性能与功耗。

CPU、内存和数据带宽是物联网设备在各自用例中性能的关键驱动因素。任何对高性能有严格要求的用例，例如自动驾驶车辆上的联网摄像头，都必须在低功耗上做出一些妥协。

02 使硬件和系统设计协同工作

除此之外，设计低功耗设备的核心挑战是找到最好的硬件，并且有一个总体的系统设计，使用不同的运行模式来降低能源消耗。

以下是在设计设备时，为确保它们具有你需要的低功耗能力，你应该向自己或你的物联网合作伙伴提出的一些关键问题：

– 我可以多久让我的设备进入休眠状态一次？

– 我需要发送多少数据？我将来可以降低这个用量吗？

– 我应该在边缘设备上还是在云端进行数据处理/分析？

– 在某个特定事件被记录和该事件被传输到云端之间，是否有延迟要求？

– 如果我的设备处于休眠状态，我需要什么触发器来唤醒它？

– 如果我的设备频繁进入休眠状态，会出现什么网络问题？

– 我需要什么样的电池寿命，这个电池需要在什么温度下工作，以及哪种电池化学成分适合我的用例？

总的来说，设计低功耗物联网设备是一个复杂的过程，它涉及到对电源管理、硬件和软件优化的深入理解，以及对设备工作环境和要求的深入理解。然而，如果成功地进行了这个过程，可以为用户提供更持久、更有效和更实用的物联网设备。

来源 ｜ Particle
Edgenesis编译
原文：https://mp.weixin.qq.com/s/AMzWLCyTZdJrV433ko-e5A