长时刻以来，在一切职业和商场中，咱们一向都可以看到关于可以长时刻运转的高能效、电池供电型设备的需求。随 着物联网（IoT）的鼓起，嵌入式规划人员正在以很大的精 力重视“超省电”设备的电源办理。当考虑到需求某种方法 无线连接的电池供电型设备时，不管在简略的点对点无线网 络装备仍是更杂乱的星型或网状网络中，这都尤为实在。有 许多被以为十分适宜选用超省电设备类型的运用，其间一个 典型的比如是无线传感器节点，从功用上看，它是一个需求 长时刻运转（在某些情况下长达几年）一起选用电池供电的相 对简略的设备。
要 为 这 类 应 用 构 建 成 功 的 产 品 ， 开 发 人 员 必 须 考 虑 整 个 设 计 的 诸 多 方 面 。 这 些 设 计 考 虑 不 仅 包 括 微 控 制 器
（ M CU ） 和 它 的 能 效 等 级 ， 而 且 也 包 括 系 统 中 的 其 他 元 素，例如无线接口（不只是是物理完成，也包含运用的无线 协议）、体系级电源办理（例如，集成到MCU中的低压差 调理器或许专用电源办理IC）、传感器、以及需求搜集和处 理传感器数据的模仿功用。
图1显现了无线传感器节点的要害组成部分。让咱们首 先从MCU开端评论，这是规划的中心。
关于电池供电的无线传感器节点来说，MCU有必要具有 超高的能效。RF协议和数据处理的需求（或许用于信号调 节和数字信号处理）将或许决议32位或许8位MCU的挑选，
图1 典型的无线传感器节点架构
图2 32位的EFM32 MCU中的低能耗传感器接口（LESENSE）技能
尽管如此，不管MCU怎么挑选，许多低能耗需求依然是必要的。例如，把MCU从超低功耗形式唤醒到全速运转形式 的时刻长度（例如2μs）将对电池电量节约发生明显的差 异。在这种景象下，MCU唤醒时刻越短越好。在MCU进行 功耗形式转化期间，它不能做任何有意义的工作。
其 他 两 个 也 对 系 统 级 能 耗 具 有 显 著 影 响 的 参 数 是 ：
低功耗形式下的能耗（应当<1µA）和活动形式期间的能耗
（ 这依赖于运用的MCU内核以及MCU本身的处理技能节 点，一般应当在150μA/MHz或以下）。也有其他要素影响 能效，可是这三种要素（核算需求、低功耗形式时的能耗和 活动形式时的能耗）是最基本的架构考虑要素，将极大影响 运用中MCU的挑选。
体系规划人员也应细心考虑所挑选的MCU有多少才能 不依赖于CPU内核本身。例如，经过传感器接口的自治处 理才能可以明显的节约能耗。自治型传感器接口经过MCU 为传感器供给鼓励信号（或许电源），可以读回和解说结 果，直到取得“有用”数据今后才唤醒MCU，这关于最大 化体系电池寿数大有协助。例如，如图2所示，Silicon Labs 的EFM32 MCU架构结合了自治型低能耗传感器接口（又称 为LESENSE）以及片上比较器，可以从外设传感器搜集数据而且只是在有正确或许有用数据后才唤醒CPU，完成一切功
能所需的超低功耗预算只是1.5μA。
虽 然 有 其 他 的 M CU 节 能 措 施 可 考 虑 用 于 超 省 电 型 应 用，可是咱们依然有更多运用可掩盖咱们的简略无线传感器 节点运用示例。现在让咱们转到无线连接组成部分，咱们能 够考虑几种明显不同的选项。无线拓扑（如图3所示）和协 议挑选（如图4所示）都将影响需求坚持无线链路的功耗预 算。在某些景象下，选用私有sub-GHz协议的简略点对点连 接或许看起来是适宜的挑选，因为它或许仅需求耗费最少的 电池电量。可是，这个简略的无线装备约束了传感器发挥作 用的布置方位和规模。
构建在2.4GHz或许sub-GHz技能上的星型装备添加了传
感器布置的灵活性，这意味着可以在同一网络中布置更多的
图3 网络拓扑示例
传感器，可是这也或许添加用于传输数据的协议的杂乱性，
因而添加RF传输量，而且导致耗费更多电池电量。
第三个值得考虑的选项是根据协议栈（例如ZigBee）的 网状网络装备。尽管网状网络耗费最大的传感器节点电池电 量，可是它也供给了包含节点到节点数据传输在内的节点 布置的最大灵活性。依赖于无线协议栈（例如ZigBee），网 状网络也可以供给具有自修正才能网络的最牢靠布置选项
（即，假如网络中的一个节点发生了毛病，被发送的音讯仍 然可以发现另一条途径而到达目的地）。
与网络装备挑选密切相关的是有必要传输的数据量，或 者从节点到节点或许从节点到搜集器。在传感器节点，在无 线链路上传输的数据量应当相对小（尤其是假如一些数据能 够在节点的MCU上处理，那么只是相关信息被发送，而不 是一切搜集的数据被传输）。因而，ZigBee供给了最佳的网 状网络解决方案；Bluetooth Smart是根据规范的、功耗灵敏 型点对点装备的最佳挑选；专利的sub-GHz解决方案在星型 或许点对点装备中为网络巨细、带宽和数据负载供给了最大 的灵活性。表1汇总IoT运用中抢先的RF技能的多种要害特性和好处。
考虑选用长间隔（long-range）技能和渠道（例如LoRa 和Sigfox）也是有协助的，它们支撑高节点数量网络连接， 具有最大数十公里传输间隔而且依然支撑低功耗体系。运用 这些长间隔无线技能，可以在极广的区域布置节能型传感器 节点。
关于无线连接来说，另一个考虑要素是用来维护传输 数据的加密规划。怎么处理加密对超省电型设备发生很大影 响。例如，ZigBee加密内建在协议栈中，可是假如用于运转 协议栈的MCU（或许处理器内核）没有恰当的加密硬件， 那么它将不得不选用软件办法花费更多周期来运转算法。例 如，在一个具有AES硬件加速器的ARMCortex-M0+处理器上
图4 具有内建信号调理功用的环境光传感器
运转128位的AES加密逻辑花费54个周期，而在没有硬件加 速器的ARM Cortex-M0+处理器上运转相同的加密逻辑将花 费4000个周期，大约是具有硬件加密支撑MCU的80倍。当 传感器节点在无线链路上接纳或许发送数据时，这将对全体 功耗发生明显的影响。在IoT商场中，无线链路上的安全传 输需求正在添加。跟着愈加杂乱的加密需求出现在无线网络 中，这种超省电型设备上电源办理的安全驱动的组成部分正 在变得越来越重要，而且关于开发人员进行硬件挑选带来显 著的影响。
就可运用在咱们节点示例中的传感器而言，许多传感 器挑选都是可行的，从光、环境、到运动传感器。传感器的 挑选最终是由你要丈量什么而决议。在咱们的比如中，咱们 将挑选环境光强度丈量。有几个选项用于丈量环境光，以分 立感测组件开端，它们可以被规划完成十分低的功耗，可是 这种办法把信号的调理和处理担负放到了MCU上。其成果
表1 RF协议之间的首要不同点
是MCU将需求在更长的时刻周期内处于活动形式；更多外 设将坚持活动状况，例如模数转化器（ADC）等，然后整 体体系功耗将会上升。可选的另一种选项是运用内建智能的 环境光传感器，如图4所示。
把信号调理内建到传感器中供给了一些明显优势。被 发送到MCU的数据将是可被运用快速且简单解说的相关数 据，这意味着MCU可以尽或许长的坚持休眠状况。有预调 节过的数据发送到数字接口，例如SPI或许I2C，也意味着 MCU可以比运用本身ADC更有用的搜集数据。尽管这个示 例中指定了环境光感测，可是许多其他传感器有相似的完成 方法，包含内建的智能且能供给数据给主机MCU，这些能 够即时的完成下降全体体系功耗的方针。
超低功耗型设备运用中最终的规划考虑是简化体系本 身供电。依赖于运用中运用的电池类型，假如需求比电池 所供给更多的电压或电流，一般需求升压转化器或许升压开 关调理器。例如，假如你正在运用1.5V单节扣子电池，可是 需求为MCU发生3.3V供电，那么当考虑全体设备电源办理 时，你需求考虑支撑这个功用。因而在这里的稳重挑选或许
再次对体系的全体功耗发生重要影响。大多数可用的升压转化器耗费大约5-7µA电流， 可是如
果设备大多数时刻处于休眠形式，那 么这将是一项沉重的担负。现在现已 有具有1µA功耗乃至低至150nA的升压 转化器（一起坚持高升压功率）供选
择。对 于 更 复 杂 的 系 统 ， 考 虑 采 用 电源办理%&&&&&%（PMIC）更准确 的操控整个体系是值得的。从单一电 源，你可以发生多个电压以驱动嵌入 式体系中的不同组成部分，调谐每一电压可以供给刚好的应 用所需，而没有任何动力糟蹋。例如，你可以独自的为体系 中的无线部分供给电源，这意味着无线部分可以在不运用时 彻底的封闭（假如协议支撑这种才能）。或许，假如你有支 持I/O和内核别离供电的MCU，你可以经过运用PMIC再次 取得最佳MCU能耗，而且也可以为运用中运用的传感器提
供独自的电源。
高品质的PMIC也将为一般体系操控供给额定的功用， 例如看门狗定时器和复位才能。PMIC不适宜一切的运用， 部分原因是因为额定的本钱，可是在可接受额定本钱的运用 中，PM%&&&&&%方法代表了超省电型运用中全体体系能耗办理的 极佳途径。
总归，在开发电池供电的超省电型运用中，有多种不 同的体系规划方面触及其间。不只是是半导体器材挑选和软 件全体规划，包含无线协议栈、加密和数据处理，都是重要 的考虑要素。每一种规划元素都可以明显的影响体系的整体 功耗预算，协助你构建具有最大化电池有用运用寿数的超省 电型设备，这正是杰出的IoT体系规划的要害所在。
