自從 Kevin Ashton 創(chuàng)造出“物聯(lián)網(wǎng)”這個(gè)詞的那一天起，物聯(lián)網(wǎng)就迅速擴(kuò)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(chē)、智能農(nóng)業(yè)和智能基礎(chǔ)設(shè)施——只要你給應(yīng)用命名，物聯(lián)網(wǎng)傳感器就可以發(fā)揮作用。 應(yīng)用程序是無(wú)限的。 物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為萬(wàn)物互聯(lián)。

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Statista 在最近的一份報(bào)告中估計(jì)，到 2030 年，全球聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的數(shù)量將達(dá)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(jìn)行存儲(chǔ)或進(jìn)一步處理。 更進(jìn)一步，人們對(duì)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(duì)應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)處理不斷增長(zhǎng)的需求給設(shè)備設(shè)計(jì)人員帶來(lái)了一個(gè)挑戰(zhàn)：如何從電池中獲得更多。 延長(zhǎng)或消除更換電池的需要可降低維護(hù)成本，并使物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。 最重要的是，在整個(gè)設(shè)備設(shè)計(jì)周期中，對(duì)低功耗的追求無(wú)處不在。 電池供電的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備需要遠(yuǎn)程工作，完全依靠小電池。

設(shè)計(jì)工程師將找到通過(guò)平衡主動(dòng)功能和深度睡眠模式來(lái)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(dòng)狀態(tài)以進(jìn)行持續(xù)監(jiān)控。電路的活動(dòng)部分必須始終處于開(kāi)啟狀態(tài)，即使其他功能處于深度睡眠模式時(shí)也是如此。該活動(dòng)限制了電池壽命。電路設(shè)計(jì)需要補(bǔ)償這一限制，以滿足應(yīng)用的電池壽命要求。設(shè)計(jì)人員還面臨需要連續(xù)無(wú)線連接的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的挑戰(zhàn)，這與延長(zhǎng)電池壽命的要求相沖突。無(wú)線通信通常是有源設(shè)備中最大的功率消耗者。

幸運(yùn)的是，有許多技術(shù)可以提高電子電路的能效，同時(shí)延長(zhǎng)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(yáng)能轉(zhuǎn)換、風(fēng)能轉(zhuǎn)換、射頻 (RF) 信號(hào)和振動(dòng)激發(fā)。

射頻能量收集捕獲環(huán)境電磁能，并通過(guò)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?chē)漕l能量源于多種高頻技術(shù)，包括 Wi-Fi 信號(hào)、微波爐和無(wú)線電廣播。振動(dòng)激發(fā)能量來(lái)自地板、機(jī)械或汽車(chē)底盤(pán)的細(xì)微振動(dòng)。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(kāi)發(fā)了能量收集芯片，無(wú)需為低功耗物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備更換電池。

無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)

無(wú)線連接標(biāo)準(zhǔn)(蜂窩和非蜂窩)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出功能和優(yōu)化技術(shù)，以幫助最大限度地延長(zhǎng) IoT 設(shè)備的電池壽命。 LTE-M 和 802.11 無(wú)線局域網(wǎng)等無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)具有省電模式和擴(kuò)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(shí)間處于睡眠或打瞌睡狀態(tài)，喚醒僅用于傳輸和監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，然后再返回睡眠狀態(tài)，同時(shí)保持與網(wǎng)絡(luò)的注冊(cè)狀態(tài)。設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)根據(jù)應(yīng)用程序的要求協(xié)商和優(yōu)化時(shí)序。由于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在省電模式下處于非活動(dòng)狀態(tài)，因此功耗較低，有助于延長(zhǎng)電池壽命。

擴(kuò)展的不連續(xù)接收可以作為擴(kuò)展的 LTE 功能并入物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，獨(dú)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(zhǎng)了 IoT 設(shè)備不偵聽(tīng)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間間隔。雖然它不提供與省電模式相同級(jí)別的功率降低，但延長(zhǎng)的不連續(xù)接收可能是設(shè)備可達(dá)性和功耗之間的一個(gè)很好的折衷方案。

設(shè)備設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)工程師努力使電子電路更加節(jié)能。某些硬件設(shè)計(jì)、軟件或固件更改會(huì)導(dǎo)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(jì)人員經(jīng)常通過(guò)捕獲和分解硬件子系統(tǒng)的功耗來(lái)分析物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在不同場(chǎng)景中的功耗情況。從那里，他們可以確定必要的設(shè)計(jì)更改以優(yōu)化電池壽命。他們必須重復(fù)這些步驟來(lái)分析和驗(yàn)證每個(gè)設(shè)計(jì)更改的影響。

此過(guò)程稱(chēng)為基于事件的功耗分析。設(shè)計(jì)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(jì)的過(guò)程可能既困難又耗時(shí)。設(shè)計(jì)人員需要模擬環(huán)境、捕獲和比較電流消耗數(shù)據(jù)并進(jìn)行設(shè)計(jì)更改。他們可能還需要再次重復(fù)這個(gè)過(guò)程。以用于農(nóng)業(yè)應(yīng)用的 LoRa 智能傳感器為例。為了改進(jìn)電池壽命估算，設(shè)計(jì)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(shí)的動(dòng)態(tài)電流消耗，并模擬全天的溫度曲線。通過(guò)數(shù)據(jù)日志，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)充電消耗曲線計(jì)算電池壽命，并決定需要改進(jìn)的電路、軟件或固件部分。

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

大多數(shù)人都可能與手機(jī)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(wú)論是智能手表、醫(yī)療設(shè)備還是農(nóng)業(yè)應(yīng)用的智能傳感器。 電池運(yùn)行時(shí)間是影響最終用戶購(gòu)買(mǎi)決定的最重要標(biāo)準(zhǔn)之一。 它可以給你的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備帶來(lái)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，也可以破壞你的品牌聲譽(yù)。幸運(yùn)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(jì)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。