物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的倡導(dǎo)者邀請我們想象一個未來，即使最小的設(shè)備是智能和連接的，旨在讓生活更輕松，更舒適，并有助于拯救地球的資源。

但是，很少有人想要想象一個未來，數(shù)百億個遠(yuǎn)程安裝的盒子需要定期更換電池。使用極低睡眠電流的超低功耗微控制器進(jìn)行極端電源管理可以使IoT在設(shè)備的整個使用壽命期間從小型電池運行。假設(shè)占空比較低，這可能需要幾年時間。另一種方法是在能量收集子系統(tǒng)中設(shè)計能夠為設(shè)備供電并為電容器或小電池充電以提供備用。

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的一個關(guān)鍵目標(biāo)是利用連接來收集智能或控制設(shè)備在使用其他技術(shù)難以或不經(jīng)濟的地方。這些連接的設(shè)備可以為最終用戶和服務(wù)提供商等其他利益相關(guān)者提供更多價值。它們可以使用本機IP傳輸技術(shù)（如以太網(wǎng)或Wi-Fi）進(jìn)行連接，也可以使用各種有線或無線連接（如RS-232，Bluetooth?，Bluetooth Smart）聚合到Internet網(wǎng)關(guān)中?；蛘咧T如ZigBee?之類的協(xié)議或在IEEE 802.15.4無線電上運行的其他專用低功耗協(xié)議。傳感器或致動器可以在遠(yuǎn)程位置單獨連接，或者可以作為網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的一部分與其他附近設(shè)備連接。

在許多情況下，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的便捷電源（如交流線路或網(wǎng)絡(luò)電源，如USB主機或以太網(wǎng)供電源）不可用。需要獨立的能源，例如主電池或能量收集子系統(tǒng)。為了節(jié)省現(xiàn)場服務(wù)訪問的高成本，需要在設(shè)備的預(yù)期使用壽命內(nèi)免維護(hù)運行。

如果要使用電池，設(shè)計人員必須確保總可用能量為至少等于設(shè)備在其整個壽命期間所需的總能量。當(dāng)選擇電池類型時，包括電池化學(xué)的因素影響包括峰值電流輸送的放電特性。當(dāng)電池放電時，當(dāng)電池電壓低于元件所需的最小工作電壓時，電路將無法工作。除非引入額外的電路，例如升壓轉(zhuǎn)換器，否則剩余的電池能量將變得不可訪問。鋰電池技術(shù)在這方面提供了良好的性能：鋰亞硫酰氯電池能夠保持約3.6 V的穩(wěn)定電壓，直到能量幾乎耗盡，在其壽命終點附近迅速下降至約2.2 V的完全放電電壓。還應(yīng)考慮電池規(guī)定的最大放電電流。如果電池是設(shè)備唯一的預(yù)期電源，則必須能夠提供負(fù)載所需的峰值電流?；蛘?，具有高放電能力的短期存儲裝置，例如超級電容器，可用于在需求高峰時幫助電池。

能量收集子系統(tǒng)應(yīng)能夠捕獲足夠的環(huán)境能量滿足設(shè)備的需求。因為諸如光或熱能之類的環(huán)境能量通常不能連續(xù)獲得，所以能量收集可以與能量存儲裝置結(jié)合使用，該能量存儲裝置在傳感器處于省電模式時至少能夠向微控制器提供備用電力。小型可充電電池，如精工MS412FE 4.8 mm x 1.2 mm鋰紐扣電池，其標(biāo)稱容量為1.0 Ah，最大連續(xù)放電電流為0.1 mA，可滿足此要求。圖1示出了MS電池的充電電路。充電電壓Vc應(yīng)不大于3.3 V.在這種情況下，應(yīng)插入一個2MΩ電阻來調(diào)節(jié)充電電流?；蛘?，可以使用存儲電容，但其自放電率比電池快。

圖1：可充電鋰電池的充電電路。

在選擇能量收集或電池電量時，還必須考慮成本和尺寸限制。鋰原電池有各種尺寸和容量可供選擇，包括標(biāo)準(zhǔn)按鈕和圓柱形外形。 Tadiran TL-5101是一款半AA尺寸3.6 V電池，采用軸向引線封裝，可直接焊接到電路板或電源引線上。這樣可以省去電池夾的成本，以及在最終組裝過程中手動插入電池所需的額外時間。

就能量收集而言，Microchip XLP 16位能量收集等套件開發(fā)套件可以幫助加速設(shè)計。該套件基于PIC24F微控制器和帶有板載可充電薄膜儲能裝置的太陽能收集模塊。提供的軟件包括充電監(jiān)控，主板采用標(biāo)準(zhǔn)PICtail擴展連接器，可簡化使用IEEE 802.15.4 2.4 GHz無線電模塊添加無線連接的過程。

物聯(lián)網(wǎng)時代的微控制器

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中細(xì)致的能源管理日益增長的重要性推動了超低功耗設(shè)計的發(fā)展，利用靈活的微控制器睡眠模式來減少只要這可以實現(xiàn)凈節(jié)能，電流消耗或停用未使用的電路。連接的傳感器必須周期性地捕獲感測數(shù)據(jù)，在本地執(zhí)行少量處理動作，并將結(jié)果無線傳輸?shù)?a target="_blank">接收器，其功率曲線的特征是睡眠模式下的長時間段，其中功耗最小，短時間需求較高當(dāng)設(shè)備被激活以接收，處理或傳輸數(shù)據(jù)時。應(yīng)用設(shè)計人員的技能在于盡可能長時間地確保低電平盡可能低，并且在最短的時間內(nèi)峰值盡可能低。

微控制器，如Microchip XLP（極低功率）器件，STMicroelectronics STM32L線路和德州儀器MSP430器件（如最新的MSP430FG6626）引入了靈活的架構(gòu)，使設(shè)計人員能夠比典型的傳統(tǒng)微控制器更好地控制未使用的外設(shè)和CPU內(nèi)核部分，同時繼續(xù)支持重要功能。與內(nèi)核無關(guān)的外設(shè)，例如能夠在沒有CPU干預(yù)的情況下直接接收數(shù)據(jù)包并將數(shù)據(jù)包傳輸?shù)酱鎯ζ鞯?a href="http://www.makelele.cn/tags/uart/" target="_blank">UART，有助于節(jié)省能源并節(jié)省代碼空間。

Microchip XLP器件，如16位PIC24FJ256GB410作為新型PIC24 GB4系列的一部分，它將支持超低功耗設(shè)計的功能與集成的硬件加密引擎相結(jié)合，能夠從主處理器卸載重要的物聯(lián)網(wǎng)安全任務(wù)。

微控制器SOS（關(guān)閉某物）

傳統(tǒng)微控制器通常只支持有限的電源管理模式，通?？勺屲浖O(shè)計人員選擇有源，空閑或休眠，超低功耗微控制器支持更多功能復(fù)雜的電源管理方案。多種節(jié)能功能涵蓋了器件的各個方面，例如時鐘子系統(tǒng)，穩(wěn)壓器和特殊的低功耗外設(shè)，如MSP430GF6266的集成運算放大器。

對STM32L0系列中的時鐘和穩(wěn)壓器進(jìn)行額外控制，使設(shè)計人員能夠靈活地動態(tài)優(yōu)化工作速度和電源電壓，以確保在任何適用的約束條件下以盡可能低的功耗執(zhí)行所有操作在執(zhí)行時間。時鐘控制器提供多個內(nèi)部源，由邏輯控制，設(shè)計人員可用它們選擇低速，中速或高速路徑，以允許外設(shè)以適當(dāng)?shù)乃俣冗\行，具體取決于PCU是處于活動狀態(tài)還是靜態(tài)。此外，外圍設(shè)備的多個門提供了一種方便和響應(yīng)的方式來停用各個外圍設(shè)備。當(dāng)引腳狀態(tài)保持有效時，可以暫停DAC或GPIO等器件。

此外，多種穩(wěn)壓器模式可選擇正常，低功耗或關(guān)閉，以允許多種運行和休眠狀態(tài)。因此，除了正常的運行和休眠模式外，還有低功耗運行和低功耗休眠模式。還有一個8μA停止模式，除低速時鐘外，所有時鐘都停止。在此模式下，RTC和RAM也可以關(guān)閉，將電流進(jìn)一步降低至4μA。器件可以在3.5μs內(nèi)退出停止模式，允許頻繁使用停止以最大限度地節(jié)省總體功耗?？梢躁P(guān)閉更多電路以節(jié)省能量：片上閃存可以在任何工作模式下關(guān)斷，低功耗定時器和UART可以在停止模式下關(guān)閉。此外，還有待機模式，RTC打開或關(guān)閉。待機將關(guān)閉內(nèi)核的電源，以及高速和中速時鐘，將電流降至0.27μA。圖2總結(jié)了微控制器的低功耗模式。

圖2：針對功耗敏感應(yīng)用（如自供電或電池供電的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點）而設(shè)計的微控制器提供多種電源管理模式。

核心電壓也可以動態(tài)調(diào)整，允許選擇低至1.2 V的電壓范圍，以便在對內(nèi)核的性能要求較低時最大限度地節(jié)省能源。電壓可在約3μs內(nèi)快速放大或縮小，從而可快速響應(yīng)性能需求的快速變化。

結(jié)論

未來幾年，數(shù)十億智能無線設(shè)備（如遙感器）將連接到互聯(lián)網(wǎng)。采用高效能量收集技術(shù)的無電池運行提供了極佳的環(huán)境保護(hù)。另外，物聯(lián)網(wǎng)端點可以設(shè)計為通過精心選擇電池和利用超低功耗微控制器的嵌入式設(shè)計，在預(yù)期使用期內(nèi)免維護(hù)。