如何優化物聯網邊緣裝置的能源使用

　　當設計電池供電的物聯網(IOT)裝置時，首要目標是延長再充電之間的時間，或者在標準電池的情況下延長電池的壽命。有許多傳統的方法，但這些缺乏必要的系統級的角度，需要充分優化設計。

　　為了最大限度地利用可用的電池功率，需要將IOT裝置作為整個系統進行優化，而不是作為不相關元件的集合。本文將研究最新的技術和技術可用於優化物聯網設計的能源消耗，以及如何最好地應用它們。

　　傳統的能量測量方法

　　通用嵌入式系統開發人員對優化其電池壽命系統並不陌生。在過去的好日子裡，開發人員經常使用萬用表(如B& K精密BK27 06)來測量其嵌入式系統的當前消耗量。這些都是巨大的多米，當然可以用來測量平均電流，但不會給開發者一個解析度，他們需要看到快速尖峰或測量電流消耗到微安範圍沒有付出很大的努力。為了看到這些快速的過渡，開發人員需要快速的東西，他們可以很容易地觸發。

　　一個示波器，與一個分流電阻大小的電流範圍，可以用來檢視這些快速電流轉換。開發人員可以使用BK2190，也可以從B& K精度使用。這是一個巨大的低成本100 MHz示波器。開發人員當然可以觸發範圍來檢視尖峰和過渡，但是在這個特定的應用中使用示波器仍然存在一些挑戰。

　　首先，大多數低成本示波器不能讓開發人員輕易地獲得蹤跡。第二，跟蹤在其記錄長度上受到限制。第三，示波器資料不能與在嵌入式系統上發生的事件同步。考慮到這三個問題，開發人員可能會在專案時間表內努力優化他們的物聯網裝置。因此，一種新的和更現代的方法是必要的，以有效地優化物聯網裝置的能耗。

　　利用智慧電源優化能耗

　　一種新的、更現代的IOT裝置可以被優化的方式是使用智慧電源，該智慧電源不僅向裝置提供能量，而且還具有測量提供給該裝置的電壓和電流的能力。智慧電源可以看作是電源和資料採集系統之間的混合。

　　一個這樣的電源是QoiTek AB的奧地利電弧。這是一種行動式電源，它也起到電流和電壓測量單元的作用。它被用來為IOT裝置供電，其能量分佈需要優化。它通過USB將採集到的資料傳輸到PC機。OTII弧也可以通過USB供電。

　　QoiTeAB AI的影像學

　　圖1：來自QoiTeAB的OTII電弧是一種行動式電源，也起到電流和電壓測量單元的作用。

　　OTII弧可以通過其OTII軟體包配置，以提供0.5至5伏的任何地方。當使用USB埠為OTII電弧供電時，可以輸出250毫安(MA)的最大輸出。對於大多數物聯網裝置來說，這將是遠遠不夠的，但是對於更耗電的系統的開發人員來說，可以使用外部7.5伏到9伏的電源來實現高達2.5安培(A)的電流，最大電流為5 A。在當前解析度為1微安(μA)的情況下，最多可達到4 kSt/s，這對於大多數物聯網裝置來說是足夠的。

　　使用奧地利弧

　　IOT測試裝置(DUT)可以以幾種方式連線到OTII弧。在第一種方法中，就像大多數電源一樣，有兩個香蕉插座用於向裝置供電。這允許開發者使用PMONA電子公司的一個紅色香蕉電纜，用紅色的Pomona夾來提供電壓軌。一個黑色的Pomona香蕉電纜與黑色波莫納夾鉗是用來提供地面鐵路。對於任何嵌入式系統工程師的工作臺來說，這是一個標準的設定。

　　第二種方法使用OTII圓弧的14PIN膨脹頭，其長度為0.100英寸。該擴充套件埠具有有用的連線，例如用於測量電流、GPIO引腳、甚至序列傳送和接收PIN訊號的第二模數轉換器(ADC)通道。

　　標準弧形香蕉插孔影象

　　圖2：使用幾乎每一個電源上的標準香蕉插孔連線到OTII電弧。開發人員可以使用12“紅色波莫納電子香蕉電纜和紅色Pomona夾鉗將正電壓軌連線到他們的IOT測試裝置。

　　QoiTeTi-Toi-Ii弧帶有OTII軟體的標準許可證，OTII軟體是一種視覺化工具，它與OTII電弧介面以執行電流和電壓測量並控制電源的行為。視覺化是用來分析能源消耗，並確定在哪裡和如何優化系統。

　　OTII軟體通過USB連線到電源，並可用於啟用和禁用電源電壓或記錄跟蹤。當跟蹤時，開發人員可以看到活跟蹤，它提供易於導航的條形圖型別檢視。開發人員可以突出其蹤跡中的區域，並提供諸如最小值、最大值和平均電流等重要資訊(圖3)。

　　基於OTII ARTIC的OTII軟體跟蹤影象

　　圖3：當使用OTIAARC的OTII軟體跟蹤時，開發人員可以看到帶狀圖表檢視中顯示的活跟蹤，這是易於導航的。(影象來源：凱利訊半導體電子)

　　正如前面所討論的，開發人員能夠在跟蹤中的各個點了解系統狀態，從而獲得一個可以分析的單個、連貫的資訊源是非常關鍵的。重要的是，智慧電源還能夠接收來自嵌入式系統的日誌輸入，這些輸入可用於同步狀態。

　　QoiTeTi-Toi-A弧的有趣之處在於，擴充套件聯結器能夠以可配置的波特率讀取序列UART，並記錄跟蹤中的日誌資訊。建立一個傳送執行日誌的系統包括從嵌入式目標接收UART上的字串日誌。為此，將IOT裝置上的UART TX引腳連線到OTII弧上的RX引腳(圖4)。將數字地面連線到物聯網裝置以確保訊號共享相同的地面參考是一個很好的做法。

　　將IUT裝置上的UART TX引腳連線到OTII弧上的RX引腳的影象

　　圖4：從嵌入式目標接收UART上的字串日誌，將IOT裝置上的UART TX引腳連線到OTII弧上的RX PIN。(圖片來源：凱利訊半導體)

　　為了演示如何在OTII軟體中記錄資料，顯示了一個LED在UART上切換並提供日誌狀態以幫助開發人員(圖5)。

　　可以設定OITI ARC影象來接收UART日誌訊息

　　圖5：OTII ARC可以設定為接收UART日誌訊息，可以幫助開發人員瞭解嵌入式系統處於什麼狀態。在這個例子中，LED正在切換並通過UART提供日誌狀態以幫助開發人員。

　　優化子系統能源使用

　　有幾種方法使用智慧電源來優化裝置的能耗，但它們確實需要一些預先考慮。例如，開發人員應該在其PC板上包括多個分流電阻器，以便它們可以連線和探測不同電路的能量消耗。如果不這樣做，只會給開發人員提供整個系統的電流，這可以使優化更多的是猜測遊戲而不是工程活動。

　　開發人員可以使用擴充套件ADC來監視外部分流電阻器。這個電阻器可以監視Wi-Fi模組、儲存器晶片或微控制器本身。這一特性允許開發人員在監測整個系統能耗如何受到影響的同時調整單個電路。開發人員需要做的是在OTII軟體的專案設定中設定分流電阻值，並且正確的電流將記錄在跟蹤中(圖6)。

　　建立系統電壓和電流記錄的奧迪電弧圖

　　圖6：OTII電弧可以被設定成記錄系統電壓和電流，以及子系統的第二電流分流器。這允許開發人員調諧特定電路，同時監視整個系統能量消耗如何受到影響。(圖片來源：凱利訊半導體)

　　在許多電池供電的物聯網系統中，最大的能源消耗之一無疑是微控制器。智慧電源可用於監控微控制器，但在許多情況下，開發者希望能夠將其當前測量與微控制器中的程式計數器同步。這允許當前消耗與正在執行的程式碼行同步。

　　為了做到這一點，開發人員可以使用智慧電源與先進的偵錯程式，如ARM的Keil ULULPLUS相結合，它具有測量微控制器電流的能力，並與程式計數器同步該測量。然後，當開發人員把所有這些測量一起，他們將能夠精細地調整他們的能源消耗，並最大限度地提高他們的物聯網設計的電池壽命。

　　ARM Keil ULUKPLUS圖

　　圖7：ARM KEIL ULUKPLUS可以被設定為記錄微控制器的電流使用，並將該測量與在微控制器上執行的程式碼行同步。這有助於提供物聯網裝置能源使用的全面圖景。(影象來源：凱利訊半導體電子)

　　優化物聯網系統能耗的技巧與技巧

　　有幾個技巧和竅門，開發人員可以遵循，以方便地優化他們的嵌入式系統的能源消耗。這些包括：

　　對於設計中的每一個主要硬體塊，增加一個並聯電阻器，用於在開發和測試過程中監測該電路的能量消耗。

　　閱讀“選擇和應用正確的低功耗微控制器的IOT”的提示如何衡量和優化微控制器的能源消耗。

　　儘可能多地將主要系統元件放入睡眠模式或低功耗狀態。

　　在整個開發週期中測量能耗，而不是僅僅在接近終點。

　　使用能覆蓋應用動態範圍的能量分析器。

　　儘可能多地自動化測量過程。

　　在硬體中，尋找低效和洩漏的元件，例如LDO，並用更高效的元件替換它們。

　　結論

　　優化任何物聯網裝置的能源消耗不是一個微不足道的努力，它是特別重要的電池供電裝置。如圖所示，有幾種傳統的測量能量消耗的方法。有合適的工具進行適當的測量，可以更容易地識別能源豬和設計物聯網解決方案，最大限度地利用可用的電池功率。