在設計電池供電的物聯網（IoT）設備時，主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使用壽命。有許多傳統的方法，但缺乏完全優化設計所需的系統級視角。

為了最大限度地利用可用電池電量，物聯網設備需要作為整個系統進行優化，而不是作為不相關組件的集合。本文將探討可用于優化物聯網設計能耗的最新技術和技術，以及如何最好地應用它們。

傳統的能量測量方法

一般的嵌入式系統開發人員對優化系統的電池壽命并不陌生。在過去的美好時光中，開發人員通常會使用萬用表（例如B＆K Precision?BK2706）來測量嵌入式系統的電流消耗。這些都是很好的萬用表，當然可以用來測量平均電流，但不會給開發人員提供他們需要的分辨率，以查看快速峰值，或者在沒有相當大的努力的情況下測量微安范圍內的電流消耗。為了看到這些快速轉換，開發人員需要快速的事情，他們可以很容易地觸發。

一個示波器，加上一個大小適合電流范圍的分流電阻，可以用來查看這些快速電流轉換。開發人員可能會使用B＆K Precision公司的BK2190。這是一款極好的低成本100 MHz示波器。開發人員當然可以觸發示波器查看尖峰和轉換，但在這個特定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允許開發人員輕松訪問跟蹤。其次，軌跡在其記錄長度上受到限制。第三，示波器數據不能與嵌入式系統上發生的事件同步。考慮到所有這三個問題，開發人員可能會在項目時間表內盡力優化他們的物聯網設備。因此，有效優化物聯網設備的能源消耗需要一種新的更現代的方法。

使用智能電源優化能耗

物聯網設備可以被優化的一種新的更現代化的方式是使用智能電源，該智能電源不僅向設備提供能量，而且還能夠測量提供給該設備的電壓和電流。智能電源可以看作是電源和數據采集系統的混合體。

Qoitech AB的?Otii Arc就是其中一種電源。這是一款便攜式電源，可用作電流和電壓測量單元。它用于為能源配置需要優化的物聯網設備供電。它通過USB將收集的數據傳輸到PC。Otii Arc也可以通過USB供電。

圖1：Qoitech AB公司的Otii Arc是一款便攜式電源，可用作電流和電壓測量單元。（圖片來源：Qoitech AB）

Otii Arc可通過其otii軟件包進行配置，提供0.5至5.0伏的電壓。使用USB端口為Otii Arc供電時，最大輸出功率可達250毫安（mA）。對于大多數物聯網設備來說，這將是綽綽有余的，但對于開發功耗更大的系統的開發人員，可以使用外部7.5伏特到9.0伏特的電源來實現高達2.5安培（A）的電流，并且具有最大峰值電流為5.0 A.Otii Arc?還可以以低至1微安（μA）的電流分辨率以高達4 Ksamples / s的速率進行采樣，這對大多數物聯網設備來說已經足夠了。

使用Otii Arc

待測物聯網設備（DUT）可以通過多種方式連接到Otii Arc。在第一種方法中，就像大多數電源一樣，有兩個香蕉插頭用于為設備供電。這使得開發人員可以使用來自Pomona Electronics的12“紅色香蕉電纜，用紅色Pomona夾具提供電壓軌。使用12“黑色波莫納香蕉電纜和黑色波莫納氣爪來供應地面導軌。這是任何嵌入式系統工程師的工作臺的標準設置。

第二種方法使用Otii Arc的14引腳擴展接頭，引腳間距為0.100“。該擴展端口具有有用的連接，如用于測量電流的第二個模數轉換器（ADC）通道，GPIO引腳以及串行發送和接收引腳信號。

圖2：使用幾乎每個電源上的標準香蕉插孔連接到Otii Arc。開發人員可以使用12“紅色Pomona Electronics香蕉電纜和紅色Pomona夾具將正電壓軌連接到被測物聯網設備。（圖片來源：Pomona Electronics）

Qoitech Otii Arc配備了otii軟件的標準許可證，該軟件是一個可視化工具，與Otii Arc進行連接，以執行電流和電壓測量并控制電源的行為。可視化用于分析能耗并確定系統的優化位置和方式。

otii軟件通過USB連接電源，可用于啟用和禁用電源電壓或記錄跟蹤。跟蹤時，開發人員可以看到提供易于導航的帶狀圖類型視圖的實時跟蹤。開發人員可以在其蹤跡中突出顯示區域，并提供重要信息，如最小值，最大值和平均電流（圖3）。

圖3：使用Otii Arc的otii軟件進行跟蹤時，開發人員可以查看實時跟蹤，該跟蹤以條形圖視圖顯示，很容易導航。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

正如前面所討論的，開發人員能夠了解跟蹤中各個點的系統狀態，這樣他們就可以獲得他們可以分析的單一，連貫的信息源，這通常是至關重要的。智能電源也能夠接收來自嵌入式系統的日志輸入，這些輸入可用于同步狀態，這一點很重要。

Qoitech Otii Arc的有趣之處在于，擴展連接器能夠以可配置的波特率讀取串行UART，并在軌跡中記錄日志信息。建立一個傳輸執行日志的系統需要從嵌入式目標接收一個通過UART的字符串日志。為此，將IoT設備上的UART Tx引腳連接到Otii Arc上的Rx引腳（圖4）。將數字地連接到物聯網設備以確保信號共享相同的地參考是一個很好的做法。

圖4：要從嵌入式目標接收通過UART的字符串日志，請將IoT設備上的UART Tx引腳連接到Otii Arc?上的Rx引腳。（圖片來源：Qoitech AB）

為了演示如何在otii軟件中記錄數據，將顯示一個LED切換并通過UART提供日志狀態以幫助開發人員（圖5）。

圖5：Otii Arc可以設置為接收UART日志消息，以幫助開發人員了解嵌入式系統所處的狀態。在本例中，LED通過UART進行切換并提供日志狀態以幫助開發人員。（圖片來源：Qoitech AB）

優化子系統能源使用

有幾種方法可以使用智能電源來優化設備的能耗，但它們確實需要一些預先考慮。例如，開發商應在其印刷電路板上包含多個分流電阻，以便它們可以連接并探測不同電路的能耗。如果不這樣做，只會為開發人員提供整個系統的當前狀態，這可以使得優化成為猜測游戲而不是工程活動。

開發人員可以使用擴展ADC來監視外部分流電阻。這個電阻器可以監測Wi-Fi模塊，存儲器芯片或微控制器本身。此功能允許開發人員在監控整個系統能耗受到影響的同時調整單個電路。開發人員需要做的就是在otii軟件的項目設置中設置分流電阻值，并將正確的電流記錄在軌跡中（圖6）。

圖6：Otii Arc可以設置為記錄系統電壓和電流，以及子系統的第二個電流分流器。這允許開發人員調整特定電路，同時監視整個系統能耗如何受到影響。（圖片來源：Qoitech AB）

毫無疑問，許多電池供電的物聯網系統中最大的能源消費者之一就是微控制器。智能電源可用于監控微控制器，但在很多情況下，開發人員希望能夠將其當前測量值與微控制器中的程序計數器同步。這可以使電流消耗與正在執行的代碼行同步。

為此，開發人員可以將智能電源與先進的調試器（如Arm's?Keil ULINKplus）配合使用，該調試器可以測量微控制器電流并將該測量值與程序計數器同步。然后，當開發人員將所有這些測量結果一起使用時，他們將能夠精確調整其能耗并最大限度地延長其物聯網設計的電池壽命。

圖7：Arm Keil ULINKplus可以設置為記錄微控制器的當前使用情況，并將該測量結果與微控制器上執行的代碼行同步。這有助于全面了解物聯網設備的能源使用情況。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

優化物聯網系統能耗的技巧和訣竅

開發人員可以遵循幾個技巧和竅門，以便輕松優化嵌入式系統的能耗。這些包括：

• 對于設計中的每個主要硬件模塊，添加一個可用于在開發和測試期間監控電路能耗的分流電阻。
• 閱讀“?為物聯網選擇并應用合適的低功耗微控制器?”，了解如何測量和優化微控制器能耗的提示。
• 盡可能多地將主要系統組件置于睡眠模式或低功耗狀態。
• 在整個開發周期內測量能耗，而不是接近尾聲。
• 使用能夠覆蓋應用動態范圍的能量分析器。
• 盡可能多地自動化測量過程。
• 在硬件中，尋找LDO等效率低下且泄漏的組件，并將其替換為更高效的組件。

結論

優化任何物聯網設備的能耗并不是一件容易的事，對電池供電的設備尤其重要。如圖所示，有幾種傳統的能耗測量方法。使用適當的工具進行適當的測量可以更容易地識別能源消耗并設計物聯網解決方案，從而充分利用可用的電池電量。