开发者在物联网元器件选型上的5点“军规”

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不知不觉,我们已经处于物联网的汪洋大海之中,大家公认的说法是,到2020年全球物联网设备接入总数将达到300-500亿。面对这海量的设备,维护变成一个繁重的任务,这就要求互联网设备可靠“皮实”的同时,功耗足够低,一块电池(或者使用能量收集技术)能撑足够久。因此“低功耗”三个字在物联网用户端设备的设计中,一直被摆在很高优先级的位置上。这也让开发者在元器件的选型上小心谨慎,铭记下面这些不得不守的“军规”。

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图1,物联网用户端设备系统框图

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第一条:用一颗低功耗的MCU

从物联网设备的系统框图上来看,MCU处于核心的地位;而从功耗的角度来看,它也是耗电最大的“电老虎”。8-bit MCU功耗固然低,但毕竟性能有限,所以在物联网设备中32-bit MCU上位成了主角。目前在32-bit通用MCU领域,ARM Cortex-M系列架构的CPU内核占主流,从M0、M0+、M3、M4到M7,序号越大性能越高,功耗也越大。所以根据物联设备的应用场景,选择一颗功耗性能比“刚刚好”的CPU内核是首要准则。


不过决定MCU整体功耗的因素很多,除了CPU内核自身的功耗,至少还要考虑三个因素:是否有多样的电源管理模式设定,可以让CPU内核和无需工作的电路处于休眠状态;是否有灵活的时钟管理系统,按需对各个功能电路进行调度;是否有更智能而低功耗的外围电路,能够帮助CPU内核分担工作。其实这些因素核心的思路就是:无事休眠、按需激活、避免空耗。


要想全面了解MCU低功耗性能、做出正确判断,除了吃透器件的Datasheet、经验设计积累外,目前也有第三方的评测可供参考,比如EEMBC联盟为衡量嵌入式微控制器低功耗特性专门设计的ULPBench评分。虽然有人认为这一评分的结果值得商榷,但仍然不失为一把衡量MCU整体低功耗特性可参考的标尺。

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表1,ULPBench中业界主流MCU产品得分

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第二条:考虑集成化的传感器

在传感器的选型上,开发者通常有两种选择:分立的传感器或集成化的传感器。单独来看,前者在成本和功耗上都更有优势,不过从系统整体功耗上看,集成传感器件不失为一种不错的选择。因为在集成传感器件中,通常会将信号调理电路(如ADC)整合进去,将预处理后的信号通过SPI或I2C等数据接口直接传给MCU,减少MCU数据处理的负荷。有些传感器件还会集成信号处理电路,如一个低功耗的CPU核,构成功能更完整的传感器中枢,简单的计算自己做,进一步减少对主MCU的“打扰”。这些策略都会对系统总体能耗的降低有帮助。

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第三条:选择合适的无线互连协议

影响物联网产品功耗的另一个重要因素就是无线互连功能。目前市场上有太多的无线互连协议可供选择,从私有的Sub-GHz协议,到众所周知的Wi-Fi、BLE、ZigBee等开放标准,以及近年来快速发展的低功耗广域网LPWAN协议(如LoRa、Sigfox、NB-IoT等)。无线通信的功耗会与网络的规模、拓扑结构、可靠性、数据吞吐量等因素相关。通常来说,拓扑结构越复杂、数据吞吐量越大的网络,功耗也会更大,比如:星形WiFi网络要比点对点通信的Sub-GHz无线通信功耗要高很多;同样采用ZigBee协议,星形网络肯定比Mesh网络能耗更低。

因此物联网设备无线互连协议的选择与应用场景关联度极高,开发者需要从现实的需求以及未来的扩展性方面通盘考虑,确定适合的无线技术,在此基础之上再选择低功耗性能最优的元器件。

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第四条:选用耗电少的电源管理器件

电源管理器件是物联网系统中必不可少的部分。不论是选用LDO线性稳压器还是DC-DC转化器,抑或是能够提供多轨电压输出的PMIC,高效率是当然的首选特性。此外,与物联网产品配套的电源管理器件,特别在与能量收集技术相关的应用中,自身还需要具备低静态电流的特性——如TI等公司相关产品标称的静态电流值可达到300nA左右——尽可能降低设备的待机功耗。

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第五条:做好安全性功耗预算

2016年10月网络黑客劫持了摄像头等大量物联网终端设备,向北美网络发起了大规模DDoS攻击,这再次提醒人们物联网设备端的安全问题不容忽视。而对物联网设备来说,增强安全功能也意味着更大的功耗,比如如果MCU的内部或外部没有配置加密硬件,加解密工作就不得不耗费MCU的计算资源,产生更多的功耗。使用更可靠的非对称加密算法,与对称加密算法相比也需要更多的功耗。因此安全性关联的功耗预算,也是必须考量的部分。

将以上几个因素串联起来,我们才可以为物联网设备端的功耗描绘出一幅完整的图景。在此基础之上,锱铢必较,精心雕琢出禁得住市场和用户考研的低功耗产品。

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表2,主要无线互连协议比较

 

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