如何使物聯(lián)網(wǎng)邊緣設(shè)備高效節(jié)能？

電源效率對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)的成功至關(guān)重要。設(shè)備的效率越高，其功能壽命就越長(zhǎng)，用戶體驗(yàn)就越好。您是否在組織中實(shí)施了物聯(lián)網(wǎng)解決方案，以提高物聯(lián)網(wǎng)邊緣設(shè)備的能源效率？本文重點(diǎn)介紹了您應(yīng)該考慮的15個(gè)關(guān)鍵因素。

要點(diǎn)

●   物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備依靠睡眠模式和低功耗管理來(lái)節(jié)省能源，延長(zhǎng)電池壽命。

●   電池供電的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備必須節(jié)能。您必須采用低功耗組件和優(yōu)化通信協(xié)議等方法來(lái)節(jié)省電力。

●   在邊緣處理本地?cái)?shù)據(jù)可以有效降低功耗。

●   定期更新軟件對(duì)于提高物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備電源效率，解決電源相關(guān)問(wèn)題至關(guān)重要。

背景

物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)龐大的網(wǎng)絡(luò)，它由聯(lián)網(wǎng)的實(shí)體設(shè)備組成，通過(guò)無(wú)線和蜂窩連接進(jìn)行無(wú)縫通信。該網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用了許多嵌入式傳感器、軟件和其他技術(shù)，有助于通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)連接其他系統(tǒng)和設(shè)備，并交換數(shù)據(jù)。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的爆發(fā)性增長(zhǎng)和節(jié)能方法的采用，推動(dòng)了行業(yè)向邊緣數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)變。

運(yùn)行基礎(chǔ)知識(shí)

下圖所示為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的典型電流曲線模式。這些設(shè)備通常處于閑置狀態(tài)，從而節(jié)省能源，延長(zhǎng)電池壽命?，F(xiàn)代MCU具有多種不同功能的低功耗模式，以降低功耗。喚醒方法可根據(jù)睡眠模式深度，在外部事件發(fā)生時(shí)恢復(fù)功能。

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的典型省電模式

低功耗管理的發(fā)展可實(shí)現(xiàn)對(duì)功耗進(jìn)行精細(xì)控制。超低功耗睡眠模式（如待機(jī)、低耗電、睡眠和深度睡眠）消耗的電流極?。◤奈驳郊{安不等）。由于物聯(lián)網(wǎng)處理器采用了CMOS技術(shù)，功耗會(huì)隨時(shí)鐘頻率的提高而線性增加。

功耗最低的待機(jī)模式消耗的電流約為功耗最高模式的三分之一，但可以將處理器保持在最低限度使用的狀態(tài)。某些物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用可能需要最低功耗的睡眠模式，同時(shí)保留緩存，以最大程度地減少活動(dòng)模式處理所需的周期數(shù)。為了最大限度地延長(zhǎng)電池壽命，大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)都會(huì)事先預(yù)處理和收集數(shù)據(jù)。只有當(dāng)有足夠的有用數(shù)據(jù)需要傳輸時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)才會(huì)打開(kāi)通信電路。您可以使用物聯(lián)網(wǎng)電池壽命工具，來(lái)確定您在合并數(shù)據(jù)以降低發(fā)送頻率時(shí)會(huì)發(fā)生什么情況。

竅門和技巧

電源效率至關(guān)重要，因?yàn)?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/物聯(lián)網(wǎng)邊緣設(shè)備">物聯(lián)網(wǎng)邊緣設(shè)備運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)且通過(guò)電池供電。我們將總結(jié)為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備供電時(shí)的各種竅門和技巧。

1.對(duì)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備采用睡眠模式：巧妙利用睡眠模式來(lái)降低非活動(dòng)時(shí)間的功耗。當(dāng)設(shè)備不主動(dòng)處理數(shù)據(jù)或執(zhí)行操作時(shí)，將其設(shè)置為低功耗睡眠模式，以延長(zhǎng)電池壽命。

2.能量收集技術(shù)：考慮使用太陽(yáng)能、動(dòng)能或熱能等能量收集方法來(lái)為設(shè)備電池充電或補(bǔ)電。這確保了在不使用傳統(tǒng)電池的情況下持續(xù)運(yùn)行。

3.避免過(guò)多的推送通知：限制發(fā)送到物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的推送警報(bào)的頻率和內(nèi)容。 僅在必要時(shí)才允許此類通知。這些警報(bào)可能會(huì)“喚醒”設(shè)備，并在不必要的情況下耗盡電池電量。

4.物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備傳輸信息的時(shí)間和方式：批量或按預(yù)定時(shí)間間隔發(fā)送信息，而不是連續(xù)發(fā)送，從而優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸。這樣可以減少反復(fù)連接和斷開(kāi)的問(wèn)題，并節(jié)省電量。

5.功能如何影響電池壽命：進(jìn)行全面的電源分析，以了解物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備如何使用電源來(lái)運(yùn)行其功能和組件。確定高耗能的組件，并優(yōu)先考慮節(jié)能替代方案或優(yōu)化方案。

6.選擇最合適的無(wú)線協(xié)議：根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)用例和功率限制選擇合適的無(wú)線通信協(xié)議。各種無(wú)線通信技術(shù)，包括 Wi-Fi^?、低功耗Bluetooth^?、Thread和Zigbee^?，以及新興的 MATTER 協(xié)議，可在家庭和樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)設(shè)備到設(shè)備、設(shè)備到云和設(shè)備到移動(dòng)設(shè)備的通信。

7.使用低功耗傳感器：選擇功耗最低的傳感器，并使用自適應(yīng)采樣技術(shù)，根據(jù)環(huán)境變化來(lái)更改傳感器的數(shù)值，以減少不必要的傳感器數(shù)據(jù)讀取，同時(shí)節(jié)省能源。

8.管理固件和軟件更新：確保高能效地進(jìn)行固件和軟件更新，并盡可能專注于改善功耗。定期更新設(shè)備，進(jìn)行節(jié)能升級(jí)和錯(cuò)誤修復(fù)。

9.低功耗組件：使用低功耗微控制器、傳感器和通信模塊。有條件最好使用最新的節(jié)能技術(shù)和解決方案?？紤]使用待機(jī)較少且需要最小運(yùn)行功率的組件。

10.睡眠模式和喚醒：有效利用睡眠模式，在不活動(dòng)期間節(jié)省電量。僅當(dāng)外部事件或計(jì)時(shí)器需要時(shí)才允許喚醒設(shè)備。減少處于活動(dòng)模式的時(shí)間。

11.高效通信協(xié)議：根據(jù)具體用例和網(wǎng)絡(luò)要求，使用 MQTT-SN、CoAP 或 LoRaWAN 等節(jié)能通信協(xié)議。

12.負(fù)載循環(huán)：采用負(fù)載循環(huán)技術(shù)，定期喚醒設(shè)備以執(zhí)行任務(wù)，然后重新進(jìn)入睡眠狀態(tài)。這降低了總體功耗，尤其對(duì)于需要處理突發(fā)數(shù)據(jù)的設(shè)備而言。

13.本地?cái)?shù)據(jù)處理：數(shù)據(jù)預(yù)處理和過(guò)濾必須在邊緣完成，以減少傳輸?shù)皆贫说臄?shù)據(jù)量。這將顯著降低通信過(guò)程中的功耗。

14.電源管理集成電路：僅使用專用電源管理集成電路，這些集成電路旨在通過(guò)調(diào)節(jié)各種組件的電源供應(yīng)來(lái)最大限度地提高能源效率。

15.優(yōu)化顯示屏使用：使用低功耗顯示屏技術(shù)。如果設(shè)備有顯示屏，請(qǐng)使用低功耗顯示屏技術(shù)，并在不使用時(shí)關(guān)閉顯示屏。

必須定期優(yōu)化和更新設(shè)備的固件，以修復(fù)問(wèn)題并提高電源效率。根據(jù)組件的性能要求，使用動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)技術(shù)來(lái)改變組件的工作電壓。這樣做有助于在各種工作負(fù)載情況下優(yōu)化電源使用情況。減少數(shù)據(jù)量，降低傳輸頻率。為了最大限度地減少通信期間的電力消耗，使用數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)并僅發(fā)送必要信息。將某些功能外包給云或邊緣服務(wù)器，減少設(shè)備的數(shù)據(jù)處理工作量。這有助于降低設(shè)備的處理需求，從而降低功耗。

（注：本文登于《EEPW》2024年10期）