Аннотация: Встраиваемые устройства играют важную роль в современной жизни, однако зачастую они ограничены временем автономной работы. В этой статье будут представлены некоторые стратегии проектирования с низким энергопотреблением, позволяющие продлить срок службы батареи встроенных устройств, а также приведены примеры кода, которые помогут разработчикам лучше понять, как реализовать эти стратегии.

введение

Встраиваемые устройства часто характеризуются портативностью и низким энергопотреблением, но ограничения по времени автономной работы часто являются проблемой. Чтобы продлить срок службы батареи встраиваемых устройств, разработчикам необходимо принять некоторые стратегии проектирования с низким энергопотреблением.

Что такое конструкция с низким энергопотреблением?

Проектирование с низким энергопотреблением — это подход к проектированию электронных систем или встроенных систем, целью которого является минимизация энергопотребления устройства или системы для продления срока службы батареи или снижения затрат на электроэнергию. Этот подход к проектированию обычно применяется к устройствам, которые должны работать независимо в течение длительного периода времени или питаться от батареи, например, мобильные устройства, датчики, встроенные системы и устройства IoT. Конструкции с низким энергопотреблением помогают снизить нагрев устройства, продлить срок службы батареи, повысить надежность и сократить частоту замены или подзарядки батареи.

К основным целям маломощной конструкции относятся:

1. Уменьшите энергопотребление：проходить Выбирайте компоненты с низким энергопотреблением, оптимизированной схемотехникой и внедрением связи с низким Протокол энергопотребления для снижения энергопотребления всей системы.
2. спящий режим：Когда устройство неактивно,Переведите устройство в спящий режим илирежим глубокого сна,снизить энергопотребление。только когда это необходимоустройство пробуждения。
3. Оптимизировать код：Напишите эффективный программный код,Уменьшите использование процессора,Избегайте опросов и занятого ожидания,Использование прерываний и событийно-ориентированного подхода для уменьшения энергопотребления.
4. Аппаратные компоненты с низким энергопотреблением：Выбирайте маломощный микроконтроллер、датчик、Модуль связи и блок управления питанием,уменьшить потребление тока.
5. Оптимизация схемы питания：Проектирование эффективного блока управления питанием,Примите схему импульсного источника питания, схему стабилизации и снижения напряжения.,минимизировать потери энергии.
6. Локальное хранение данных и пакетная обработка：Кэшируйте данные и периодически передавайте их.,Для снижения энергопотребления при частом общении.
7. связь с низким энергопотреблением：использоватьсвязь с низким энергопотреблениемпротокол,Снижение энергопотребления модулей связи,Такие как LoRaWAN, BLE и т. д.
8. Таймеры и внешние события пробуждения：использовать硬件定时器或外部事件来устройство пробуждения,выполнять конкретные задачи,Вместо того, чтобы постоянно держать устройство активным.

Конструкции с низким энергопотреблением не только помогают продлить срок службы батареи, но также помогают сократить потери энергии, снизить эксплуатационные расходы, повысить устойчивость и в некоторых случаях улучшить производительность и надежность устройства. Этот подход к проектированию широко используется в таких областях, как беспроводные сенсорные сети, Интернет вещей, портативные медицинские устройства, умные дома и мобильные устройства.

image.png

1. Выбирайте компоненты с низким энергопотреблением.

Выбор аппаратных компонентов с низким энергопотреблением имеет решающее значение для продления срока службы батареи. Например, использование маломощных микроконтроллеров, маломощных датчиков и маломощных модулей связи может снизить энергопотребление устройства. Вот пример использования режима низкого энергопотребления платформы Arduino:

#include <LowPower.h>

void setup() {
  // Инициализировать устройство
}

void loop() {
  // Эксплуатация оборудования
  // Войдите в режим пониженного энергопотребления
  LowPower.powerDown(SLEEP_8S, ADC_OFF, BOD_OFF);
}

2. Оптимизируйте код

Написание эффективного кода снижает энергопотребление ЦП, тем самым продлевая срок службы батареи. Избегайте опросов и ожидания занятости, а также используйте прерывания и спящие режимы, чтобы снизить загрузку ЦП. Вот простой пример использования спящего режима Arduino:

#include <avr/sleep.h>

void setup() {
  // Инициализировать устройство
}

void loop() {
  // Эксплуатация оборудования
  set_sleep_mode(SLEEP_MODE_PWR_DOWN);
  sleep_enable();
  sleep_mode();
}

3. Оптимизируйте общение

Модули связи часто являются «горячими точками» энергопотребления во встроенных устройствах. Используйте протоколы связи с низким энергопотреблением (например, LoRaWAN) и соответствующие интервалы передачи, чтобы снизить энергопотребление во время связи. Вот пример использования Arduino и LoRaWAN:

#include <lmic.h>

void setup() {
  // Инициализируйте модуль LoRaWAN
}

void loop() {
  // Эксплуатация оборудования
  // Отправить данные
  LMIC_setTxData2(1, mydata, sizeof(mydata), 0);
  // Дождитесь завершения передачи
  os_runloop_once();
}

4. Динамическая настройка режима энергопотребления.

Динамическая настройка режима энергопотребления в соответствии с текущим рабочим состоянием встроенного устройства позволяет значительно снизить энергопотребление. Например, переключиться в режим глубокого сна, когда устройство неактивно, и при необходимости перейти в обычный режим работы.

if (deviceActive) {
  // нормальный режим работы
} else {
  // режим глубокого сна
}

image.png

Если продление срока службы батареи встроенных устройств является критически важным, рассмотрите также следующие стратегии и примеры:

5. Датчики малой мощности

Использование маломощных датчиков позволяет существенно снизить энергопотребление устройства. Например, используя маломощный датчик температуры, устройство можно разбудить, когда необходимо провести измерения, вместо того, чтобы постоянно держать устройство активным.

#include <LowPower.h>

void setup() {
  // Инициализация датчика
}

void loop() {
  // Ожидание срабатывания сенсорного события
  // устройство пробуждения
  // Проведение измерений с помощью датчика
  // Войдите в режим пониженного энергопотребления
  LowPower.powerDown(SLEEP_8S, ADC_OFF, BOD_OFF);
}

6. Локальное хранение данных и пакетная обработка.

Чтобы избежать частой передачи данных, можно использовать методы локального хранения данных и пакетной обработки. Локальное кэширование данных и периодическая передача их на сервер снижает частоту обмена данными и, следовательно, снижает энергопотребление.

void loop() {
  // Эксплуатация оборудования
  // Кэшировать данные локально
  if (shouldTransmitData()) {
    // Отправить данные
  }
  // Войдите в режим пониженного энергопотребления
}

7. Блок управления питанием (PMU).

Некоторые встроенные устройства оснащены блоком управления питанием (PMU), который позволяет более эффективно управлять электропитанием. PMU можно использовать для выбора подходящего напряжения и частоты для снижения энергопотребления.

#include <PMU.h>

void setup() {
  // Инициализировать PMU
}

void loop() {
  // Эксплуатация оборудования
  // Оптимизируйте настройки питания
  PMU.setVoltage(LOW);
  PMU.setFrequency(LOW);
}

8. Алгоритм оптимизации

Для некоторых приложений алгоритмы могут быть оптимизированы для снижения вычислительной и обрабатывающей нагрузки. Например, используйте более простые алгоритмы обработки данных, чтобы снизить нагрузку на процессор.

void loop() {
  // Получить данные датчика
  // Используйте упрощенные алгоритмы обработки данных
  // Отправить данные
}

Эти стратегии можно комбинировать друг с другом для настройки и оптимизации с учетом конкретных встроенных устройств и сценариев применения. В совокупности эти стратегии могут значительно продлить срок службы батареи встроенных устройств, обеспечивая более надежную работу и более длительное использование.

image.png

9. Используйте спящий режим

Многие микроконтроллеры предлагают различные режимы сна, которые можно выбрать в соответствии с вашими потребностями. Вот пример использования режима SLEEP_MODE_PWR_DOWN Arduino:

#include <avr/sleep.h>

void setup() {
  // Инициализировать устройство
}

void loop() {
  // Эксплуатация оборудования
  set_sleep_mode(SLEEP_MODE_PWR_DOWN);
  sleep_enable();
  sleep_mode();
  // Продолжить выполнение после пробуждения устройства
}

10. Оптимизируйте таймер

Используйте аппаратные таймеры для пробуждения устройства во время сна для выполнения определенных задач. Вот пример использования таймера Arduino:

#include <avr/sleep.h>
#include <avr/power.h>

void setup() {
  // Инициализировать таймер
  // Установить период таймера
  // Включить прерывание по таймеру
}

void loop() {
  // Эксплуатация оборудования
  sleep_enable();
  set_sleep_mode(SLEEP_MODE_PWR_DOWN);
  sleep_mode();
  // Выполнение определенных задач после пробуждения устройства
}

11. Оптимизировать протоколы связи и передачи.

Выбирайте модули связи с низким энергопотреблением и оптимизируйте протоколы передачи для снижения энергопотребления. Вот пример использования библиотеки LoRaWAN с низким энергопотреблением:

#include <lmic.h>

void setup() {
  // Инициализируйте модуль LoRaWAN
}

void loop() {
  // Эксплуатация оборудования
  if (shouldTransmitData()) {
    LMIC_setTxData2(1, mydata, sizeof(mydata), 0);
    os_runloop_once();
  } else {
    // Войдите в режим пониженного энергопотребления
    os_runloop_once();
  }
}

12. Используйте библиотеки с низким энергопотреблением

Многие встроенные платформы и инструменты разработки предоставляют библиотеки и функции, специально разработанные для низкого энергопотребления. Вот пример использования библиотеки Arduino LowPower:

#include <LowPower.h>

void setup() {
  // Инициализировать устройство
}

void loop() {
  // Эксплуатация оборудования
  LowPower.powerDown(SLEEP_8S, ADC_OFF, BOD_OFF);
  // Продолжить выполнение после пробуждения устройства
}

13. Оптимизация схемы электропитания.

Проектирование эффективной схемы источника питания имеет решающее значение для конструкций с низким энергопотреблением. Используя импульсные схемы питания, а также схемы стабилизации и понижения напряжения, можно снизить энергопотребление и продлить срок службы аккумуляторов. Вот пример использования импульсного модуля питания:

#include <SwitchPower.h>

void setup() {
  // Инициализация цепи питания
}

void loop() {
  // Эксплуатация оборудования
  // Оптимизируйте настройки питания
  SwitchPower.setVoltage(3.3);
  // Войдите в режим пониженного энергопотребления
}

14. Внешние события сна и пробуждения.

Помимо использования внутренних таймеров для пробуждения устройства, вы также можете использовать внешние события для пробуждения устройства. Например, используя события, обнаруженные внешними датчиками, чтобы разбудить устройство для выполнения необходимых задач.

void setup() {
  // Инициализация внешних датчиков
  // Настройка запуска внешнего события
}

void loop() {
  // Устройство спит
  // Пробуждение по внешним событиям
  // выполнять задачи
}

в заключение

Конструкция с низким энергопотреблением является ключевой частью разработки встраиваемых систем и может значительно продлить срок службы батареи и повысить доступность устройства. Выбирая аппаратные компоненты с низким энергопотреблением, оптимизируя код, оптимизируя связь, используя датчики с низким энергопотреблением, используя режимы сна, оптимизируя таймеры, используя библиотеки с низким энергопотреблением, оптимизируя схемы питания, а также используя механизмы сна и пробуждения по внешним событиям, вы может выбирать и применять соответствующие стратегии, основанные на конкретных потребностях проекта, для достижения целей проектирования с низким энергопотреблением.

В практических приложениях, рассматривая эти стратегии вместе, вы можете создавать мощные, долговечные и стабильные встраиваемые устройства для удовлетворения потребностей различных областей, от устройств Интернета вещей до портативных медицинских устройств, каждое из которых может выиграть от конструкции с низким энергопотреблением. Конструкция с низким энергопотреблением не только помогает продлить срок службы батареи, но и помогает снизить потребление энергии, тем самым способствуя устойчивому развитию и защите окружающей среды.