By Janet Ooi
自从 Kevin Ashton 创造出“物联网”这个词的那一天起，物联网就迅速扩展以满足多样化的需求。 医疗设备、智能仪表、联网汽车、智能农业和智能基础设施——只要你给应用命名，物联网传感器就可以发挥作用。 应用程序是无限的。 物联网已经成为万物互联。
Statista 在最近的一份报告中估计，到 2030 年，全球联网设备的数量将达到约 500 亿。 这些设备或系统将相互通信、捕获和分析数据并将其发送到云端进行存储或进一步处理。 更进一步，人们对边缘 AI 处理的兴趣日益浓厚，从而使智能设备变得更加智能。
智能设备上对应用程序和数据处理不断增长的需求给设备设计人员带来了一个挑战：如何从电池中获得更多。 延长或消除更换电池的需要可降低维护成本，并使物联网设备具有竞争优势。 最重要的是，在整个设备设计周期中，对低功耗的追求无处不在。 电池供电的物联网设备需要远程工作，完全依靠小电池。
设计工程师将找到通过平衡主动功能和深度睡眠模式来节省能源的方法；然而，这种方法有局限性。一些可穿戴设备，尤其是智能医疗设备——例如心脏起搏器——需要某些电路部件处于活动状态以进行持续监控。电路的活动部分必须始终处于开启状态，即使其他功能处于深度睡眠模式时也是如此。该活动限制了电池寿命。电路设计需要补偿这一限制，以满足应用的电池寿命要求。设计人员还面临需要连续无线连接的物联网设备的挑战，这与延长电池寿命的要求相冲突。无线通信通常是有源设备中最大的功率消耗者。
幸运的是，有许多技术可以提高电子电路的能效，同时延长电池寿命。
能量收集
能量收集是一种从环境中收集能量并将其转换为可为电子电路供电的能量的方法。从外部环境获取能量的方法包括热电转换、太阳能转换、风能转换、射频 (RF) 信号和振动激发。
射频能量收集捕获环境电磁能，并通过天线和整流器电路将其转换为可用的连续电压直流 (DC)。环境中存在的周围射频能量源于多种高频技术，包括 Wi-Fi 信号、微波炉和无线电广播。振动激发能量来自地板、机械或汽车底盘的细微振动。根据可用能量的频率和幅度，隔离环境能量的方法差别很大。如今，几家公司开发了能量收集芯片，无需为低功耗物联网设备更换电池。
无线标准
无线连接标准（蜂窝和非蜂窝）已经开发出功能和优化技术，以帮助最大限度地延长 IoT 设备的电池寿命。 LTE-M 和 802.11 无线局域网等无线标准具有省电模式和扩展不连续接收等功能以降低功耗。
省电模式允许物联网设备在固定时间处于睡眠或打瞌睡状态，唤醒仅用于传输和监控数据，然后再返回睡眠状态，同时保持与网络的注册状态。设备和网络根据应用程序的要求协商和优化时序。由于物联网设备在省电模式下处于非活动状态，因此功耗较低，有助于延长电池寿命。
扩展的不连续接收可以作为扩展的 LTE 功能并入物联网设备，独立于节电模式工作以获得额外的节电。该功能极大地延长了 IoT 设备不侦听网络的时间间隔。虽然它不提供与省电模式相同级别的功率降低，但延长的不连续接收可能是设备可达性和功耗之间的一个很好的折衷方案。
设备设计
设计工程师努力使电子电路更加节能。某些硬件设计、软件或固件更改会导致电路消耗更多功率，从而降低功率效率。物联网设备的功耗也可能因气候条件的不同而有所不同。设计人员经常通过捕获和分解硬件子系统的功耗来分析物联网设备在不同场景中的功耗情况。从那里，他们可以确定必要的设计更改以优化电池寿命。他们必须重复这些步骤来分析和验证每个设计更改的影响。
此过程称为基于事件的功耗分析。设计人员需要将电荷消耗曲线与子系统的 RF 或 DC 事件相关联。如上所述，优化设备设计的过程可能既困难又耗时。设计人员需要模拟环境、捕获和比较电流消耗数据并进行设计更改。他们可能还需要再次重复这个过程。以用于农业应用的 LoRa 智能传感器为例。为了改进电池寿命估算，设计人员需要在腔室中捕获传感器在工作状态之间转换时的动态电流消耗，并模拟全天的温度曲线。通过数据日志，设计人员可以根据充电消耗曲线计算电池寿命，并决定需要改进的电路、软件或固件部分。
市场上的产品可以帮助减少测试开发和测试时间，并轻松估计物联网设备的电池寿命，因此设计人员可以将更多时间花在重要的事情上：设备设计。
大多数人都可能与手机电池电量不足引起的焦虑有关。 物联网设备也不例外，无论是智能手表、医疗设备还是农业应用的智能传感器。 电池运行时间是影响最终用户购买决定的最重要标准之一。 它可以给你的物联网设备带来竞争优势，也可以破坏你的品牌声誉。幸运的是，现有的技术和解决方案可以帮助产品制造商和设备设计师做出明智的决定，有效地管理电源，优化物联网设备的电池寿命。（编译/Cassie）
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