如何优化物联网边缘设备的能源使用
当设计电池供电的物联网(IOT)设备时，首要目标是延长再充电之间的时间，或者在标准电池的情况下延长电池的寿命。有许多传统的方法，但这些缺乏必要的系统级的角度，需要充分优化设计。
为了最大限度地利用可用的电池功率，需要将IOT设备作为整个系统进行优化，而不是作为不相关组件的集合。本文将研究最新的技术和技术可用于优化物联网设计的能源消耗，以及如何最好地应用它们。
传统的能量测量方法
通用嵌入式系统开发人员对优化其电池寿命系统并不陌生。在过去的好日子里，开发人员经常使用万用表(如B& K精密BK27 06)来测量其嵌入式系统的当前消耗量。这些都是巨大的多米，当然可以用来测量平均电流，但不会给开发者一个分辨率，他们需要看到快速尖峰或测量电流消耗到微安范围没有付出很大的努力。为了看到这些快速的过渡，开发人员需要快速的东西，他们可以很容易地触发。
一个示波器，与一个分流电阻大小的电流范围，可以用来查看这些快速电流转换。开发人员可以使用BK2190，也可以从B& K精度使用。这是一个巨大的低成本100 MHz示波器。开发人员当然可以触发范围来查看尖峰和过渡，但是在这个特定的应用中使用示波器仍然存在一些挑战。
首先，大多数低成本示波器不能让开发人员轻易地获得踪迹。第二，跟踪在其记录长度上受到限制。第三，示波器数据不能与在嵌入式系统上发生的事件同步。考虑到这三个问题，开发人员可能会在项目时间表内努力优化他们的物联网设备。因此，一种新的和更现代的方法是必要的，以有效地优化物联网设备的能耗。
利用智能电源优化能耗
一种新的、更现代的IOT设备可以被优化的方式是使用智能电源，该智能电源不仅向设备提供能量，而且还具有测量提供给该设备的电压和电流的能力。智能电源可以看作是电源和数据采集系统之间的混合。
一个这样的电源是QoiTek AB的奥地利电弧。这是一种便携式电源，它也起到电流和电压测量单元的作用。它被用来为IOT设备供电，其能量分布需要优化。它通过USB将采集到的数据传输到PC机。OTII弧也可以通过USB供电。
QoiTeAB AI的影像学
图1：来自QoiTeAB的OTII电弧是一种便携式电源，也起到电流和电压测量单元的作用。
OTII弧可以通过其OTII软件包配置，以提供0.5至5伏的任何地方。当使用USB端口为OTII电弧供电时，可以输出250毫安(MA)的最大输出。对于大多数物联网设备来说，这将是远远不够的，但是对于更耗电的系统的开发人员来说，可以使用外部7.5伏到9伏的电源来实现高达2.5安培(A)的电流，最大电流为5 A。在当前分辨率为1微安(μA)的情况下，最多可达到4 kSt/s，这对于大多数物联网设备来说是足够的。
使用奥地利弧
IOT测试设备(DUT)可以以几种方式连接到OTII弧。在第一种方法中，就像大多数电源一样，有两个香蕉插座用于向设备供电。这允许开发者使用PMONA电子公司的一个红色香蕉电缆，用红色的Pomona夹来提供电压轨。一个黑色的Pomona香蕉电缆与黑色波莫纳夹钳是用来提供地面铁路。对于任何嵌入式系统工程师的工作台来说，这是一个标准的设置。
第二种方法使用OTII圆弧的14PIN膨胀头，其长度为0.100英寸。该扩展端口具有有用的连接，例如用于测量电流、GPIO引脚、甚至串行发送和接收PIN信号的第二模数转换器(ADC)通道。
标准弧形香蕉插孔图像
图2：使用几乎每一个电源上的标准香蕉插孔连接到OTII电弧。开发人员可以使用12“红色波莫纳电子香蕉电缆和红色Pomona夹钳将正电压轨连接到他们的IOT测试设备。
QoiTeTi-Toi-Ii弧带有OTII软件的标准许可证，OTII软件是一种可视化工具，它与OTII电弧接口以执行电流和电压测量并控制电源的行为。可视化是用来分析能源消耗，并确定在哪里和如何优化系统。
OTII软件通过USB连接到电源，并可用于启用和禁用电源电压或记录跟踪。当跟踪时，开发人员可以看到活跟踪，它提供易于导航的条形图类型视图。开发人员可以突出其踪迹中的区域，并提供诸如最小值、最大值和平均电流等重要信息(图3)。
基于OTII ARTIC的OTII软件跟踪图像
图3：当使用OTIAARC的OTII软件跟踪时，开发人员可以看到带状图表视图中显示的活跟踪，这是易于导航的。(图像来源：凯利讯半导体电子)
正如前面所讨论的，开发人员能够在跟踪中的各个点了解系统状态，从而获得一个可以分析的单个、连贯的信息源是非常关键的。重要的是，智能电源还能够接收来自嵌入式系统的日志输入，这些输入可用于同步状态。
QoiTeTi-Toi-A弧的有趣之处在于，扩展连接器能够以可配置的波特率读取串行UART，并记录跟踪中的日志信息。建立一个发送执行日志的系统包括从嵌入式目标接收UART上的字符串日志。为此，将IOT设备上的UART TX引脚连接到OTII弧上的RX引脚(图4)。将数字地面连接到物联网设备以确保信号共享相同的地面参考是一个很好的做法。
将IUT设备上的UART TX引脚连接到OTII弧上的RX引脚的图像
图4：从嵌入式目标接收UART上的字符串日志，将IOT设备上的UART TX引脚连接到OTII弧上的RX PIN。(图片来源：凯利讯半导体)
为了演示如何在OTII软件中记录数据，显示了一个LED在UART上切换并提供日志状态以帮助开发人员(图5)。
可以设置OITI ARC图像来接收UART日志消息
图5：OTII ARC可以设置为接收UART日志消息，可以帮助开发人员了解嵌入式系统处于什么状态。在这个例子中，LED正在切换并通过UART提供日志状态以帮助开发人员。
优化子系统能源使用
有几种方法使用智能电源来优化设备的能耗，但它们确实需要一些预先考虑。例如，开发人员应该在其PC板上包括多个分流电阻器，以便它们可以连接和探测不同电路的能量消耗。如果不这样做，只会给开发人员提供整个系统的电流，这可以使优化更多的是猜测游戏而不是工程活动。
开发人员可以使用扩展ADC来监视外部分流电阻器。这个电阻器可以监视Wi-Fi模块、存储器芯片或微控制器本身。这一特性允许开发人员在监测整个系统能耗如何受到影响的同时调整单个电路。开发人员需要做的是在OTII软件的项目设置中设置分流电阻值，并且正确的电流将记录在跟踪中(图6)。
建立系统电压和电流记录的奥迪电弧图
图6：OTII电弧可以被设置成记录系统电压和电流，以及子系统的第二电流分流器。这允许开发人员调谐特定电路，同时监视整个系统能量消耗如何受到影响。(图片来源：凯利讯半导体)
在许多电池供电的物联网系统中，最大的能源消耗之一无疑是微控制器。智能电源可用于监控微控制器，但在许多情况下，开发者希望能够将其当前测量与微控制器中的程序计数器同步。这允许当前消耗与正在执行的代码行同步。
为了做到这一点，开发人员可以使用智能电源与先进的调试器，如ARM的Keil ULULPLUS相结合，它具有测量微控制器电流的能力，并与程序计数器同步该测量。然后，当开发人员把所有这些测量一起，他们将能够精细地调整他们的能源消耗，并最大限度地提高他们的物联网设计的电池寿命。
ARM Keil ULUKPLUS图
图7：ARM KEIL ULUKPLUS可以被设置为记录微控制器的电流使用，并将该测量与在微控制器上执行的代码行同步。这有助于提供物联网设备能源使用的全面图景。(图像来源：凯利讯半导体电子)
优化物联网系统能耗的技巧与技巧
有几个技巧和窍门，开发人员可以遵循，以方便地优化他们的嵌入式系统的能源消耗。这些包括：
对于设计中的每一个主要硬件块，增加一个并联电阻器，用于在开发和测试过程中监测该电路的能量消耗。
阅读“选择和应用正确的低功耗微控制器的IOT”的提示如何衡量和优化微控制器的能源消耗。
尽可能多地将主要系统组件放入睡眠模式或低功耗状态。
在整个开发周期中测量能耗，而不是仅仅在接近终点。
使用能覆盖应用动态范围的能量分析器。
尽可能多地自动化测量过程。
在硬件中，寻找低效和泄漏的组件，例如LDO，并用更高效的组件替换它们。
结论
优化任何物联网设备的能源消耗不是一个微不足道的努力，它是特别重要的电池供电设备。如图所示，有几种传统的测量能量消耗的方法。有合适的工具进行适当的测量，可以更容易地识别能源猪和设计物联网解决方案，最大限度地利用可用的电池功率。