Microchip专家技术文章:超低功耗仪器——物联网电器

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Microchip Technology Inc. 
资深产品营销经理
Jason Tollefson
 
随着物联网(IoT)逐渐普及,推出的家用电器让消费者得以控制其成本和时间,生产商也能获得新的收益和服务模式。电器设计人员可在其产品中配备传感器和显示器以监视其使用模式,并提供即时服务和专属的购买商机。
 
当IoT的预期部署量远多于智能手机时,将有数百亿“事物”需要供电。电器设计人员希望降低或至少维持其目前的功耗水平,以便在增加IoT功能时也能符合政府法规。
 
为满足这一需求,需要超低功耗单片机(MCU)和Bluetooth® Smart无线电。它们代表一种灵活且经济高效的方式,可在IoT的边缘连接物体。让我们一起探索低功耗IoT系统的这些领域吧。
 
定义IoT

IoT有许多种解读,通常取决于您服务的市场,但维基百科中的一个定义(如图1所示)恰当地概括了此概念。

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图1——IoT定义
 
因此,将此定义应用到电器后,IoT电器将成为惟一可识别、提供Bluetooth Smart或Wi-Fi®等高级连接功能且连接到现有互联网基础设施中的设备。
 
支持IoT功能的服务

针对消费者和生产商,将电器连接到全新领域中的互联网据点。这能够让消费者更有效地控制成本和管理时间,同时还可让生产商监视电器的性能、主动解决维护问题并提供收益产生结构。

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表1——最热门的5个新电器服务示例
使能智能手机作为您的IoT网关
 
利用智能手机、低功耗MCU和Bluetooth Smart无线电,电器制造商能够以最简单的方式在其产品中添加IoT功能。智能手机现在都随附集成Bluetooth Smart功能,可即时将网关提供给互联网,并增加了简化电器配对这一优势。智能手机应用程序可控制用户体验并管理与电器之间的数据传输。支持IoT功能的电器也可利用Wi-Fi提供恒定通道来传送传感器数据,但配对可能更具挑战性。
 
Bluetooth Smart提供信标功能,可大幅简化配對过程。当信标在智能手机附近时,前者可向后者通告其位置。另一方面,Wi-Fi配对则需要按下路由器(通常位于另一个房间)上的Wi-Fi Direct按钮。
 
产生有价值的数据
 
电器IoT连接的价值源于低功耗MCU与Bluetooth Smart无线电配对。MCU收集功耗或运行小时数等传感器数据,这些数据在电器中产生并以可使用的格式存储。当智能手机与电器连接时,将上传并发送或显示这些数据。低功耗MCU和无线电也可以提升连接能力而不增加可测量的功耗,从而一直符合政府法规。
 
Bluetooth入门
 
鉴于此系统非常简单,我们来详细探究一下元件。我们从Bluetooth开始。您很可能已经以某种形式使用Bluetooth多年。您的手机可能拥有Bluetooth耳机,许多汽车可能配备Bluetooth来实现音频流传输。但对于IoT电器,我们关注的Bluetooth技术是Bluetooth Smart。这是最近开发的新标准,只有Bluetooth SIG提供。此新标准支持低功耗运行,非常适合IoT应用。请查看表22,您会发现Bluetooth Classic提供更长的范围和2.1 Mbps的吞吐量。但IoT电器之类的低数据速率应用并不需要此速率。Bluetooth Smart的优点是可快速连接、具有符合IoT需求的吞吐量,并可提供较低的功耗。
 
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表2——Bluetooth比较
 
Bluetooth Smart专为IoT边缘上的设备而设计。回顾IoT设备的维基百科定义,它必须是惟一且可识别的。Bluetooth Smart具备该功能。例如,图2描述了Bluetooth Smart医疗应用的组织结构。
 
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图2——Bluetooth配置文件层级
 
图2中的层级显示Bluetooth血压配置文件。此配置文件配有相关服务,例如设备服务和血压服务。您会看到配置文件包含UUID、惟一可识别信息(此示例中为制造商),这对IoT必不可少。这只是Bluetooth Smart GATT或一般属性设定档的其中一个示例。Bluetooth设备通常直接支持配置文件,如图3所示。此外,还有适用于其他许多应用的配置文件,包括自定义配置文件。自定义配置文件也适用于电器。
 
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图3——Bluetooth Smart模块框图
Bluetooth Smart节能
 
除了惟一可识别属性,Bluetooth Smart无线电的功耗需求也使其特别适合IoT电器。无线电能够维持与智能手机配对而无需持续连接;而且,由于连接需要功耗,这样可实现节能。Bluetooth无线电的“连接间隔”和“从设备延时”功能可达到此目的。在图4中,连接间隔是进入低功耗状态之前,从设备或“外设”传输到智能手机或“中央设备”之间的时间段。这段时间在数毫秒到数秒之间变化,连接的规律由从设备延时决定。结合这些参数时,可以每7.5毫秒一次的频率传输数据,或每33分钟一次的频率传输数据以最大程度节能。
 
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图4——Bluetooth Smart通信周期
 
由于Vin等于Vref且S3促成了单位增益反馈,因此Vo等于Vref。C1在放电或在复位之后首次放电。在任何情况下,这一阶段确保了C1被充分放电之后再进入到下一阶段。在t1结束时,S1保持在打开状态,S2保持关闭,S3被关闭,S4被打开,而RA0被配置成输入引脚。这样就得到了图4中的等效电路。
 
低功耗MCU功能
 
当然,功耗公式的另一半来自MCU。功耗主要由功耗模式状态和时钟速度决定。
 
功耗模式
 
许多新的低功耗MCU都包含功耗模式。这是在软件控制下更改MCU配置的能力。典型示例有运行、打盹、空闲、低电压休眠和深度休眠。其中的每种模式都有影响功耗的重要特性。例如,PIC® MCU具有打盹和低电压休眠模式。在打盹模式下,MCU可以比其片上外设更低的频率运行代码。这可降低电流消耗,但仍可使UART等关键外设以适当的波特率通信。低电压休眠可关闭高性能片上稳压器以达到低电流稳压功能,仅使用几百纳安的电流来保留完整的MCU状态。从运行模式切换到低电压休眠模式可减少99.9%的电流消耗。
 
时钟切换
 
低功耗MCU还提供实时时钟切换功能。这是根据任务来改变时钟频率的能力。如果您正在基于传感器数据运行数学密集型滤波算法,请以全速时钟速度运行。如果处于简单循环并且正在等待中断,请降低时钟速度以节省电流。使用这些方法可将电流消耗从5毫安减少到26微安——节能达99%。结论:低功耗MCU可轻松节能。
 
针对各种电器设计加入IoT的边缘相当容易。借助低功耗MCU和Bluetooth无线电的内置功能,现在可从符合能源法规的电器与IoT建立连接。此连接可收集和处理数据并将数据传输到智能手机,这在几年前是无法实现的。随着智能手机日益普及,它们能够让您建立高价值应用。消费者十分重视这种连接能力,因为这能让他们使用随身携带的智能手机来管理忙碌的生活。制造商也能从洞悉产品性能和使用情况中受益,可利用现代化的市场营销和服务技术来减少生命周期成本和增加收入,并深入了解新一代电器的开发。
 
IoT就在这里,它代表着新的商机,请大胆迈出第一步吧。
 
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