每一位技术主管和工程师在大规模部署物联网传感器时，最终都会遇到同一个难题：如何让这些设备长久运行？想象一下，一座智慧城市，路灯上安装着数千个电池供电的传感器，又或者是一个覆盖数英里农田的农业网络。每隔几个月更换一次传感器的电池，将是一场物流噩梦。
事实上，研究人员计算过，即便每台设备的电池寿命长达10年，假设部署一万亿个传感器，每天也得更换2.7亿块电池——这显然不可持续。
显然，为了迎接海量物联网时代的到来，我们需要功耗极低的设备，它们一次充电(甚至无需电池)就能运行数年甚至数十年。本文探讨了超低功耗嵌入式设计如何实现这一目标，利用巧妙的硬件和软件技术来延长物联网节点的使用寿命。
海量物联网电池挑战
物联网的普及率激增，但功耗仍然是一个主要制约因素。“万亿传感器世界”的预言之所以落空，是因为为如此庞大的设备群供电是一项巨大挑战。虽然处理器和连接技术已经改进，但电池技术却未能跟上。频繁更换电池会增加维护成本并限制可扩展性。
持久的电力并非奢侈，而是必需。设备必须运行多年才能最大限度地降低服务成本并减少电子垃圾。这需要超高效的嵌入式系统，这些系统默认处于关闭状态，仅在短暂唤醒后工作。要实现这一点，需要重新思考一切，从处理器占空比到芯片设计和无线调度。
休眠优先的设计理念
在超低功耗物联网中，规则很简单：尽可能多地休眠。与CPU持续运行的传统系统不同，嵌入式物联网设备超过99%的时间处于深度休眠状态，仅在短暂唤醒以进行感知或传输(图1)。
低功耗蓝牙(BLE)等技术正是为此而生，使得无线电的活动时间仅为0.1%。STM32L4等微控制器(MCU)提供多种功耗模式，从活动模式(毫安级)到停止模式(仅几微安)。
这种“尽快休眠”的策略能最大限度地降低整体能耗，使设备能够依靠小型电池运行数年。
图1：物联网节点的占空比——典型的物联网传感器大部分时间处于低功耗休眠模式(电流约微安)，并伴有短暂的突发活动(毫安级的CPU处理和无线电传输)。通过保持较短的活动周期(此处约每20秒0.2秒，即1%占空比)，平均功耗可保持在极低的水平。
利用亚阈值逻辑实现超低功耗
亚阈值逻辑允许MCU在低于典型晶体管电压阈值的条件下工作，利用漏电流以超低功耗执行计算。虽然速度较慢，但这种方法可将能耗降低高达99%，使其成为电池敏感型物联网应用的理想选择。
Ambiq Micro的Apollo MCU采用其SPOT技术，展现出创纪录的效率，将能耗降低了一半，并可能使电池寿命翻倍。甚至有设备仅靠人体体温供电，就能持续运行。
这项技术通过利用收集的环境能量实现运行，使无电池物联网的愿景更接近现实。
闹钟和时钟：仅通过实时时钟(RTC)唤醒
即使一个物联网设备处于休眠状态，也常常需要定时唤醒或响应定时事件。挑战在于如何在系统不完全通电的情况下实现唤醒。这就是RTC唤醒的用武之地。
RTC通常由低功耗32.768kHz晶振驱动，即使主处理器关闭也能保持工作状态。它仅消耗几微安的电流，足以保持精准计时并触发定时唤醒。这使得系统的其余部分(包括高速时钟和CPU)能够完全关闭。
例如，在STM32L4系列中，LPTIM外设可以在停止模式下运行并定期唤醒MCU。实际上，这意味着系统可以执行一些简短的任务(例如读取传感器数据或传输数据)，然后快速返回深度休眠状态，几乎不会产生任何功耗。
仅通过RTC唤醒非常适合环境感知或智能计量等需要定期更新的应用。许多现代MCU甚至支持多个RTC闹钟或无滴答调度，以便在尽可能长时间保持深度休眠的同时协调复杂的任务。
通过针对“仅在必要时唤醒”进行优化，RTC唤醒功能有助于显著延长超低功耗物联网设计的电池续航时间。
自主外设：让硬件发挥更大作用
延长物联网设备电池续航时间最有效的方法之一，是将任务从主处理器转移到自主外设。在传统设计中，即使是切换LED或采样传感器等简单操作也需要唤醒CPU。但现代MCU提供了先进的外设——定时器、ADC和通信模块——即使在深度休眠模式下也能独立运行。
以STM32的LPTIM为例。该产品可以在停止模式下运行，对事件进行计数或计时，并且仅在必要时唤醒CPU。一些MCU具有自主ADC，可以定期采样数据并通过DMA存储，而无需CPU干预(图2)。事件系统则更进一步：比较器检测到的阈值可以直接触发另一个外设执行操作，而无需唤醒处理器。
这些功能使系统能够在硬件中处理常规和时间敏感的操作，从而节省能源并降低唤醒频率。例如，电池供电的水表可以使用低功耗定时器来计数流量传感器脉冲，仅在传输摘要或检测异常时才唤醒CPU。
这种方法不仅节省了功耗，还通过降低延迟和固件复杂性来提高性能和可靠性。一些供应商甚至包含超低功耗协处理器来独立处理基本的传感逻辑。总体原则很明确：让硬件处理常规操作，并尽可能长时间地保持CPU处于休眠状态。
图2：自主外设允许硬件模块独立交互并执行任务，同时保持主处理器处于休眠状态。(来源：Kunvar Chokshi)
超低功耗设计基准测试
由于市面上有众多低功耗技术，比较MCU的效率可能颇为棘手。EEMBC ULPBench应运而生——这是一款标准化的基准测试，可模拟典型的物联网工作负载：休眠、唤醒、感知、计算和重复。它能够量化能耗并输出标准化分数，从而更容易公平地比较不同的MCU。
ULPBench分数已成为物联网和可穿戴设备市场的关键差异化因素。例如，Ambiq的Apollo MCU凭借其亚阈值架构，实现了创纪录的得分，其功耗仅为其最接近竞争对手的一半。这表明，精心的硅片设计能直接提升实际效率。
对于产品团队而言，ULPBench、Arm的Edgebench或EEMBC的ULPMark等工具在选择超低功耗平台时提供了宝贵的指导。虽然实际电池续航时间仍然取决于工作负载的具体情况，但基准分数提供了可靠的参考——尤其是在每一微安都至关重要的情况下。
无线电占空比和功耗感知网络
在讨论任何物联网功耗时，若不涉及无线电——最耗电的组件——讨论便不完整。传输或监听的功耗远高于感知或计算，因此管理无线电占空比至关重要。
幸运的是，BLE、Zigbee、LoRaWAN和NB-IoT等协议在设计时就考虑到了低功耗运行。它们依靠低频、短促的通信突发和较长的休眠间隔来节省功耗。
实际上，这意味着仅在需要时才打开无线电，就像使用对讲机那样，仅在发送或接收信息时短暂打开。例如，LoRaWAN传感器可能每天传输几次数据，而Zigbee设备每隔几分钟检查一次。其余时间，无线电保持关闭状态，从而大幅降低平均功耗。
调度是关键。同步协议使用协调的唤醒时间，而异步系统则依赖于偶尔的信标或超低功耗唤醒接收器。工程师通过批量处理数据和使用自适应功率控制来进一步优化，以最大限度地降低能耗。
原则很明确：保持无线电使用时间短且智能。架构完善的系统每天只需几毫秒即可运行无线电，从而显著延长电池寿命。
迈向节能自主物联网
超低功耗物联网的未来在于智能电源管理。设备将根据电池或采集的能量水平进行调整，在电量低时延迟非关键任务，并在条件最佳时最大化性能。
从光、振动或热量中收集的能量将越来越多地补充甚至取代电池。凭借超高效的设计，一些物联网节点可以无限期地运行而无需手动输入电源。
我们还将看到设备之间更智能的协作，协调传输，仅在需要时同步，并利用设备上的人工智能来减少对云的依赖。
总而言之，未来的物联网不仅寿命超长，还将具备自主决策能力、节能意识，目标就是稳定运行数十年。
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