延長IoT節點壽命的關鍵設計技巧

每一位技術主管和工程師在大規模部署物聯網(IoT)感測器時，最終都會遇到同一個難題：如何讓這些裝置長久運行？想像一下，一座智慧城市，路燈上安裝著數千個電池供電的感測器，又或者是一個覆蓋數英哩農田的農業網路。每隔幾個月更換一次感測器的電池，將是一場物流噩夢。

事實上，研究人員計算過，即便每台裝置的電池壽命長達10年，假設部署1兆個感測器，每天也得更換2.7億個電池——這顯然不永續。

顯然，為了迎接海量物聯網時代的到來，我們需要功耗極低的裝置，它們一次充電(甚至無需電池)就能運行數年甚至數十年。本文探討了超低功耗嵌入式設計如何實現這一目標，利用巧妙的硬體和軟體技術來延長物聯網節點的使用壽命。

海量物聯網電池挑戰

物聯網的普及率激增，但功耗仍然是一個主要制約因素。「兆感測器世界」的預言之所以落空，是因為為如此龐大的設備群供電是一項巨大挑戰。雖然處理器和連接技術已經改進，但電池技術卻未能跟上。頻繁更換電池會增加維護成本並限制可擴展性。

持久的電力並非奢侈，而是必需。設備必須運行多年才能最大限度地降低服務成本並減少電子垃圾。這需要超高效的嵌入式系統，這些系統預設處於關閉狀態，僅在短暫喚醒後工作。要實現這一點，需要重新思考一切，從處理器工作週期到晶片設計和無線調度。

休眠優先的設計理念

在超低功耗物聯網中，規則很簡單：盡可能多地休眠。與CPU持續運作的傳統系統不同，嵌入式物聯網設備超過99%的時間處於深度休眠狀態，僅在短暫喚醒以進行感知或傳輸(圖1)。

圖1：物聯網節點的工作週期——典型的物聯網感測器大部分時間處於低功耗休眠模式(電流約微安培)，並伴有短暫的突發活動(毫安培級的CPU處理和無線電傳輸)。透過保持較短的活動週期(此處約每20秒0.2秒，即1%工作週期)，平均功耗可保持在極低的水準。

低功耗藍牙(BLE)等技術正是為此而生，使得無線電的活動時間僅為0.1%。STM32L4等微控制器(MCU)提供多種功耗模式，從活動模式(毫安培級)到停止模式(僅幾微安培)。

這種「儘快休眠」的策略能最大限度地降低整體能耗，使設備能夠依靠小型電池運行數年。

利用亞閾值邏輯實現超低功耗

亞閾值(Sub-threshold)邏輯允許MCU在低於典型電晶體電壓閾值的條件下工作，利用漏電流以超低功耗執行運算。雖然速度較慢，但這種方法可將能耗降低高達99%，使其成為電池敏感型物聯網應用的理想選擇。

Ambiq Micro的Apollo MCU採用其SPOT技術，展現出創紀錄的效率，將能耗降低一半，並可能使電池壽命翻倍。甚至有裝置僅靠人體體溫供電，就能持續運行。這項技術透過利用收集的環境能量實現運行，使無電池物聯網的願景更接近現實。

鬧鐘和時脈：僅透過即時時脈(RTC)喚醒

即使一個物聯網裝置處於休眠狀態，也常常需要定時喚醒或回應定時事件。挑戰在於如何在系統不完全通電的情況下實現喚醒。這就是RTC喚醒的用武之地。

RTC通常由低功耗32.768kHz石英晶體驅動，即使主處理器關閉也能保持工作狀態。它僅消耗幾微安培的電流，足以保持精準計時並觸發定時喚醒。這使得系統的其餘部分(包括高速時脈和CPU)能夠完全關閉。

例如，在STM32L4系列中，LPTIM周邊可以在停止模式下運作並定期喚醒MCU。實際上，這意味著系統可以執行一些簡短的任務(例如讀取感測器資料或傳輸資料)，然後快速返回深度休眠狀態，幾乎不會產生任何功耗。

僅透過RTC喚醒非常適合環境感知或智慧計量等需要定期更新的應用。許多現代MCU甚至支持多個RTC鬧鐘或無滴答調度，以便在盡可能長時間保持深度休眠的同時協調複雜的任務。

透過針對「僅在必要時喚醒」進行優化，RTC喚醒功能有助於顯著延長超低功耗物聯網設計的電池續航時間。

自主周邊：讓硬體發揮更大作用

延長物聯網設備電池續航時間最有效的方法之一，是將任務從主處理器轉移到自主周邊。在傳統設計中，即使是切換LED或採樣感測器等簡單操作也需要喚醒CPU。但現代MCU提供了先進的周邊——計時器、ADC和通訊模組——即使在深度休眠模式下也能獨立運行。

以STM32的LPTIM為例。該產品可以在停止模式下運行，對事件進行計數或計時，並且僅在必要時喚醒CPU。一些MCU具有自主ADC，可以定期採樣資料並利用DMA儲存，而無需CPU干預(圖2)。事件系統則更進一步：比較器檢測到的閾值可以直接觸發另一個周邊執行操作，而無需喚醒處理器。

圖2：自主周邊允許硬體模組獨立交互並執行任務，同時保持主處理器處於休眠狀態。

(來源：Kunvar Chokshi)

這些功能使系統能夠在硬體中處理常規和時間敏感的操作，從而節省能源並降低喚醒頻率。例如，電池供電的水錶可以使用低功耗計時器來計數流量感測器脈衝，僅在傳輸摘要或檢測異常時才喚醒CPU。

這種方法不僅節省了功耗，還透過降低延遲和韌體複雜性來提高效能和可靠性。一些供應商甚至包含超低功耗輔助處理器來獨立處理基本的感測邏輯。總體原則很明確：讓硬體處理常規操作，並盡可能長時間地保持CPU處於休眠狀態。

超低功耗設計基準測試

由於市面上有眾多低功耗技術，比較MCU的效率可能頗為棘手。EEMBC ULPBench應運而生——這是一款標準化的基準測試，可模擬典型的物聯網工作負載：休眠、喚醒、感知、運算和重複。它能夠量化能耗並輸出標準化分數，從而更容易公平地比較不同的MCU。

ULPBench分數已成為物聯網和穿戴式裝置市場的關鍵差異化因素。例如，Ambiq的Apollo MCU憑藉其亞閾值架構，實現了創紀錄的得分，其功耗僅為其最接近競爭對手的一半。這說明，精心的矽晶片設計能直接提升實際效率。

對於產品團隊而言，ULPBench、Arm的Edgebench或EEMBC的ULPMark等工具在選擇超低功耗平台時提供了寶貴的指引。雖然實際電池續航時間仍然取決於工作負載的具體情況，但基準分數提供了可靠的參考——尤其是在每一微安培都至關重要的情況下。

無線電工作週期和功耗感測網路

在討論任何物聯網功耗時，若不涉及無線電——最耗電的元件——討論便不完整。傳輸或監聽的功耗遠高於感測或運算，因此管理無線電工作週期至關重要。幸運的是，BLE、Zigbee、LoRaWAN和NB-IoT等協議在設計時就考慮到了低功耗運行。它們依靠低頻、短促的通訊突發和較長的休眠間隔來節省功耗。

實際上，這意味著僅在需要時才打開無線電，就像使用對講機那樣，僅在發送或接收資訊時短暫打開。例如，LoRaWAN感測器可能每天傳輸幾次數據，而Zigbee設備每隔幾分鐘檢查一次。其餘時間，無線電保持關閉狀態，從而大幅降低平均功耗。

調度是關鍵。同步協定使用協調的喚醒時間，而非同步系統則依賴於偶爾的信標或超低功耗喚醒接收器。工程師透過批量處理資料和使用自我調整功率控制來進一步優化，以最大限度地降低能耗。

原則很明確：保持無線電使用時間短且智慧。架構完善的系統每天只需幾毫秒即可運行無線電，從而顯著延長電池壽命。

邁向節能自主物聯網

超低功耗物聯網的未來在於智慧電源管理。設備將根據電池或採集的能量水準進行調整，在電量低時延遲非關鍵任務，並在條件最佳時最大化性能。

從光、振動或熱量中收集的能量將越來越多地補充甚至取代電池。憑藉超高效的設計，一些物聯網節點可以無限期地運作而無需手動輸入電源。我們還將看到設備之間更智慧的協作、協調傳輸，僅在需要時同步，並利用設備上的人工智慧(AI)來減少對雲端的依賴。

總而言之，未來的物聯網不僅壽命超長，還將具備自主決策能力、節能意識，目標就是穩定運作數十年。

(參考原文：Smart Design Tips for IoT Nodes to Last for Decades，by Kunvar Chokshi，EE Times China Franklin編譯)

本文原刊登於EE Times China 2025年9月雜誌

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