備受青睞的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）包含大量連接到互聯(lián)網(wǎng)的低功耗無(wú)線設(shè)備。這些設(shè)備需要精心設(shè)計(jì)，以延長(zhǎng)其電池壽命，減少對(duì)環(huán)境的影響，并最大限度地提高制造商利潤(rùn)。

要降低無(wú)線系統(tǒng)的功耗，我們需要考慮如下11個(gè)因素：

第一：系統(tǒng)選擇

使用的無(wú)線類型取決于幾個(gè)因素，其中主要是數(shù)據(jù)速率、通信范圍和運(yùn)營(yíng)成本。選擇范圍非常廣泛，從短距離ZigBee、線程、藍(lán)牙和Wi-Fi，到遠(yuǎn)程低功率無(wú)線（如LoRa和SigFox）或蜂窩解決方案。

第二：波長(zhǎng)

一些無(wú)線波長(zhǎng)比其它波長(zhǎng)傳播得更好，而且傳播可能與提高的功率效率相關(guān)。通常，低頻率無(wú)線電波比高頻率傳播得更好，但缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)速率可能較低。例如，2.4/5GHz頻段的傳輸距離為幾十米，但每秒可傳輸數(shù)百kb的數(shù)據(jù)。而低于GHz頻段的傳輸距離可以達(dá)到幾百米甚至幾千米，但傳輸速度可能只有每秒幾個(gè)kb。無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)通過(guò)在節(jié)點(diǎn)之間轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)來(lái)擴(kuò)展傳輸距離。

第三：微控制器的待機(jī)功耗

很多微控制器都聲稱自己是低功耗的。但是，一些僅在待機(jī)狀態(tài)下低功耗，另一些則在運(yùn)行時(shí)也保持低功耗。設(shè)備待機(jī)的頻次決定了哪一個(gè)才是關(guān)鍵參數(shù)。如果設(shè)備通常都處于待機(jī)狀態(tài)，就要考慮深度睡眠的功耗。如果設(shè)備總是處于喚醒狀態(tài)，例如監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)，那么關(guān)鍵參數(shù)就變成了工作功耗。

第四：電源

電源是電池供電設(shè)備的關(guān)鍵考慮因素。一旦你為產(chǎn)品選定了合適的供電方式，比如是用戶可更換的電池（AA，AAA等）還是可充電電池（如鋰離子聚合物電池

Li-Po），就可以進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化。環(huán)境溫度（特別冷或特別熱）對(duì)電池使用壽命有很大影響，就像電池放電曲線一樣。低功率無(wú)線電設(shè)備在睡眠時(shí)一般功耗非常少，在喚醒時(shí)會(huì)使用大量電流進(jìn)行接收和發(fā)射，某些類型的電池可能無(wú)法很好地處理這種情況。

第五：上拉及其它設(shè)計(jì)技巧

低功耗無(wú)線系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要注意無(wú)線電路之外的一些細(xì)節(jié)，例如上拉電阻。這些需要進(jìn)行優(yōu)化才能最大限度地延長(zhǎng)電池壽命。例如，可通過(guò)添加有源器件（如FET）來(lái)打開和關(guān)閉器件和上拉電阻。

如果您決定在設(shè)計(jì)中使用FET，請(qǐng)用心選擇。即使只消耗了幾毫安，你也會(huì)發(fā)現(xiàn)額定功率為幾安的高功率器件的Vf（正向電壓）較低，這意味著FET導(dǎo)通時(shí)浪費(fèi)的電能更少。

第六：電子表格

使用電子表格便于確定應(yīng)該做出哪些折衷來(lái)獲得可行的設(shè)計(jì)。

電子表格可用于查看傳輸或接收時(shí)序的平衡如何影響電池壽命，以及傳輸應(yīng)持續(xù)多長(zhǎng)時(shí)間，以便確定穩(wěn)壓器在電壓范圍和電流要求方面的效率。

第七：功率測(cè)量

標(biāo)準(zhǔn)萬(wàn)用表的采樣率比較低，容易錯(cuò)過(guò)與傳輸相關(guān)的短RF突發(fā)。要進(jìn)行功率測(cè)量，最好使用帶數(shù)學(xué)函數(shù)的示波器，或高頻萬(wàn)用表。作為替代方案，用瓦時(shí)計(jì)可測(cè)量長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的功率累加之和。

第八：天線調(diào)諧

如果傳輸范圍很重要，請(qǐng)務(wù)必調(diào)整天線。這樣可以在不增加系統(tǒng)功率預(yù)算的情況下最大化設(shè)備的能效。

第九：TX功率

不要在不必要的情況下提高輸出功率。例如，如果你的無(wú)線傳輸距離只需10米，就不需要5dB的輸出功率，否則只會(huì)浪費(fèi)電能，并縮短電池使用壽命。

第十：批量測(cè)試

使用電池供電的低功耗設(shè)備，可以在接近器件性能極限的情況下工作。例如，對(duì)于FET和其它依賴于低壓降的有源器件，設(shè)備之間總會(huì)出現(xiàn)可能影響性能的特征變化。這意味著使用批處理方式進(jìn)行批量測(cè)試是值得的，以確保任何變化都不會(huì)影響最終系統(tǒng)的運(yùn)行。

使用SPICE仿真器來(lái)模擬設(shè)計(jì)的一些簡(jiǎn)單部分，比如在極端溫度和高壓范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)試，這樣在大批量生產(chǎn)時(shí)就可以避免很多問題。

第十一：發(fā)射器脈沖

當(dāng)發(fā)射器開啟時(shí)，低功率無(wú)線電設(shè)備會(huì)處于最大功率狀態(tài)。盡可能減少必須傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，使“開啟”時(shí)間最短，比如可以使用二進(jìn)制或zip格式壓縮較大的文件來(lái)減少數(shù)據(jù)量。

在開發(fā)智能家居產(chǎn)品、遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備或許多其它物聯(lián)網(wǎng)解決方案時(shí)，我們的嵌入式設(shè)計(jì)顧問在設(shè)計(jì)低功耗系統(tǒng)時(shí)始終會(huì)考慮以上11個(gè)注意事項(xiàng)。