低功耗、精準檢測、超長待機，物聯(lián)網(wǎng)設備助力實現(xiàn)“雙碳”目標

在實現(xiàn)“碳達峰”和“碳中和”的“雙碳”目標過程中，廣泛存在的物聯(lián)網(wǎng)設備是一個重要抓手。根據(jù)市場研究機構(gòu)IoT Analytics發(fā)布的報告顯示，2022年全球物聯(lián)網(wǎng)連接數(shù)達到143億；預計到2023年，這一數(shù)量將再增長16%，達到160億個。

圖1：全球物聯(lián)網(wǎng)設備統(tǒng)計及未來預測

（圖源：IoT Analytics）

歸納起來，物聯(lián)網(wǎng)可以從三個方面幫助各行業(yè)實現(xiàn)“雙碳”目標。其一是通過智能物聯(lián)來實現(xiàn)降能增效，在這個理念下，老設備和新設備都將會被逐步接入到物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中；其二是通過無源物聯(lián)網(wǎng)讓更多的應用免受電池供電的限制，在減少電池原材料消耗的同時，進一步提升物聯(lián)網(wǎng)在各行業(yè)的滲透率；其三是物聯(lián)網(wǎng)幫助實現(xiàn)新能源系統(tǒng)的高效管理，從能源源頭降低碳排放。

在這三大舉措中，布設物聯(lián)網(wǎng)方案應用將會用到各種各樣的節(jié)能技術(shù)，也就會用到種類豐富的電子元器件。本文我們將圍繞貿(mào)澤電子官網(wǎng)在售的、優(yōu)秀的電子元器件展開，看看哪些類型的元器件將會在“雙碳”進程中發(fā)揮重要作用和價值。

能夠快速部署的低功耗物聯(lián)網(wǎng)很關(guān)鍵

如上所述，通過智能物聯(lián)來實現(xiàn)降能增效，已經(jīng)成為各行各業(yè)未來發(fā)展的趨勢和共識。以前，建筑、工業(yè)、交通等領域的設備存在能耗數(shù)據(jù)不完整、信息獨立等問題，不僅管理難度很大，且存在明顯的能源浪費問題。物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)很好地解決了這個問題，通過對數(shù)據(jù)的采集、存儲、傳輸、分析和決策，做到能源管理的可視化、信息化，進而實現(xiàn)節(jié)能減排。

物聯(lián)網(wǎng)方案架構(gòu)大致分為三層，分別是應用層、服務層和網(wǎng)絡層。其中，應用層主要是各種設備，然后是設備互聯(lián)組成的系統(tǒng)；服務層又分為建模服務層和通信基礎服務層，主要是用于實現(xiàn)系統(tǒng)應用方案的構(gòu)建，包括網(wǎng)絡、底層協(xié)議和硬件等；網(wǎng)絡層顧名思義就是提供設備間互聯(lián)的網(wǎng)絡通訊。

通過上述部署，就能夠打破原有系統(tǒng)內(nèi)的信息孤島問題，實現(xiàn)統(tǒng)一部署和統(tǒng)一管理，然后找到關(guān)鍵節(jié)點逐步優(yōu)化系統(tǒng)的能耗。

當然，在具體的方案開發(fā)過程中，有兩點是非常重要的：在設備之間額外加入的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)需要具備低功耗的屬性，以此避免給系統(tǒng)造成額外的能耗負擔；物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)需要具備易于開發(fā)的特性，防止新增加的系統(tǒng)出現(xiàn)二次信息孤島的情況。

針對這兩點，我們以貿(mào)澤電子官網(wǎng)在售的一款無線MCU來展開說明。該器件來自制造商Texas Instruments（TI），貿(mào)澤電子官網(wǎng)上該器件的料號為CC2652P74T0RGZR。

圖2：CC2652P74T0RGZR

（圖源：貿(mào)澤電子）

CC2652P74T0RGZR是一款多協(xié)議無線MCU，屬于TI SimpleLink MCU平臺的一部分。該器件支持的協(xié)議包括Thread、Zigbee、Matter、藍牙5.2低功耗、IEEE 802.15.4、支持IPv6的智能對象（6LoWPAN）、TI 15.4-Stack（2.4GHz）和通過動態(tài)多協(xié)議管理器（DMM）驅(qū)動器實現(xiàn)的并發(fā)多協(xié)議，因此能夠適用于豐富的物聯(lián)網(wǎng)應用場景。

CC2652P74T0RGZR在低功耗和穩(wěn)定性方面做了針對性增強。該器件具有系統(tǒng)性低功耗性能，支持3.10mA有源模式，運行CoreMark時的功耗表現(xiàn)為65μA/MHz。在保持144KB RAM時，具有0.9μA的低待機電流。該器件還支持0.1μA關(guān)斷模式，可設置引腳喚醒。

另外，CC2652P74T0RGZR還具有基于Arm Cortex-M0打造的4KB SRAM的自主MCU，作為超低功耗的傳感器控制器，能夠快速喚醒進入低功耗運行，完成采樣、存儲和處理傳感器數(shù)據(jù)的工作。這款傳感器控制器2MHz模式下為29.2μA，24MHz模式下為799μA。

圖3：CC2652P74T0RGZR系統(tǒng)框圖

（圖源：TI）

CC2652P74T0RGZR能夠長期保證物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。該器件具有低SER（軟錯誤率）FIT（時基故障），可延長運行壽命。同時，器件內(nèi)搭載的SRAM奇偶校驗功能始終開啟，可更大程度地降低因潛在輻射事件導致的損壞風險。TI制定了產(chǎn)品生命周期政策，以保證包括CC2652P74T0RGZR在內(nèi)的產(chǎn)品能夠擁有10至15年或者更久的產(chǎn)品生命周期。

當然，在保證低功耗和耐久性的同時，CC2652P74T0RGZR并沒有犧牲系統(tǒng)性能和易用性。該器件擁有功能強大的48MHz Arm Cortex-M4F處理器、704KB閃存程序存儲器和256KB ROM。具有高效的內(nèi)置PA，在2.4GHz頻帶中TX支持+10dBm（21mA）和+20dBm（101mA）的輸出功率。CC2652P7的接收靈敏度為-104dBm（對于125kbps的低功耗藍牙編碼PHY）。

作為SimpleLink MCU平臺的一部分，CC2652P74T0RGZR的易用性也是毋庸置疑的。這一MCU平臺包括Wi-Fi、低功耗藍牙、Thread、Zigbee、Wi-SUN、Amazon Sidewalk、MIOTY、Sub-1GHz MCU和主機MCU。CC2652P74T0RGZR具體屬于可擴展產(chǎn)品系列（閃存為32KB至704KB）的一部分，具有引腳對引腳兼容的封裝選項。

通過CC13xx和CC26xx軟件開發(fā)套件（SDK）及SysConfig系統(tǒng)配置工具，SimpleLink MCU平臺內(nèi)的器件可支持靈活的遷移。此外，豐富的軟件棧、應用示例和SimpleLink Academy培訓課程則能夠幫助用戶大幅縮短開發(fā)周期。

基于上述優(yōu)勢性能，電網(wǎng)基礎設施、樓宇自動化、零售自動化、個人電子產(chǎn)品和醫(yī)療應用等領域的物聯(lián)網(wǎng)用戶，都能夠享受CC2652P74T0RGZR帶來的低功耗無線通信和高級傳感功能。

能耗精準檢測讓高耗能設備無所遁形

系統(tǒng)部署完成之后，工作并沒有結(jié)束，此后物聯(lián)網(wǎng)方案實際上還是處于一個動態(tài)的優(yōu)化過程中，其中一個監(jiān)測和優(yōu)化項就是功耗。

在“雙碳”目標下，各行業(yè)部署物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)并非只是簡單地讓設備聯(lián)網(wǎng)，還需要具備很多智能化的能力，進而在整個大系統(tǒng)下打造很多小系統(tǒng)，包括基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)的能耗監(jiān)測系統(tǒng)。

能耗監(jiān)測系統(tǒng)目前已經(jīng)非常成熟，比如在智能工廠里，空調(diào)、通風、照明、產(chǎn)線設備等基本都會被監(jiān)測，然后通過云平臺對各類型設備進行精準監(jiān)測和分析，以持續(xù)性降低系統(tǒng)運行的成本，實現(xiàn)降能增效的目標。

目前，在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，能耗監(jiān)測系統(tǒng)的部署已經(jīng)非常深入，細節(jié)到每一個子系統(tǒng)都會被監(jiān)測到，那么這其實是非?？简炏到y(tǒng)內(nèi)元器件的能力的。接下來，我們?yōu)榇蠹彝扑]一款適用于低功耗系統(tǒng)監(jiān)視的高精度電壓檢測器，同樣是來自制造商TI，貿(mào)澤電子官網(wǎng)上該器件的料號為TPS37AB7806FDSKRQ1。

圖4：德州儀器TPS37xx低功耗高精度電壓檢測器（圖源：貿(mào)澤電子）

TPS37AB7806FDSKRQ1是一款低功耗、高精度、小型化的雙通道電壓檢測器。該器件上的SENSE1和SENSE2引腳在輸入時具有滯后特性，可抑制短小毛刺脈沖，從而確保輸出操作穩(wěn)定而無錯誤觸發(fā)。

TPS37AB7806FDSKRQ1提供可調(diào)感測的輸入特性，通過搭配一個外部電阻分壓器配置來實現(xiàn)。具體表現(xiàn)為，當SENSE1或SENSE2輸入上的電壓低于下降閾值時，OUT1或OUT2相應降為低電平。當SENSE1或SENSE2上升到高于上升閾值時，OUT1或OUT2相應變?yōu)楦唠娖健?/p>

TPS37AB7806FDSKRQ1具有2μA（典型值）的超低靜態(tài)電流，能夠提供一套精準、高精度且節(jié)省空間的電壓檢測解決方案，適用于低功耗系統(tǒng)監(jiān)視。

圖5：TPS37AB7806FDSKRQ1典型應用電路

（圖源：TI）

除了應用于DSP、微控制器和微處理器等系統(tǒng)電路的低功耗系統(tǒng)監(jiān)視，TPS37AB7806FDSKRQ1還可用于便攜式醫(yī)療設備、樓宇自動化、固態(tài)硬盤、便攜式充電設備等領域。同時，TI TPS37xx-Q1系列通過了AEC-Q100認證，也可用于汽車應用。

低待機功耗物聯(lián)網(wǎng)方案是大勢所趨

在“雙碳”目標下，致力于低功耗設計的元器件一方面是要降低系統(tǒng)的運行功耗，另一方面也要延長系統(tǒng)的待機時長，并以極低的功耗讓系統(tǒng)進入待機狀態(tài)。從物聯(lián)網(wǎng)的角度來講，系統(tǒng)并非時時都在進行外部通信，很多時候系統(tǒng)一直都在等待觸發(fā)電源的指令，不執(zhí)行任何功能，這個時候降低待機功耗對降低系統(tǒng)總功耗幫助巨大。

就以MCU來說，很多時候為了降低待機功耗，MCU在待機狀態(tài)下不僅是CPU停止工作，程序狀態(tài)字PSW累加器、ACC以及全部的通用寄存器等通常都會被凍結(jié)以降低待機功耗。同時，外圍的配套電路也需要做配合。

下面介紹的這款器件便是用于打造極低待機功耗的設備，來自制造商ROHM Semiconductor，貿(mào)澤電子官網(wǎng)該器件的料號為BD9B500MUV-E2。

圖6：BD9B500MUV-E2

（圖源：貿(mào)澤電子）

BD9B500MUV-E2是ROHM Semiconductor BD9x集成式MOSFET DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器中的一款。該系列器件是內(nèi)置功率MOSFET的同步降壓開關(guān)穩(wěn)壓器，提供從1A至6A的電流范圍，采用恒定導通時間控制系統(tǒng)，提供快速瞬態(tài)響應，從而實現(xiàn)了低電感下的高振蕩頻率。這些器件采用原始的恒定導通時間控制方法，輕負載時的功耗較低。

圖7：ROHM Semiconductor BD9x集成式MOSFET DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器典型應用電路

（圖源：ROHM Semiconductor）

綜合上述性能優(yōu)勢，ROHM Semiconductor BD9x集成式MOSFET DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器非常適合打造需要極低待機功耗的設備，待機電流為0μA（典型值）至10μA（極大值）。同時，該系列器件提供豐富的保護功能，包括過流保護、短路保護、熱關(guān)斷保護、欠壓閉鎖保護等。

在“雙碳”目標下

物聯(lián)網(wǎng)未來大有可為

上述內(nèi)容主要圍繞應用端做分析，實際上正如開篇提到的，在能源供給一側(cè)，物聯(lián)網(wǎng)的價值也是不可估量的。國際能源署在新的《可再生能源市場更新報告》中指出，由于政策支持、化石燃料價格上漲、太陽能和風能發(fā)電項目的積極推進，預計2023年全球可再生能源裝機容量將新增1/3，明年全球可再生能源發(fā)電量將繼續(xù)增長。

借助能源供應端和市場應用端巨大的需求，未來的物聯(lián)網(wǎng)方案部署空間是巨大的，同時物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也會成為能源供給中的關(guān)鍵技術(shù)，進而幫助各個行業(yè)完成自己的“雙碳”目標。