物聯網節點的低功耗通信電子電路研究與設計

張逸卓

（東南大學，江蘇 南京 210096）

0 引 言

物聯網的迅猛發展是當今科技領域的顯著特征之一。通過將傳感器、設備與互聯網融合，實現了設備之間的智能化通信，為人們的日常生活和產業發展帶來了巨大的便利。然而，隨著物聯網設備數量的迅速增加，低功耗通信在保證設備長期運行中尤為關鍵。傳統通信技術的高功耗導致許多物聯網設備難以在資源受限的環境下高效工作，這引發了對低功耗通信電子電路設計的迫切需求[1]。

1 低功耗通信電子電路設計

1.1 芯片選型

在微控制器選型中，深入評估了3 款主流低功耗微控制器，分別是PIC32MX170F256B、STM32F407和LPC54018，具體對比如表1 所示。由表1 可知：PIC32MX170F256B 在功耗表現較低，但性能中等，成本適中；STM32F407 在功耗上更低，性能相對較高，成本適中；LPC54018 功耗較低，性能高，但成本較高。

表1 微控制器選型對比

在通信模塊的選型中，考慮WLR089U0、CC2640R2F和SIM7000G，功耗、通信距離和成本的對比結果如表2 所示。由表2 可知：nRF52832 功耗低，適用于近距離通信，成本適中；CC2640R2F 適用于遠距離通信，功耗低，成本適中；而SIM7000G通信距離較遠，但功耗較高，成本適中[2]。

表2 通信模塊選型對比

最終選擇STM32F407 作為微控制器，搭配WLR089U0 作為通信模塊，以實現低功耗、高性能、適中成本的設計目標。

1.2 電源管理電路設計

在低功耗通信模塊的電源設計中，引入電流測量控制部分是為了實現對設備功耗的精準監測和優化[3]。該部分的關鍵作用之一是實時監測設備的功耗狀況，使系統能夠根據實際需求調整電源工作狀態，從而最大限度地降低功耗。通過電流測量，系統可以智能管理電源，延長電池壽命，動態調整電流，以適應設備在不同工作模式下的電流需求。此外，電流測量為系統提供了故障檢測、實時性能監控和智能休眠喚醒等功能，使設備在保持高效性能的同時能夠實現最大限度的節能和穩定性。電流測量控制部分在電源設計中發揮著關鍵的作用，為低功耗通信模塊提供了實時監測和智能優化的能力。

電源管理電路包括電量測量控制部分、輸入電流放大濾波部分。該電源管理系統通過這些部分的協同工作，可以實現對電流、電壓等關鍵參數的測量、控制和校準，從而確保電源系統的安全、高效運行。

1.2.1 電量測量控制部分

作為電量測量控制部分的控制器，SAMD20E17A是一款基于ARM Cortex-M0+內核的32 位微控制器，由微芯科技推出。通過SAMD20E17A 自帶的模擬數字轉換器（Analog to Digital Converter，ADC）功能模塊，可以測量與電池電量相關的模擬信號，通過編程控制，可以精確地測量電量。

1.2.2 輸入電流放大濾波部分

ADA4528 是一款超低噪聲、低漂移的精密運算放大器，適用于精密測量和控制應用。ADA4528 用于監測電源的輸入電壓，具體電路如圖1 所示，以確保電源工作在安全范圍內。如果檢測工作電流超過范圍阻斷輸出，則將電流信號通過旁路經過ADA4528 一級放大20 倍后，輸入AD8656 進行二級放大和低通濾波。

圖1 ADA4528 前端放大器

用AD8656 設計有源低通濾波器，允許低頻信號通過，同時削弱或抑制高于感興趣頻率的不需要的高頻信號。分別設計了兩路放大倍數的低通濾波，一路是增益放大2，另一路是增益放大16。

低通濾波器的截止頻率為

式中：R為電阻，取10 kΩ；C為電容，取150 pF。將數據代入式（1），得出fc為106 kHz。

濾波器的增益是輸入信號幅度增加的倍數，第一路低通濾波器的增益為2。另外一路的低通濾波器增益為16，除了R709 的電阻值替換為680 Ω，其他部分與第一路低通濾波器一致。

經過濾波和二級放大后的電流信號，輸入SAMD20E17A 芯片進行AD 轉換，測量電流信號。主控芯片根據電流信號的大小和電壓信號測量結果，計算整體功耗，控制電流具體輸出效率。

1.2.3 電流測量校準部分設計

電流測量校準部分在電流測量系統中扮演著至關重要的角色，其功能主要體現在精確度的調整、環境的補償、動態校準以及校準參數存儲等方面[4]。精確度調整是電流測量校準部分的首要任務。測量校準電路使用3 個BSH201 場效應晶體管，作為動態調整電流的控制電路。通過在場效應管的漏極接地電阻的不同阻值實現對電流的調整。BSH201 導通狀態時的導通電阻是3.3 Ω，接地電阻分別是39 Ω、2.2 kΩ、47 kΩ。對應的調整電流為78 mA、1.5 mA、57 μA。具體調整的邏輯是根據控制芯片獲得的電流檢測結果，控制相應的輸入輸出（Input/Output，I/O），從而選擇具體的調整電流。

1.3 通信模塊電路設計

文章選用的WLR089U0 遠距離無線電（Long Range Radio，LoRa）模塊采用先進的LoRa 技術，專為滿足物聯網應用的遠距離通信需求而設計。其主要特性包括卓越的通信范圍，能夠在較遠的距離內實現可靠的數據傳輸，使其成為遠程監測和控制等場景的理想選擇。關鍵的低功耗設計使得該模塊適用于使用電池供電的物聯網設備，顯著延長設備的使用壽命。

為簡化設計流程，WLR089U0 集成了射頻前端和天線匹配網絡，使其易于集成到各種應用。此外，模塊提供多種接口選項，包括通用異步收發器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART）、串行外設接口（Serial Peripheral Interface，SPI）、內部集成電路（Inter-Integrated Circuit，I2C）等，以滿足不同系統的連接需求，與主控制器和其他外部設備實現便捷的通信。連接WLR089U0 LoRa 模塊與微控制器（Micro Controller Unit，MCU）通常需要考慮模塊上的通信接口，如UART、SPI 或I2C。在具體的連接過程中，可以根據應用需求和硬件特性選擇合適的通信方式。

2 測試驗證

2.1 樣本制作與一致性驗證

為驗證電路設計的可行性，制作了2 組物理樣本，其中一組采用電源管理電路，另一組不采用。確保2組物理樣本在元件參數和連接方式上與仿真模型一致，以保障測試結果的可靠性。為模擬真實場景，樣本制作過程中注重保持與物聯網應用環境的一致性。

2.2 配置實驗環境與實際測試

在測試過程中，配置適當的電源設備，以確保對2 組樣本提供穩定的電源。同時，使用功耗計、示波器和電壓表等測量設備，全面記錄了性能參數。實驗環境的設置要符合物聯網應用場景，以保證測試結果的真實性。通過監測通信模塊的數據傳輸情況，包括傳輸速率、信噪比等，對通信模塊進行全面的性能測試[5]。

2.3 分析實際測試結果

驗證電路設計的可行性，通過對比實際測試數據與仿真結果，確保電路設計在實際應用中的可行性。著重關注2 組樣本在低功耗模式下的功耗表現，以確保電源管理電路的優越性。對比2 組樣本的功耗曲線，評估電源管理電路在不同負載條件下的性能。分析通信模塊的性能，包括信號強度、誤碼率等，并與設計目標進行比較。通過記錄相同電量下2 組樣本的使用時間，量化低功耗模式的實際效果，具體測試數據結果對比如表3 所示。

表3 測試數據結果對比

由表3 可知，采用電源管理樣本的平均功耗僅為5 mA，遠低于未采用電源管理樣本的15 mA。此外，采用電源管理的樣本在工作時間上也有明顯的優勢，達到了20 h，而未采用電源管理的樣本只有6 h。雖然兩者在通信模塊傳輸成功率和信噪比方面的差異不大，但電源管理的設計在功耗和工作時間方面具有顯著優勢，較大延長物聯網節點在實際應用中的持續工作時間。

3 結 論

文章成功設計并驗證了一種高效的物聯網節點低功耗通信電子電路。這不僅在技術層面推動了物聯網技術的可持續發展，還為在資源受限環境下的高效工作提供了創新性的解決方案。這項研究為未來物聯網設備的設計和優化提供了有益的經驗和指導。