21、嵌入式系统的电源管理、节能与网络通信技术

嵌入式系统的电源管理、节能与网络通信技术

1. 电源管理与节能

1.1 避免循环操作

在许多情况下，可通过探索其他访问外设的方式，避免执行类似的循环操作。现代串行和网络控制器配备了中断信号，若硬件无此信号，也可通过外部中断线感知事件。当设备只能以轮询模式工作时，可将操作与定时器中断关联，降低轮询频率，使 CPU 在操作间隔进入睡眠和低功耗模式，减少能耗。

例如，激活系统组件后等待就绪标志的操作，像激活内部低速振荡器的代码：

RCC_CSR |= RCC_CSR_LSION;
while (!(RCC_CSR & RCC_CSR_LSIRDY))
    ;

这种对微控制器集成外设的操作，延迟仅为几个 CPU 时钟周期，不影响实时性。但对状态和响应时间受外部因素影响的寄存器进行轮询时，可能出现长循环。

1.2 长时间不活动时的深度睡眠

• 待机模式 ：适用于有严格超低功耗要求且满足以下条件的设计：存在可行的唤醒策略且与当前硬件设计兼容；系统能在不依赖先前状态的情况下恢复执行，因唤醒时 RAM 和 CPU 寄存器内容丢失，系统从复位服务程序重新启动。较长的不活动期，如可使用 RTC 编程唤醒闹钟的情况，更适合采用待机模式。
• 停止模式 ：多数情况下，停止模式能节省足够电量，唤醒间隔更短，且唤醒策略更灵活，任何基于中断或可配置的事件都能将系统从低功耗深度睡眠中唤醒，适合与外设和接口存在异步交互的状态。

1.3 选择时钟速度

如今微控制器的处理性能与 20 年前的个人计算机相当，但嵌入式应用并非始终需要 CPU 满频运行。在访问外设而非处理大量数据时，CPU 和总线的时钟速度影响不大。当 CPU 性能不是执行瓶颈时，降低时钟频率可减少正常运行和睡眠模式的能耗。

许多微控制器可降低 CPU 和内部总线的工作频率，还能使用更低电压供电。不过，更改时钟频率需重新配置所有以时钟为参考的设备，会增加执行时间成本，应适度使用。可将 CPU 频率缩放选项分为自定义电源状态，在性能和功耗间切换。

1.4 电源状态转换

以连接传感器并通过网络接口传输数据的系统为例，其工作流程如下：
1. 激活传感器，等待数秒至其就绪。
2. 连续多次读取传感器数据，然后关闭传感器。
3. 处理、加密数据并通过网络设备传输。
4. 系统空闲数小时后重复操作。

可在大部分时间将系统置于待机模式，使用 RTC 闹钟唤醒以进行下一次数据采集。采集数据时，可采用节能运行模式，降低系统频率。仅在处理、转换和传输数据时提高性能。若传感器就绪时能发送中断信号，可在激活传感器后设置停止阶段。

各阶段关联优化的低功耗模式和工作频率后，可在设计文档中记录状态转换，以实现性能、节能和低延迟的最佳组合。

以下是该系统状态转换的 mermaid 流程图：

graph LR
    A[激活传感器] --> B[等待传感器就绪]
    B --> C[读取传感器数据]
    C --> D[处理、加密数据]
    D --> E[传输数据]
    E --> F[系统空闲]
    F --> A

2. 分布式系统与物联网架构

2.1 物联网概述

微控制器通过通信外设（如网络控制器和无线电接口）与附近设备甚至远程服务器建立数据通信。一组相互连接和交互的嵌入式目标可视为一个独立的分布式系统。采用标准或广泛支持的协议，嵌入式系统可与异构远程系统通信，实现与本地网关和远程云服务器的交互，形成物联网（IoT）。

然而，物联网通信的安全问题常被忽视，可能导致数据泄露和设备被攻击。

2.2 网络接口

嵌入式设备常集成一个或多个通信接口，如以太网接口的媒体访问控制（MAC）部分，连接物理层收发器（PHY）可实现 LAN 访问；部分设备配备无线电收发器，支持特定频率范围和协议的无线通信。

不同网络接口具有不同特点：
| 网络接口 | 特点 |
| ---- | ---- |
| 以太网 | 最可靠、最快的通信通道，许多 Cortex - M 微控制器配备以太网 MAC 控制器，需外接 PHY。设备驱动可过滤无关流量。 |
| Wi - Fi | 高速、低延迟，拓扑兼容性好，但功耗高，协议复杂。常用于连接现有基础设施以访问互联网。 |
| 低速率无线个人区域网络（LR - WPANs） | 基于 802.15.4 标准，适用于本地地理区域的传感器网络，使用低成本、低功耗收发器，支持争用解决和冲突检测。 |
| LR - WPAN 工业链路层扩展 | 如 Zigbee、ISA100.11a 和 WirelessHART 等协议，定义了 802.15.4 之上的完整协议栈，但实现互联网连接需网关转换，影响端到端通信语义和安全性。 |
| 6LoWPAN | IETF 标准化的 802.15.4 链路协议，可传输 IPv6 数据包，是 IP 兼容 LR - WPANs 的标准。支持碎片化和压缩机制，可用于构建低功耗网状网络。 |
| 蓝牙 | 物理层基于 2.4 GHz 通信，支持多种协议，包括 TCP/IP 通信。低功耗版本适用于嵌入式传感器节点，常用于短距离通信和多媒体内容交换。 |
| 移动网络 | 支持 TCP/IP 协议，可直接连接互联网，但设备复杂度、成本和能耗较高，对于传输少量信息的远程传感器设备可能过于复杂。 |
| 低功耗广域网（LPWANs） | 新兴技术，满足低成本、低功耗、长距离、窄带通信需求。如 LoRa/LoRaWAN 提供长距离高比特率通信，但协议封闭，对嵌入式市场吸引力较低。 |

2.3 选择合适的网络技术

选择网络技术时，需考虑以下因素：
1. 性能要求 ：如比特率、延迟和最大数据包大小。
2. 功耗 ：不同技术的功耗差异较大，需根据设备的电源供应和使用场景选择。
3. 成本 ：包括硬件成本和通信成本。
4. 兼容性 ：确保所选技术与现有系统和标准兼容。
5. 安全性 ：保障数据传输的机密性和完整性。

通过综合考虑这些因素，可选择最适合特定应用的网络技术，实现嵌入式系统的高效运行和物联网集成。

2.4 网络协议与安全

2.4.1 互联网协议

嵌入式系统要实现联网通信，离不开互联网协议。常见的互联网协议有 TCP/IP 协议族，它是实现网络通信的基础。在嵌入式系统中，不同的网络接口可能需要对 TCP/IP 协议进行适配。例如，以太网接口可以较为直接地支持 TCP/IP 协议，而像 802.15.4 这样的低速率无线接口，可能需要通过 6LoWPAN 协议来实现 IPv6 数据包的传输。

2.4.2 TLS 协议

TLS（传输层安全协议）用于保障网络通信的安全性。在物联网环境中，数据的传输安全至关重要，TLS 协议可以对数据进行加密，防止数据在传输过程中被窃取或篡改。嵌入式系统在与远程服务器进行通信时，特别是涉及敏感数据传输时，应该启用 TLS 协议。例如，在通过移动网络或 Wi-Fi 连接到云服务器时，使用 TLS 协议可以确保数据的机密性和完整性。

2.4.3 应用协议

应用协议定义了应用程序之间的数据交换规则。在物联网领域，常见的应用协议有 MQTT、CoAP 等。
- MQTT ：是一种轻量级的消息传输协议，基于发布 - 订阅模式，适用于资源受限的设备。它具有低带宽占用、易于实现等优点，常用于传感器数据的采集和传输。
- CoAP ：是一种专门为受限节点和受限网络设计的应用层协议，与 HTTP 协议类似，但更适合物联网设备。它支持 RESTful 接口，可用于设备之间的交互和控制。

2.5 网络安全注意事项

物联网系统面临着各种安全威胁，如数据泄露、设备被攻击等。为了保障系统的安全性，需要采取以下措施：
1. 身份认证 ：对设备和用户进行身份验证，确保只有授权的设备和用户可以访问系统。可以使用证书、令牌等方式进行身份认证。
2. 数据加密 ：对传输和存储的数据进行加密，防止数据被窃取或篡改。可以使用对称加密和非对称加密算法。
3. 访问控制 ：设置不同的访问权限，限制对系统资源的访问。例如，只允许特定的设备或用户访问某些敏感数据。
4. 安全更新 ：及时更新设备的固件和软件，修复已知的安全漏洞。

以下是物联网系统安全措施的列表总结：
| 安全措施 | 说明 |
| ---- | ---- |
| 身份认证 | 验证设备和用户身份，使用证书、令牌等方式 |
| 数据加密 | 对传输和存储的数据加密，采用对称和非对称加密算法 |
| 访问控制 | 设置不同访问权限，限制对系统资源的访问 |
| 安全更新 | 及时更新设备固件和软件，修复安全漏洞 |

3. 总结

现代嵌入式系统为低功耗甚至超低功耗设计提供了多种可能性。在电源管理方面，通过合理选择低功耗模式、调整时钟速度和进行电源状态转换，可以有效降低系统能耗，延长电池寿命。在网络通信方面，不同的网络接口和协议为嵌入式系统实现物联网连接提供了丰富的选择，但同时也需要关注网络安全问题。

在设计嵌入式系统时，需要综合考虑电源管理、网络通信和安全等多个方面的因素，以实现系统的高效运行和可靠连接。未来，随着物联网技术的不断发展，嵌入式系统将在更多领域得到应用，对电源管理和网络通信技术的要求也将越来越高。

以下是整个嵌入式系统设计要点的 mermaid 流程图：

graph LR
    A[嵌入式系统设计] --> B[电源管理]
    A --> C[网络通信]
    A --> D[安全保障]
    B --> B1[避免循环操作]
    B --> B2[选择低功耗模式]
    B --> B3[调整时钟速度]
    B --> B4[电源状态转换]
    C --> C1[选择网络接口]
    C --> C2[适配网络协议]
    C --> C3[应用安全协议]
    D --> D1[身份认证]
    D --> D2[数据加密]
    D --> D3[访问控制]
    D --> D4[安全更新]

通过对这些技术的深入理解和应用，可以设计出更加节能、高效、安全的嵌入式系统，满足物联网时代的各种需求。