據(jù)Omdia估計(jì)，到2023年底，全球物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備安裝量接近380億臺，到2030年將達(dá)到820億臺。可穿戴設(shè)備市場發(fā)展同樣如火如荼。低功耗設(shè)計(jì)已成為以上行業(yè)硬件開發(fā)者的核心戰(zhàn)場，也是決定產(chǎn)品成敗的核心要素之一。

無線傳感器作為典型代表，由于具備卓越的環(huán)境監(jiān)測能力和便捷的安裝優(yōu)勢，在各類應(yīng)用場景中得到廣泛部署。然而，依賴電池供電也對設(shè)計(jì)者提出了更高要求——必須確保設(shè)備僅在必要時(shí)激活，其他時(shí)間均保持低功耗模式，從而延長續(xù)航、優(yōu)化用戶體驗(yàn)并提升部署可行性。

傳統(tǒng)低功耗測試技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中面臨多重挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)直接影響設(shè)備的續(xù)航、用戶體驗(yàn)以及整體系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。

低功耗設(shè)計(jì)的行業(yè)挑戰(zhàn)

1.精準(zhǔn)捕捉動態(tài)功耗

• 工作模式頻繁切換

物聯(lián)網(wǎng)和可穿戴設(shè)備需要在多種模式間快速切換，如休眠模式、激活模式、數(shù)據(jù)傳輸中等。例如，智能手表可能每5min自動檢測心率、血氧、血壓、體溫等，檢測完畢后根據(jù)特殊算法轉(zhuǎn)化成數(shù)值送到后臺軟件。在這一過程中，電流可能會從微安級瞬間飆升至毫安級，再迅速回落至待機(jī)狀態(tài)。

• 實(shí)際案例

某美國品牌電暖氣在無線傳感器傳輸數(shù)據(jù)后未能正確進(jìn)入低功耗休眠狀態(tài)，導(dǎo)致設(shè)備在待機(jī)期間電流異常增加，迅速耗盡電池電量。由于這一問題在圣誕節(jié)期間未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，許多家庭在嚴(yán)寒中面臨電暖氣失效的困境。若在研發(fā)階段通過精準(zhǔn)測試捕捉到這種間歇性異常，完全可以避免此類品牌危機(jī)。

2. 復(fù)雜電源管理策略的覆蓋測試

現(xiàn)代低功耗設(shè)備通常采用多層次電源管理技術(shù)，測試過程中需要涵蓋所有可能的狀態(tài)組合。然而，由于組合數(shù)量龐大，僅依賴人工測試難以全面覆蓋。此外，不同模式切換時(shí)可能出現(xiàn)瞬間電流峰值，從而影響整體能耗表現(xiàn)和電池壽命。

3. 多重環(huán)境條件的真實(shí)模擬

設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用中往往面臨復(fù)雜多變的環(huán)境（例如溫度、濕度及其他氣候因素），這些條件對功耗有顯著影響。例如，在低溫環(huán)境下，鋰電池容量會降低，可能導(dǎo)致設(shè)備因電壓不足而意外關(guān)機(jī)；而在高溫條件下，漏電流的增加則會加速電池能量消耗。此外，電池在老化過程中表現(xiàn)各異，提前在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中進(jìn)行多因素聯(lián)合模擬對于準(zhǔn)確評估設(shè)備性能至關(guān)重要。

更多細(xì)節(jié)請參見溫度如何影響物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備電池壽命。

4. 調(diào)試器干擾問題

在實(shí)際調(diào)試過程中，連接調(diào)試器往往會對功耗測量產(chǎn)生干擾。每次進(jìn)行功耗測試時(shí)需要手動斷開調(diào)試器，不僅嚴(yán)重影響測量準(zhǔn)確性，同時(shí)增加了額外的操作工作量和時(shí)間成本。

5. 長周期測試與效率矛盾。

可穿戴設(shè)備的續(xù)航評估可能需要模擬數(shù)月甚至數(shù)年的使用情況，而某些物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備（例如農(nóng)業(yè)傳感器）雖然每日僅工作幾分鐘，但要求設(shè)備在數(shù)年內(nèi)無需更換電池。如何在有限測試時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確預(yù)測設(shè)備的長期能耗表現(xiàn)，是一項(xiàng)亟待解決的難題。

6. 設(shè)備多組件交互與系統(tǒng)整體優(yōu)化。

現(xiàn)代設(shè)備通常由MCU、傳感器、無線模塊等多個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成，單一模塊的功耗優(yōu)化不一定能轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)整體能耗的改善。各模塊之間的協(xié)同工作及交互效應(yīng)需要綜合考量，才能實(shí)現(xiàn)真正的低功耗優(yōu)化。

7. 量產(chǎn)一致性與成本控制。

傳統(tǒng)抽樣測試難以覆蓋所有量產(chǎn)產(chǎn)品中的潛在問題。例如，由于電容漏電流超標(biāo)，部分設(shè)備可能在待機(jī)狀態(tài)下出現(xiàn)異常電流，最終引發(fā)客戶退換貨。為降低風(fēng)險(xiǎn)，建議采用自動化產(chǎn)線測試、單臺設(shè)備全模式測試及多設(shè)備并行測試等手段，以確保量產(chǎn)產(chǎn)品在性能和能耗上的一致性。

傳統(tǒng)測量工具局限

1. 采樣率不足

傳統(tǒng)萬用表或常規(guī)分析儀的采樣率較低，容易錯失無線模塊啟動時(shí)的電流浪涌等瞬態(tài)峰值。雖然現(xiàn)代數(shù)字萬用表在精度上有所提升，但其設(shè)計(jì)主要針對固定范圍和靜態(tài)信號，自動量程切換及信號穩(wěn)定時(shí)間較長，難以捕捉瞬間電流波動，導(dǎo)致關(guān)鍵數(shù)據(jù)丟失。

2. 自動化模擬能力不足

傳統(tǒng)工具難以通過編程接口實(shí)現(xiàn)自動化測試，而Otii則支持通過Python API進(jìn)行自動批量測試，可對不同電源模式組合下的功耗表現(xiàn)進(jìn)行高效評估。

3. 電池老化場景模擬受限

傳統(tǒng)方法往往依賴昂貴且難以精確控制參數(shù)的物理環(huán)境箱，無法同時(shí)模擬多重因素（如低溫、濕度和循環(huán)次數(shù)）的綜合作用。例如，在零下20℃環(huán)境下進(jìn)行200次電池循環(huán)測試，傳統(tǒng)方法不僅成本高，而且難以復(fù)現(xiàn)真實(shí)使用場景。

4. 長時(shí)間實(shí)時(shí)測試效率低

為確保真實(shí)場景下的功耗細(xì)節(jié)，傳統(tǒng)測試需讓傳感器連續(xù)運(yùn)行數(shù)周，但這種方式效率極低。開發(fā)人員不得不采用加速測試策略，而時(shí)間壓縮可能會遺漏部分關(guān)鍵功耗信息，同時(shí)在模擬時(shí)間跳躍過程中還需要確保設(shè)備狀態(tài)的準(zhǔn)確延續(xù)

5. 軟硬件協(xié)同測試?yán)щy

低功耗優(yōu)化往往需要硬件與軟件的協(xié)同調(diào)試。傳統(tǒng)工具難以實(shí)現(xiàn)軟件日志與功耗曲線的實(shí)時(shí)關(guān)聯(lián)，導(dǎo)致硬件工程師和軟件工程師在問題定位時(shí)各自為政，從而延長了整體測試周期。

創(chuàng)新型Otii解決方案

為滿足物聯(lián)網(wǎng)和可穿戴設(shè)備低功耗測試的嚴(yán)苛要求，必須突破傳統(tǒng)測量工具的局限，實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)：

• 動態(tài)高精度測量：捕捉瞬態(tài)電流變化。
• 真實(shí)環(huán)境下的電池模擬：通過軟件定義方式模擬任意電池曲線，精確重現(xiàn)電池在不同溫濕度和老化條件下的表現(xiàn)。
• 軟硬件數(shù)據(jù)深度融合分析：自動對齊軟件日志與功耗曲線，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體的精準(zhǔn)調(diào)試。
• 自動化與批量測試能力：支持多通道并行測試，大幅提升測試效率。

為應(yīng)對上述挑戰(zhàn)，Qoitech推出了全面的Otii解決方案，包括：

• 硬件產(chǎn)品：Otii Arc Pro 和 Otii Ace Pro。
• 專用應(yīng)用程序：直觀易用的Otii軟件，支持實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控和分析。
• 擴(kuò)展工具箱：包括Otii電池工具箱和Otii自動化工具箱，進(jìn)一步提升測試靈活性和精度。

1.高精度高采樣率

Otii Ace Pro儀器可監(jiān)測 25nA 至 5A 的負(fù)載電流，精度高達(dá) 0.05%，電流和電壓測量采樣率均可高達(dá)50ksps。 Otii Arc Pro可監(jiān)測 50nA 至 5 A 的負(fù)載電流，精度高達(dá) 0.1%，電流和電壓測量采樣率分別高達(dá)4ksps和1ksps。

2. 自動化調(diào)試

Otii儀器設(shè)備里有配電盤，可在自動化設(shè)置中使用它來自動關(guān)閉/打開調(diào)試器與被測設(shè)備的USB連接。Otii儀器的GPO可實(shí)現(xiàn)此鏈接的自動連接和斷開功能。用戶可以使用一個(gè)簡單的腳本將計(jì)算機(jī)連接到被測設(shè)備，對其進(jìn)行刷新，然后再次斷開與被測設(shè)備的連接。

3. Otii電池工具箱

• 電池仿真模擬。 能夠模擬并仿真電池在不同溫度、濕度和老化條件下的行為，并支持參數(shù)的精細(xì)調(diào)控，確保測試結(jié)果與實(shí)際應(yīng)用高度匹配。

圖1：Otii電池工具箱可電池模擬

圖2：Otii電池工具箱可進(jìn)行電池驗(yàn)證

• 電池驗(yàn)證。 

。電池可批次驗(yàn)證，測量一定數(shù)量的電池，靈活根據(jù)測試目標(biāo)調(diào)整測量設(shè)備數(shù)量。
。通過組合不同類型的狀態(tài)來構(gòu)建電池配置，放電、睡眠、充電模式。對于放電，同樣可以靈活設(shè)置子步驟。
。循環(huán)電池，驗(yàn)證在其性能下降到可接受的水平以下可進(jìn)行多少次完全充電和放電。

• 電池分析。 

。連接與要放電的電池?cái)?shù)量相同的設(shè)備。多個(gè) Otii 盒可通過有源 USB 集線器輕松連接。所有連接的電池都將使用相同的選定配置文件進(jìn)行放電。
。創(chuàng)建電池的放電配置文件，其中的放電條件可反映您的應(yīng)用的行為方式。有兩種放電級別：分別用于睡眠和活動模式的低放電和高放電。
。有三種方式選擇電池放電：恒定電流，恒定功率以及模擬連接到電池的電阻來放電。

4. 使用 UART 調(diào)試日志調(diào)試功率測量

• 用戶能夠?qū)⒉恍枰�的電流峰值和升高的能耗與 UART 輸出直接關(guān)聯(lián)起來，從而精確定位需要優(yōu)化的特定區(qū)域。


圖3：測試時(shí)可精確定位UART日志

總結(jié)以上傳統(tǒng)工具和Otii解決方案：

   
案例分享

2020年，來自 Elektor 公司的工程師 Clements 試用了 Otii 進(jìn)行低功耗測試。他選用了一塊 BBC micro:bit 板，并在上面集成了 BME280 氣象數(shù)據(jù)傳感器，運(yùn)行基于 Arduino 的 MySensors 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)軟件。該設(shè)備在測試過程中每秒讀取一次傳感器數(shù)據(jù)并傳輸，其他時(shí)間則處于低功耗狀態(tài)。

Clements 表示：“在本次測試中，我沒有采用示波器，因?yàn)樵O(shè)置低噪聲、高精度的差分放大器非常繁瑣，尤其是當(dāng)需要連續(xù)監(jiān)控?cái)?shù)分鐘乃至數(shù)小時(shí)的測量數(shù)據(jù)時(shí)，極為不便。而即使是帶鎖定功能的高精度萬用表，在這種場景下也難以勝任。Otii 在捕捉不同負(fù)載下的瞬時(shí)電流變化時(shí)，表現(xiàn)出了極高的分辨率，能夠精準(zhǔn)監(jiān)控設(shè)備在軟件運(yùn)行期間的功耗，從而準(zhǔn)確預(yù)測電池壽命。”

借助 Otii 軟件，Clements 成功將設(shè)備所使用紐扣電池的續(xù)航時(shí)間從原來的 12 小時(shí)延長至近 30 天。詳細(xì)的測試操作視頻請參見這里。

圖4：Clements 使用Otii測試

圖5：經(jīng)過多番優(yōu)化，電流消耗顯著降低

請繼續(xù)關(guān)注Qoitech中國，小編將為你分享更多實(shí)際案例解讀。

結(jié)語：

綜上所述，隨著物聯(lián)網(wǎng)與可穿戴設(shè)備對低功耗要求不斷提升，傳統(tǒng)測試工具已難以滿足精細(xì)動態(tài)采樣和電池模擬的需求。Otii憑借高精度采樣、自動化批量測試及軟硬件數(shù)據(jù)同步優(yōu)勢，為產(chǎn)品功耗優(yōu)化提供了全新解決方案，有效延長了設(shè)備續(xù)航。該方案不僅大幅縮短了測試周期，還提高了數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，助力工程師在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期迅速發(fā)現(xiàn)并解決問題，實(shí)現(xiàn)成本與性能的雙重優(yōu)化。未來，Otii將持續(xù)引領(lǐng)低功耗技術(shù)創(chuàng)新，助力行業(yè)邁向更高能效標(biāo)準(zhǔn)，成為研發(fā)與生產(chǎn)環(huán)節(jié)不可或缺的利器。