本帖最后由 jerry尧 于 2025-8-22 15:52 编辑
在应用中中心控制器与外围设备的通信必然需要用到各种接口，不同接口的速度、功耗、距离必然有差异，这是一个非常实际且重要的问题。各种通信接口的功耗差异巨大，选择适合的低功耗接口对低功耗设备来说也是至关重要的。
功耗相关的几个概念：
工作电压：接口的供电电压，低电压通常是低功耗的基础（如1.8V, 3.3V, 5V）。
静态/待机功耗：当接口空闲、未传输数据时的功耗。这是电池供电设备非常关键的指标。
动态/传输功耗：在主动传输数据时的功耗。通常与数据速率正相关，速率越高，单位时间内功耗越大。
峰值电流：在启动或发送/接收数据瞬间的最大电流，影响电源电路设计。
通信距离：功耗与通信距离强相关，长距离通信通常需要更高功耗。
接口通常分为有线和无线两大类
1.有线接口通常功耗较低，且通信距离短，信号衰减小。常用的板载有线通信接口为IIC，SPI，UART，USB。
IIC- 两线制（SDA, SCL） 地址寻址，支持多从机；速率较低（标准模式100kbps，快速模式400kbps）； 静态功耗极低：通过上拉电阻维持高电平，空闲时几乎不耗电； 动态功耗低：速率不高，总线电容小，翻转电流很小。在IIC总线中其功耗随上拉电阻阻值和总线频率变化。主要用于板载低速传感器（温度、湿度）、EEPROM、RTC时钟等。
SPI- 四线制（MISO, MOSI, SCK, CS） 全双工，速率高（可达数十Mbps）； 主机-从机结构，需要更多引脚； 静态功耗：片选（CS）线不激活时，从机处于低功耗状态。动态功耗：由于速率很高，在高速传输时功耗会显著高于IIC。时钟线不断翻转也会带来固定开销。主要用于高速板载设备（Flash存储器、ADC转换器、显示屏控制器）。
UART - 异步串行（TX, RX） 点对点通信，简单灵活； 速率范围宽（9600bps ~ 数Mbps） 静态功耗：线路空闲时为高电平，有固定电流（由上拉电阻引起）。动态功耗：功耗与波特率正相关，但整体不高。常与RS-232/RS-485等标准配合用于长距离有线通信，后者驱动功耗会显著增加。主要用于单片机调试日志输出、GPS模块、短距离板间通信。
USB- 复杂协议，支持热插拔和供电； 速率极高（USB 2.0: 480Mbps, USB 3.0: 5Gbps）静态功耗：主机和设备端都有控制器，待机时有一定功耗。动态功耗：接口电路复杂，高速串行化/解串行化需要巨大功耗。 供电能力：USB本身可提供最高5V/500mA（USB 2.0）或更高（USB 3.0+）的电源，但这不代表设备功耗高，而是供电能力强。外设连接（键鼠、U盘）、设备充电、数据传输。
2.无线接口功耗主要消耗在射频信号的生成、放大和接收上，因此普遍远高于有线接口。
蓝牙低功耗（BLE）- 为IoT设计，主打低功耗； 短距离（10-100m）；速率中等（1-2Mbps） ； 待机功耗极低：设备大部分时间处于深度睡眠状态，每秒只在极短的时间窗口“醒来”监听信号。传输功耗低：数据传输速度快，“速战速决”，完成后立即回到睡眠状态，平均功耗非常低。峰值电流约10-20mA。 主要用于可穿戴设备（手环）、智能家居传感器（门磁、温控）、Beacon。
Zigbee- Mesh组网，自愈合；低速率（250kbps）；短距离（10-100m）；功耗与BLE类似，也采用低占空比的工作周期（睡眠+唤醒）。路由节点功耗高于终端设备，因为路由需要为其他节点中继数据，不能一直睡眠。 主要用于工业物联网（IIoT）、智能楼宇自动化、复杂的传感器网络。
LoRa - LPWAN（低功耗广域网）超远距离（1-10km+）极低速率（0.3-50kbps） 核心优势：在超远距离下实现低功耗。通过扩频技术，获得了极高的链路预算，发射功率效率很高。功耗特性：待机电流仅1~2μA。发射时功耗较高（峰值电流~100mA），但因其数据量小，发送时间短，平均功耗依然极低。主要用于远距离农业传感器、智能城市（智能停车、垃圾桶监测）、环境监测。
Wi-Fi - 高速率（数十至数百Mbps） 中等距离（50m以内） 基于IP协议，连接互联网方便。静态功耗高：需要持续保持网络连接，监听路由器信标，即使空闲也有较高功耗。动态功耗极高：高速数据传输和复杂的协议处理（TCP/IP）需要大量计算和射频功率，峰值电流可达200mA以上。主要用于需要高速数据传输或持续互联网连接的设备（智能相机、电视、家电）。
蜂窝网络（4G/5G CAT-M/NB-IoT） 广域覆盖，利用现有基站。距离极远（以km计）传统4G/5G模块：功耗巨大，类似一直开着的手机，仅用于车辆、电力等有持续供电的场景。
NB-IoT/CAT-M：为IoT优化，支持PSM（省电模式）和eDRX（扩展不连续接收），大幅降低待机功耗，平均电流可降至微安级别。但连接和传输数据时功耗仍然较高。主要用于共享单车、远程水电表、资产追踪、应急报警。
选择低功耗接口时需要考虑以下因素：
数据量：数据量小、偶尔发送？选 BLE、LoRa、Zigbee。数据量大或需要流媒体？Wi-Fi 或有线。
通信距离：板内：I²C、SPI。设备间（几米）：UART、BLE。家庭内（几十米）：BLE、Zigbee、Wi-Fi。公里级：LoRa、NB-IoT。
功耗预算：
纽扣电池供电数年：BLE、LoRa（精心设计）。
锂电池供电数周/月：Zigbee、NB-IoT。
有持续电源：可以任性选择 Wi-Fi、4G/5G。
网络拓扑：点对点？星形网？Mesh自组网？根据需求选择。
成本与复杂度：BLE和Wi-Fi模块成本低、生态成熟。LoRa和Zigbee可能需要专门的网关。
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