1. 课程导入与功耗优化全景
在电池供电的物联网产品中，续航往往不是“顺便优化一下”的指标，而是决定产品能否成立的核心约束。Nordic nRF 系列（如 nRF52832、nRF52840、nRF5340）之所以被大量用于蓝牙低功耗、Thread、Zigbee 与私有 2.4 GHz 产品，正是因为它在射频、MCU 内核、外设与电源管理上为低功耗做了系统性设计。但“芯片低功耗”不等于“产品低功耗”——同一颗 nRF52840，做成每秒广播一次的温湿度传感器可能跑两年，做成持续连接的音频设备可能只撑几小时。本课程要解决的，就是把芯片的省电能力真正转化为产品续航。
nRF 系列的低功耗特性概览
理解 nRF 的功耗，先要理解它的电源域与工作状态。以 nRF52840 为例，芯片内部大致分为几个可独立控制的区域：CPU 与内存（核心域）、射频收发器、外设（UART/SPI/TWI/PWM/ADC 等）、以及始终供电的电源与时钟管理单元。功耗优化的本质，就是让每个区域“只在需要时上电，其余时间进入最低功耗状态”。
nRF 提供的主要功耗状态包括：
- System ON 运行态：CPU 全速运行，典型电流约 3～6 mA（视主频与缓存命中而定）。
- System ON Idle：CPU 睡眠但外设与 RAM 保持，唤醒极快，典型约 1～2 mA。
- System OFF：仅保留唤醒源，RAM 内容丢失，典型约 0.3～1 µA。
- 射频收发：BLE 发射峰值可达数 mA 至十几 mA，但持续时间极短，通常以“平均电流”衡量影响。
关键认知是：续航由平均电流决定，而不是峰值电流。一个 10 mA 的峰值如果只持续 1 ms、每 10 s 出现一次，其平均贡献仅约 1 µA。因此优化的主战场是“占空比”和“睡眠底电流”，而不是单纯压低峰值。
平均电流 I_avg = Σ(各状态电流 × 该状态时间占比)
续航时间 T ≈ 电池容量(mAh) ÷ I_avg(mA)
例如使用 1000 mAh 的 CR2477 纽扣电池，若系统平均电流为 20 µA，理论续航约 1000 ÷ 0.02 = 50000 小时 ≈ 5.7 年；若平均电流升到 200 µA，则只剩约 0.57 年。可见平均电流每降一个数量级，续航就提升一个数量级。
续航优化的核心指标
在工程实践中，我们通常围绕以下指标展开工作：
| 指标 | 含义 | 典型关注值 |
|---|---|---|
| 睡眠底电流 | System OFF / Idle 下的静态电流 | µA 级，越低越好 |
| 平均工作电流 | 一个完整工作周期内的平均电流 | 由占空比决定 |
| 唤醒频率 | 单位时间内唤醒次数 | 直接影响平均电流 |
| 射频占空比 | 射频开启时间占比 | 连接间隔、广播间隔决定 |
| 外设漏电 | 未关闭外设/GPIO 的额外消耗 | 常被忽视的“隐形杀手” |
其中“外设漏电”和“GPIO 悬空”是初学者最容易踩的坑：一个未配置的浮空引脚、一个忘记关闭的 UART、一个常亮的 LED，都可能让底电流从 2 µA 变成 200 µA，直接毁掉整个续航设计。
课程实战项目与开发环境
本课程围绕一个贯穿始终的实战项目展开：基于 nRF52840 的低功耗环境监测节点。该节点周期性采集温度与湿度，通过 BLE 广播或连接上报数据，其余时间进入深度睡眠。我们会从零搭建工程，逐步测量、分析并优化它的功耗，最终把平均电流从“能跑但费电”的初始版本压到 µA 级。
开发环境建议如下：
- 硬件：nRF52840 DK 开发板 + 外接传感器（如 SHT30）+ 可调电源或 Nordic Power Profiler Kit II（PPK2）。
- 软件：nRF Connect SDK（基于 Zephyr）或 nRF5 SDK，配合 SEGGER Embedded Studio / VS Code。
- 测量工具：PPK2 可直接在 nRF Connect for Desktop 中实时查看电流曲线，是分析占空比与睡眠底电流的利器。
搭建时先确认工具链能编译并烧录一个最小工程，再用 PPK2 观察其运行电流，建立“代码行为—电流波形”的对应直觉。这一步看似简单，却是后续所有优化的基准。