這些低功耗無線IoT應(yīng)用開發(fā)的招數(shù)，你都知道嗎

物聯(lián)網(wǎng)（IoT）是近幾年的熱門話題，許多互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)營商都預(yù)測這個(gè)領(lǐng)域在未來十年內(nèi)將有較大增長。來自Statista的數(shù)據(jù)顯示，到2019年底，全球物聯(lián)網(wǎng)終端用戶解決方案市場規(guī)模增長至2120億美元。2017年，該市場收入首次達(dá)到1000億美元，預(yù)計(jì)到2025年，這一數(shù)字將增長到1.6萬億美元左右。

在智能家居、智能倉庫、可穿戴健康監(jiān)測設(shè)備、物流等IoT應(yīng)用中，許多情況下終端設(shè)備和傳感器需要完全依靠電池工作，此時(shí)電池壽命的長短基本決定了整個(gè)系統(tǒng)的使用壽命。

事實(shí)上，電池壽命往往取決于設(shè)備保持“清醒”的時(shí)間長短。設(shè)備休眠的時(shí)間越長，電池的續(xù)航時(shí)間就越長，當(dāng)然為此付出的代價(jià)就是犧牲性能。因此，我們可以認(rèn)為：保持電池長壽命與實(shí)現(xiàn)IoT設(shè)備的高性能之間存在矛盾。

另一方面，作為物聯(lián)網(wǎng)重要組成部分的無線連接技術(shù)，要想實(shí)現(xiàn)更快的數(shù)據(jù)傳輸，通常需要設(shè)備消耗更多的能量。也就是說，低延遲常常是以高功耗為代價(jià)的，二者之間也存在著矛盾。

那么，問題來了。若要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)低功耗、低延遲、高性能、電池供電或免電池的IoT系統(tǒng)，上述兩個(gè)矛盾應(yīng)該如何破解？接下來，我們就從尋找合適的無線連接技術(shù)以及實(shí)現(xiàn)超低功耗IoT設(shè)計(jì)兩個(gè)方面入手，找一找答案。

為IoT應(yīng)用挑選合適的無線技術(shù)

要建立一個(gè)低功耗、低延遲的IoT網(wǎng)絡(luò)，選擇一個(gè)合適的短距無線連接技術(shù)很重要，而考量要點(diǎn)最好從以下幾個(gè)方面入手：

一是成本。由于許多設(shè)備（傳感器）都是低成本小型設(shè)備，IoT選擇的無線連接技術(shù)不能為整體物料清單（BOM）增加太多額外成本。甚至，在許多情況下，無線連接技術(shù)和用戶設(shè)備最好共享一個(gè)MCU。

二是耗電量。低功耗是保證電池供電或利用能量收集技術(shù)作為電源等IoT應(yīng)用的前提，因此用于網(wǎng)絡(luò)連接的無線技術(shù)的功耗越低越好。

三是安全性。無線連接技術(shù)須充分支持身份驗(yàn)證和加密功能等安全性需求，有時(shí)還需要保證從傳感器到Web服務(wù)的端到端安全。

四是覆蓋范圍。這個(gè)很好理解，每種無線技術(shù)都有其最大工作半徑，選擇的時(shí)候既要保證足夠的覆蓋范圍，還不能讓系統(tǒng)成本增加太多。

五是生態(tài)系統(tǒng)。良好的生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)將非常有利于IoT系統(tǒng)的開發(fā)，縮短產(chǎn)品上市時(shí)間，技術(shù)開發(fā)成本也易于掌控。

由于IoT是一個(gè)廣泛多樣性的應(yīng)用領(lǐng)域，我們很難找到一個(gè)一刀切的通信解決方案。下面列舉的六種最常見的物聯(lián)網(wǎng)無線技術(shù)，每一種解決方案在不同的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)中都有其優(yōu)缺點(diǎn)。有時(shí)，一個(gè)復(fù)雜的IoT通信系統(tǒng)甚至是多個(gè)無線技術(shù)的組合。一句話，總有一款適合你。

LPWAN

低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）可以連接所有類型的IoT傳感器，然而，它只能以低速率發(fā)送小數(shù)據(jù)塊，因此，更適合不需要高帶寬且對(duì)時(shí)間不敏感的應(yīng)用。

Zigbee和其他Mesh協(xié)議

Zigbee是一種短距離、低功耗的無線標(biāo)準(zhǔn)（IEEE802.15.4），通常部署在mesh拓?fù)渲?，通過在多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)上中繼傳感器數(shù)據(jù)來擴(kuò)展覆蓋范圍。與LPWAN相比，Zigbee提供了更高的數(shù)據(jù)速率，但同時(shí)由于mesh配置的原因，它的能效要低得多。

由于覆蓋范圍小于100米，因此Zigbee和類似的mesh協(xié)議（如Z-Wave、Thread等）非常適合節(jié)點(diǎn)分布均勻且非常接近的中距離IoT應(yīng)用。Zigbee常被看作是Wi-Fi的完美補(bǔ)充，尤其適用于智能照明、暖通空調(diào)（HVAC）控制、安全和能源管理等各種家庭自動(dòng)化應(yīng)用。

藍(lán)牙和低功耗藍(lán)牙（BLE）

做為一種短距離無線通信技術(shù)，藍(lán)牙的應(yīng)用主要定位在消費(fèi)者市場。經(jīng)典藍(lán)牙最初用于消費(fèi)設(shè)備之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的數(shù)據(jù)交換。在對(duì)功耗進(jìn)行優(yōu)化后，后來引入的BLE技術(shù)解決了小型消費(fèi)物聯(lián)網(wǎng)在功耗方面的問題。如今，BLE已被廣泛地集成到健身和醫(yī)療可穿戴設(shè)備以及智能家居設(shè)備中，如智能手表、血糖儀、脈搏血氧儀、智能門鎖等。

Wi-Fi

Wi-Fi在為企業(yè)和家庭環(huán)境提供高吞吐量數(shù)據(jù)傳輸方面發(fā)揮了重要作用。然而，在IoT領(lǐng)域，因其在覆蓋范圍、可擴(kuò)展性和功耗方面的限制，Wi-Fi并沒有獲得廣泛應(yīng)用。尤其是對(duì)電池供電的物聯(lián)網(wǎng)傳感器網(wǎng)絡(luò)以及工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用場景，Wi-Fi是不合適的。

Wi-Fi 6是最新一代Wi-Fi技術(shù)，它擁有驚人的網(wǎng)絡(luò)帶寬（<9.6Gbps），大幅提高了擁擠環(huán)境下每個(gè)用戶的數(shù)據(jù)吞吐能力?；诖耍行袠I(yè)專家提出，用于信息娛樂和車載診斷的車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)有望成為Wi-Fi 6最具挑戰(zhàn)性的應(yīng)用場景。

RFID

射頻識(shí)別（RFID）借助無線電波在很短的距離內(nèi)將少量數(shù)據(jù)從RFID標(biāo)簽傳輸?shù)阶x卡器。與此同時(shí)，這項(xiàng)技術(shù)還催生了零售業(yè)和物流業(yè)的一場重大變革。通過在各種產(chǎn)品和設(shè)備上貼上RFID標(biāo)簽，企業(yè)可以實(shí)時(shí)跟蹤庫存和資產(chǎn)，從而實(shí)現(xiàn)更好的庫存和生產(chǎn)計(jì)劃以及優(yōu)化的供應(yīng)鏈管理。隨著物聯(lián)網(wǎng)采用率的不斷提高，RFID將繼續(xù)在零售領(lǐng)域占據(jù)一席之地。

蜂窩通信（3G/4G/5G）

蜂窩網(wǎng)絡(luò)能提供可靠的寬帶通信，支持各種語音通話和視頻流應(yīng)用。不利的一面是，它們的運(yùn)營成本和電力需求非常高。雖然蜂窩網(wǎng)絡(luò)不適用于大多數(shù)由電池供電的傳感器網(wǎng)絡(luò)等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，但它們非常適合于特定的使用情形，如運(yùn)輸和物流中的車隊(duì)管理。車內(nèi)信息娛樂、交通路線、高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng)（ADAS）以及車隊(duì)遠(yuǎn)程通信和跟蹤服務(wù)等，都是無處不在的高帶寬蜂窩通信的最佳應(yīng)用場景。

需要特別提出的是，在2.4 GHz ISM頻段存在三個(gè)著名的無線通信技術(shù)：Wi-Fi、藍(lán)牙和Zigbee。

?Wi-Fi可能是其中最有名氣的，它提供最快的通信速率，是計(jì)算機(jī)連接領(lǐng)域的理想選擇，但卻無法將其用于極低功率運(yùn)行、電池供電等應(yīng)用。

?藍(lán)牙技術(shù)非常適合低功耗、電池供電的設(shè)備，其設(shè)計(jì)目的主要是為手機(jī)、耳機(jī)和其他手持消費(fèi)設(shè)備提供10米以內(nèi)短程中速無線連接。

?Zigbee從一開始就被設(shè)計(jì)用來為使用小型電池的設(shè)備提供數(shù)月到數(shù)年的低速率、短程（20m到100m）無線連接，在功耗方面的表現(xiàn)尤其出色。

歸納起來，每一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)垂直應(yīng)用都有自己獨(dú)特的網(wǎng)絡(luò)需求，在選擇最佳無線技術(shù)時(shí)，常常需要我們?cè)诟采w范圍、帶寬、QoS、安全性、功耗和網(wǎng)絡(luò)管理等各方面進(jìn)行權(quán)衡，只有這樣，才能建立一個(gè)高效的網(wǎng)絡(luò)連接。

IoT設(shè)備中的低功耗設(shè)計(jì)

在選擇了合適的無線技術(shù)后，接下來要做的就是通過低功耗設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)電池供電或免電池IoT設(shè)備長期穩(wěn)定的工作。

雖然面向消費(fèi)者和工業(yè)應(yīng)用的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)表面上看起來相似，但在電源、連接性和健壯性要求方面存在明顯的差異。一般來說，工業(yè)應(yīng)用需要大量小尺寸、電池供電的傳感器，這些傳感器可能由于高度或惡劣的工作條件而位于維護(hù)人員難以到達(dá)的地方，有些時(shí)候還需要通過能量采集的辦法采用免電池方案。使用電池供電的設(shè)備需要承諾一個(gè)可預(yù)期的電池壽命，以便提前計(jì)劃實(shí)施和后續(xù)維護(hù)。對(duì)于消費(fèi)物聯(lián)網(wǎng)來說，雖然更換電池相對(duì)容易，但如果設(shè)備功耗過大，待機(jī)時(shí)間過短，將嚴(yán)重影響用戶體驗(yàn)。

解決這些挑戰(zhàn)的最佳方案就是：采用低功耗設(shè)計(jì)。

低功耗設(shè)計(jì)通常都要遵循一個(gè)關(guān)鍵概念，即：使用盡可能少的硬件資源來處理數(shù)據(jù)。換句話說，就是通過減少硬件數(shù)量達(dá)到降低功耗的目的。這個(gè)做法在理論上看起來很簡單，實(shí)際上，在許多情況下，硬件和軟件也存在著性能和功耗之間的權(quán)衡。

要選擇合適的電池是實(shí)現(xiàn)IoT設(shè)備長壽命的另一重要因素。雖然低功耗設(shè)計(jì)非常重要，但最終用戶通常對(duì)系統(tǒng)的使用壽命和總體擁有成本同樣感興趣。選擇合適的電池尺寸和技術(shù)是這一過程中的重要一步。

能量收集是近幾年的熱門話題，在IoT應(yīng)用中有著廣泛的部署。雖然能量收集并不能在所有應(yīng)用中取代電池，但在許多情況下，它們?nèi)允茄娱L電池壽命的一個(gè)重要解決方案。

在IoT的真實(shí)設(shè)計(jì)方案中，通過集成更多功能來減少外設(shè)數(shù)量，以此實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的高性能和低功耗，這些是半導(dǎo)體公司目前最常采用的辦法。下面列舉的就是市場上比較熱門的一些解決方案。

? NXP多協(xié)議無線MCU最大限度延長電池壽命

隨著可供選擇的無線技術(shù)不斷增加，智能家居對(duì)超低功耗連接的需求也在不斷增長。恩智浦 (NXP) 公司推出的K32W061和K32W041多協(xié)議無線微控制器 (MCU)，采用IEEE 802.15.4無線標(biāo)準(zhǔn)，支持Thread和Zigbee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、BLE 5.0和集成式NFC NTAG (K32W061)，為IoT中的無線互聯(lián)提供超低功耗性能，最大限度地提高智能家居和物聯(lián)網(wǎng)中單紐扣電池設(shè)備的性能。

? Cypress可穿戴設(shè)備解決方案

賽普拉斯 (Cypress) 擁有一系列的可穿戴設(shè)備方案，從基礎(chǔ)版PSoC 6-BLE超低功耗MCU，到一顆PSoC 6芯片+一顆雙模BLE 5.0 芯片（CYW20719）組成的升級(jí)型解決方案，非常適合手環(huán)上日益增加的藍(lán)牙音頻的需求，其方案的最大特點(diǎn)是高集成度、高性能、低功耗、小尺寸。此外，為了支持大量的數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用（例如需要通過Wi-Fi下載歌曲及后臺(tái)升級(jí)），Cypress還提供了進(jìn)階方案——搭配CYW43012 Wi-Fi + 藍(lán)牙二合一Combo芯片，能同時(shí)支持 802.11 ac Wi-Fi和BLE 5.0無線連接。

前文我們?cè)岬?，Wi-Fi非常不合適電池供電IoT應(yīng)用。技術(shù)的發(fā)展總是讓人難以想象，今天筆者就跟大家分享一個(gè)有關(guān)Wi-Fi技術(shù)進(jìn)步的好消息。經(jīng)過仔細(xì)搜索，我們發(fā)現(xiàn)，加州大學(xué)圣地亞哥分校（UC San Diego）的電氣工程師在2020年2月份就宣布，他們開發(fā)出一種新型超低功耗Wi-Fi產(chǎn)品，這款芯片能為IoT設(shè)備帶來超低功耗Wi-Fi連接。芯片封裝比一粒米還小，僅消耗28微瓦的電能，就能以每秒2Mb/s的速率（一個(gè)足以傳輸音樂和大多數(shù)YouTube視頻的連接）在21米的范圍內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)，而IoT設(shè)備則可以用比今天的Wi-Fi少5000倍的功率與現(xiàn)有Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。屆時(shí)，我們的手機(jī)、智能設(shè)備，甚至小型攝像頭或各種傳感器均可連接到該芯片，它能將這些設(shè)備的數(shù)據(jù)直接發(fā)送到附近的Wi-Fi接入點(diǎn)。當(dāng)然了，何時(shí)能夠正式商用，我們尚不知曉。

能量收集讓IoT設(shè)備省掉電池

無電池和無維護(hù)的終端在物聯(lián)網(wǎng)部署中越來越多。這些帶有智能傳感器的無電池設(shè)備將從環(huán)境中獲取能量，利用能量收集為自己充電。

所謂的能量采集技術(shù)，主要是指通過把熱電、振動(dòng)、運(yùn)動(dòng)、太陽能等產(chǎn)生的能量回收并轉(zhuǎn)化為電能，代替電池為設(shè)備供電。通過能量采集實(shí)現(xiàn)免電池供電有一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，那就是IoT設(shè)備一定要選擇超低功耗無線通信技術(shù)，如BLE、Zigbee等，結(jié)合能量采集和低功耗設(shè)計(jì)才可省去電池。至于如何實(shí)現(xiàn)，大可不必?fù)?dān)心，半導(dǎo)體廠商們?cè)缫褳槲覀儨?zhǔn)備好了解決方案。

? 應(yīng)用于無線傳感器節(jié)點(diǎn)的能量收集電源IC

這是Cypress在IoT領(lǐng)域的另一重要產(chǎn)品，S6AE101A能量采集電源管理IC（PMIC）主要用于IoT應(yīng)用中的小型太陽能供電無線傳感器。按照Cypress的說法，S6AE101A是行業(yè)內(nèi)功耗超低的單芯片能量采集PMIC，可配合尺寸小至1cm2的太陽能電池使用。S6AE101A的啟動(dòng)功率僅為1.2μW，消耗電流低至250nA。這種低功耗性能最大限度地提高了可提供給目標(biāo)應(yīng)用的感測、處理和通信功能的功率。這款PMIC是完全集成的器件，尤其適合用于無電池?zé)o線傳感器節(jié)點(diǎn) (WSN)，用于監(jiān)控智能家居、商業(yè)建筑、工廠、基礎(chǔ)設(shè)施以及農(nóng)業(yè)的物理和環(huán)境條件。

圖3：S6AE101A能量采集電源管理IC方框圖（圖源：貿(mào)澤電子）

? 安森美半導(dǎo)體藍(lán)牙低功耗開關(guān)參考設(shè)計(jì)

安森美半導(dǎo)體（onsemi）的設(shè)計(jì)基于BLE 5.0，結(jié)合采埃孚公司（ZF Friedrichshafen AG）的能量采集技術(shù)，通過獲取用戶按下按鈕時(shí)傳輸?shù)哪芰浚⑵滢D(zhuǎn)換為電磁能并最終轉(zhuǎn)化為電能，儲(chǔ)存起來供RSL10芯片使用。

RSL10是一顆經(jīng)藍(lán)牙5.0認(rèn)證的無線單芯片SoC，具有全集成的天線和所有無源器件，功耗極低。在深度睡眠時(shí)，功耗僅為62.5 nW，接收功耗則低至7 mW。用戶每次按下按鈕，能量采集方案就會(huì)產(chǎn)生300μJ的能量，完全能夠滿足RSL10的功耗要求。這款藍(lán)牙低功耗開關(guān)參考設(shè)計(jì)利用采集的能量工作，實(shí)現(xiàn)了真正的自供電IoT應(yīng)用。

結(jié)語

在積極倡導(dǎo)綠色環(huán)保的今天，無論哪個(gè)行業(yè)，低能耗都是永恒的話題。IoT因其應(yīng)用場景的特殊性，對(duì)設(shè)備的功耗更加敏感。要想實(shí)現(xiàn)電池供電或免電池工作，同時(shí)還要保證較長的設(shè)備使用壽命，選擇合適的無線連接技術(shù)是方案成功的前提。而集成了多種無線協(xié)議的高集成度MCU或SoC則為建立低功耗、高性能IoT系統(tǒng)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)保障。

審核編輯：郭婷