物聯(lián)網(wǎng)（IoT）是近幾年的熱門話題，許多互聯(lián)網(wǎng)運營商都預(yù)測這個領(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，該市場收入首次達到1000億美元，預(yù)計到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，此時電池壽命的長短基本決定了整個系統(tǒng)的使用壽命。

事實上，電池壽命往往取決于設(shè)備保持“清醒”的時間長短。設(shè)備休眠的時間越長，電池的續(xù)航時間就越長，當然為此付出的代價就是犧牲性能。因此，我們可以認為：保持電池長壽命與實現(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的，二者之間也存在著矛盾。

那么，問題來了。若要創(chuàng)建一個低功耗、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)以及實現(xiàn)超低功耗IoT設(shè)計兩個方面入手，找一找答案。

01

為IoT應(yīng)用挑選合適的無線技術(shù)

要建立一個低功耗、低延遲的IoT網(wǎng)絡(luò)，選擇一個合適的短距無線連接技術(shù)很重要，而考量要點最好從以下幾個方面入手：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)須充分支持身份驗證和加密功能等安全性需求，有時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。這個很好理解，每種無線技術(shù)都有其最大工作半徑，選擇的時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)品上市時間，技術(shù)開發(fā)成本也易于掌控。

由于IoT是一個廣泛多樣性的應(yīng)用領(lǐng)域，我們很難找到一個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)標準中都有其優(yōu)缺點。有時，一個復(fù)雜的IoT通信系統(tǒng)甚至是多個無線技術(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時間不敏感的應(yīng)用。

Zigbee和其他Mesh協(xié)議

Zigbee是一種短距離、低功耗的無線標準（IEEE802.15.4），通常部署在mesh拓撲中，通過在多個傳感器節(jié)點上中繼傳感器數(shù)據(jù)來擴展覆蓋范圍。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化應(yīng)用。

藍牙和低功耗藍牙（BLE）

做為一種短距離無線通信技術(shù)，藍牙的應(yīng)用主要定位在消費者市場。經(jīng)典藍牙最初用于消費設(shè)備之間的點對點或點對多點的數(shù)據(jù)交換。在對功耗進行優(yōu)化后，后來引入的BLE技術(shù)解決了小型消費物聯(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)境下每個用戶的數(shù)據(jù)吞吐能力。基于此，有行業(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

射頻識別（RFID）借助無線電波在很短的距離內(nèi)將少量數(shù)地。據(jù)從RFID標簽傳輸?shù)阶x卡器。與此同時，這項技術(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標簽，企業(yè)可以實時跟蹤庫存和資產(chǎn)，從而實現(xiàn)更好的庫存和生產(chǎn)計劃以及優(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

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，如運輸和物流中的車隊管理。車內(nèi)信息娛樂、交通路線、高級駕駛員輔助系統(tǒng)（ADAS）以及車隊遠程通信和跟蹤服務(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頻段存在三個著名的無線通信技術(shù)：Wi-Fi、藍牙和Zigbee。

Wi-Fi可能是其中最有名氣的，它提供最快的通信速率，是計算機連接領(lǐng)域的理想選擇，但卻無法將其用于極低功率運行、電池供電等應(yīng)用。藍牙技術(shù)非常適合低功耗、電池供電的設(shè)備，其設(shè)計目的主要是為手機、耳機和其他手持消費設(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，每一個物聯(lián)網(wǎng)垂直應(yīng)用都有自己獨特的網(wǎng)絡(luò)需求，在選擇最佳無線技術(shù)時，常常需要我們在覆蓋范圍、帶寬、QoS、安全性、功耗和網(wǎng)絡(luò)管理等各方面進行權(quán)衡，只有這樣，才能建立一個高效的網(wǎng)絡(luò)連接。

02

IoT設(shè)備中的低功耗設(shè)計

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，實現(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人員難以到達的地方，有些時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)備需要承諾一個可預(yù)期的電池壽命，以便提前計劃實施和后續(xù)維護。對于消費物聯(lián)網(wǎng)來說，雖然更換電池相對容易，但如果設(shè)備功耗過大，待機時間過短，將嚴重影響用戶體驗。

解決這些挑戰(zhàn)的最佳方案就是：采用低功耗設(shè)計。

低功耗設(shè)計通常都要遵循一個關(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)量達到降低功耗的目的。這個做法在理論上看起來很簡單，實際上，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現(xiàn)IoT設(shè)備長壽命的另一重要因素。雖然低功耗設(shè)計非常重要，但最終用戶通常對系統(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電池壽命的一個重要解決方案。

在IoT的真實設(shè)計方案中，通過集成更多功能來減少外設(shè)數(shù)量，以此實現(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無線標準，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）組成的升級型解決方案，非常適合手環(huán)上日益增加的藍牙音頻的需求，其方案的最大特點是高集成度、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下載歌曲及后臺升級），Cypress還提供了進階方案——搭配CYW43012 Wi-Fi + 藍牙二合一Combo芯片，能同時支持 802.11 ac Wi-Fi和BLE 5.0無線連接。

前文我們曾提到，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有關(guān)Wi-Fi技術(shù)進步的好消息。經(jīng)過仔細搜索，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)進行通信。屆時，我們的手機、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。當然了，何時能夠正式商用，我們尚不知曉。

03

能量收集讓IoT設(shè)備省掉電池

無電池和無維護的終端在物聯(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、運動、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。通過能量采集實現(xiàn)免電池供電有一個關(guān)鍵點，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)計才可省去電池。至于如何實現(xiàn)，大可不必擔(dān)心，半導(dǎo)體廠商們早已為我們準備好了解決方案。

◆ 應(yīng)用于無線傳感器節(jié)點的能量收集電源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（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。

◆ 安森美半導(dǎo)體藍牙低功耗開關(guān)參考設(shè)計安森美半導(dǎo)體（ON Semiconductor）的設(shè)計基于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，儲存起來供RSL10芯片使用。

RSL10是一顆經(jīng)藍牙5.0認證的無線單芯片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，功耗僅為62.5 nW，接收功耗則低至7 mW。用戶每次按下按鈕，能量采集方案就會產(chǎn)生300μJ的能量，完全能夠滿足RSL10的功耗要求。這款藍牙低功耗開關(guān)參考設(shè)計利用采集的能量工作，實現(xiàn)了真正的自供電IoT應(yīng)用。

04

結(jié)語

在積極倡導(dǎo)綠色環(huán)保的今天，無論哪個行業(yè)，低能耗都是永恒的話題。IoT因其應(yīng)用場景的特殊性，對設(shè)備的功耗更加敏感。要想實現(xiàn)電池供電或免電池工作，同時還要保證較長的設(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)提供了強有力的技術(shù)保障。

根據(jù)Gartner的最新預(yù)測，僅企業(yè)和汽車市場的IoT連接就將比2019年增長21%，2020年將達到驚人的58億個端點。隨著新的無線標準在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上的應(yīng)用日益廣泛，未來將迎來更多IoT發(fā)展的里程碑。

原文標題：從用電池到免電池，這些低功耗無線IoT應(yīng)用開發(fā)的招數(shù)，你都知道嗎？

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