从用电池到免电池，这些低功耗无线IoT应用开发的招数，你都知道吗？
发布时间：2021-11-9 15:31
发布者：eechina
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物联网（IoT）是近几年的热门话题，许多互联网运营商都预测这个领域在未来十年内将有较大增长。来自Statista的数据显示，到2019年底，全球物联网终端用户解决方案市场规模增长至2120亿美元。2017年，该市场收入首次达到1000亿美元，预计到2025年，这一数字将增长到1.6万亿美元左右。 在智能家居、智能仓库、可穿戴健康监测设备、物流等IoT应用中，许多情况下终端设备和传感器需要完全依靠电池工作，此时电池寿命的长短基本决定了整个系统的使用寿命。 事实上，电池寿命往往取决于设备保持“清醒”的时间长短。设备休眠的时间越长，电池的续航时间就越长，当然为此付出的代价就是牺牲性能。因此，我们可以认为：保持电池长寿命与实现IoT设备的高性能之间存在矛盾。 另一方面，作为物联网重要组成部分的无线连接技术，要想实现更快的数据传输，通常需要设备消耗更多的能量。也就是说，低延迟常常是以高功耗为代价的，二者之间也存在着矛盾。 那么，问题来了。若要创建一个低功耗、低延迟、高性能、电池供电或免电池的IoT系统，上述两个矛盾应该如何破解？接下来，我们就从寻找合适的无线连接技术以及实现超低功耗IoT设计两个方面入手，找一找答案。 为IoT应用挑选合适的无线技术 要建立一个低功耗、低延迟的IoT网络，选择一个合适的短距无线连接技术很重要，而考量要点最好从以下几个方面入手： 一是成本。由于许多设备（传感器）都是低成本小型设备，IoT选择的无线连接技术不能为整体物料清单（BOM）增加太多额外成本。甚至，在许多情况下，无线连接技术和用户设备最好共享一个MCU。 二是耗电量。低功耗是保证电池供电或利用能量收集技术作为电源等IoT应用的前提，因此用于网络连接的无线技术的功耗越低越好。 三是安全性。无线连接技术须充分支持身份验证和加密功能等安全性需求，有时还需要保证从传感器到Web服务的端到端安全。 四是覆盖范围。这个很好理解，每种无线技术都有其最大工作半径，选择的时候既要保证足够的覆盖范围，还不能让系统成本增加太多。 五是生态系统。良好的生态系统建设将非常有利于IoT系统的开发，缩短产品上市时间，技术开发成本也易于掌控。 由于IoT是一个广泛多样性的应用领域，我们很难找到一个一刀切的通信解决方案。下面列举的六种最常见的物联网无线技术，每一种解决方案在不同的网络标准中都有其优缺点。有时，一个复杂的IoT通信系统甚至是多个无线技术的组合。一句话，总有一款适合你。 
图1：多种无线技术性能对比（图源：BehrTech） LPWAN 低功耗广域网（LPWAN）可以连接所有类型的IoT传感器，然而，它只能以低速率发送小数据块，因此，更适合不需要高带宽且对时间不敏感的应用。 Zigbee和其他Mesh协议 Zigbee是一种短距离、低功耗的无线标准（IEEE802.15.4），通常部署在mesh拓扑中，通过在多个传感器节点上中继传感器数据来扩展覆盖范围。与LPWAN相比，Zigbee提供了更高的数据速率，但同时由于mesh配置的原因，它的能效要低得多。 由于覆盖范围小于100米，因此Zigbee和类似的mesh协议（如Z-Wave、Thread等）非常适合节点分布均匀且非常接近的中距离IoT应用。Zigbee常被看作是Wi-Fi的完美补充，尤其适用于智能照明、暖通空调（HVAC）控制、安全和能源管理等各种家庭自动化应用。 蓝牙和低功耗蓝牙（BLE） 做为一种短距离无线通信技术，蓝牙的应用主要定位在消费者市场。经典蓝牙最初用于消费设备之间的点对点或点对多点的数据交换。在对功耗进行优化后，后来引入的BLE技术解决了小型消费物联网在功耗方面的问题。如今，BLE已被广泛地集成到健身和医疗可穿戴设备以及智能家居设备中，如智能手表、血糖仪、脉搏血氧仪、智能门锁等。 Wi-Fi Wi-Fi在为企业和家庭环境提供高吞吐量数据传输方面发挥了重要作用。然而，在IoT领域，因其在覆盖范围、可扩展性和功耗方面的限制，Wi-Fi并没有获得广泛应用。尤其是对电池供电的物联网传感器网络以及工业物联网等应用场景，Wi-Fi是不合适的。 Wi-Fi 6是最新一代Wi-Fi技术，它拥有惊人的网络带宽（<9.6Gbps），大幅提高了拥挤环境下每个用户的数据吞吐能力。基于此，有行业专家提出，用于信息娱乐和车载诊断的车内网络有望成为Wi-Fi 6最具挑战性的应用场景。 RFID 射频识别（RFID）借助无线电波在很短的距离内将少量数据从RFID标签传输到读卡器。与此同时，这项技术还催生了零售业和物流业的一场重大变革。通过在各种产品和设备上贴上RFID标签，企业可以实时跟踪库存和资产，从而实现更好的库存和生产计划以及优化的供应链管理。随着物联网采用率的不断提高，RFID将继续在零售领域占据一席之地。 蜂窝通信（3G/4G/5G） 蜂窝网络能提供可靠的宽带通信，支持各种语音通话和视频流应用。不利的一面是，它们的运营成本和电力需求非常高。虽然蜂窝网络不适用于大多数由电池供电的传感器网络等物联网应用，但它们非常适合于特定的使用情形，如运输和物流中的车队管理。车内信息娱乐、交通路线、高级驾驶员辅助系统（ADAS）以及车队远程通信和跟踪服务等，都是无处不在的高带宽蜂窝通信的最佳应用场景。 需要特别提出的是，在2.4 GHz ISM频段存在三个著名的无线通信技术：Wi-Fi、蓝牙和Zigbee。 ♦ Wi-Fi可能是其中最有名气的，它提供最快的通信速率，是计算机连接领域的理想选择，但却无法将其用于极低功率运行、电池供电等应用。 ♦ 蓝牙技术非常适合低功耗、电池供电的设备，其设计目的主要是为手机、耳机和其他手持消费设备提供10米以内短程中速无线连接。 ♦ Zigbee从一开始就被设计用来为使用小型电池的设备提供数月到数年的低速率、短程（20m到100m）无线连接，在功耗方面的表现尤其出色。 归纳起来，每一个物联网垂直应用都有自己独特的网络需求，在选择最佳无线技术时，常常需要我们在覆盖范围、带宽、QoS、安全性、功耗和网络管理等各方面进行权衡，只有这样，才能建立一个高效的网络连接。 IoT设备中的低功耗设计 在选择了合适的无线技术后，接下来要做的就是通过低功耗设计，实现电池供电或免电池IoT设备长期稳定的工作。 虽然面向消费者和工业应用的物联网系统表面上看起来相似，但在电源、连接性和健壮性要求方面存在明显的差异。一般来说，工业应用需要大量小尺寸、电池供电的传感器，这些传感器可能由于高度或恶劣的工作条件而位于维护人员难以到达的地方，有些时候还需要通过能量采集的办法采用免电池方案。使用电池供电的设备需要承诺一个可预期的电池寿命，以便提前计划实施和后续维护。对于消费物联网来说，虽然更换电池相对容易，但如果设备功耗过大，待机时间过短，将严重影响用户体验。 解决这些挑战的最佳方案就是：采用低功耗设计。 低功耗设计通常都要遵循一个关键概念，即：使用尽可能少的硬件资源来处理数据。换句话说，就是通过减少硬件数量达到降低功耗的目的。这个做法在理论上看起来很简单，实际上，在许多情况下，硬件和软件也存在着性能和功耗之间的权衡。 要选择合适的电池是实现IoT设备长寿命的另一重要因素。虽然低功耗设计非常重要，但最终用户通常对系统的使用寿命和总体拥有成本同样感兴趣。选择合适的电池尺寸和技术是这一过程中的重要一步。 能量收集是近几年的热门话题，在IoT应用中有着广泛的部署。虽然能量收集并不能在所有应用中取代电池，但在许多情况下，它们仍是延长电池寿命的一个重要解决方案。 在IoT的真实设计方案中，通过集成更多功能来减少外设数量，以此实现产品的高性能和低功耗，这些是半导体公司目前最常采用的办法。下面列举的就是市场上比较热门的一些解决方案。 ♦ NXP多协议无线MCU最大限度延长电池寿命 随着可供选择的无线技术不断增加，智能家居对超低功耗连接的需求也在不断增长。恩智浦 (NXP) 公司推出的K32W061和K32W041多协议无线微控制器 (MCU)，采用IEEE 802.15.4无线标准，支持Thread和Zigbee网络协议、BLE 5.0和集成式NFC NTAG (K32W061)，为IoT中的无线互联提供超低功耗性能，最大限度地提高智能家居和物联网中单纽扣电池设备的性能。 
图2：NXP K32W061/41方框图（图源：NXP） ♦ Cypress可穿戴设备解决方案 赛普拉斯 (Cypress) 拥有一系列的可穿戴设备方案，从基础版PSoC 6-BLE超低功耗MCU，到一颗PSoC 6芯片+一颗双模BLE 5.0 芯片（CYW20719）组成的升级型解决方案，非常适合手环上日益增加的蓝牙音频的需求，其方案的最大特点是高集成度、高性能、低功耗、小尺寸。此外，为了支持大量的数据传输应用（例如需要通过Wi-Fi下载歌曲及后台升级），Cypress还提供了进阶方案——搭配CYW43012 Wi-Fi + 蓝牙二合一Combo芯片，能同时支持 802.11 ac Wi-Fi和BLE 5.0无线连接。 前文我们曾提到，Wi-Fi非常不合适电池供电IoT应用。技术的发展总是让人难以想象，今天笔者就跟大家分享一个有关Wi-Fi技术进步的好消息。经过仔细搜索，我们发现，加州大学圣地亚哥分校（UC San Diego）的电气工程师在2020年2月份就宣布，他们开发出一种新型超低功耗Wi-Fi产品，这款芯片能为IoT设备带来超低功耗Wi-Fi连接。芯片封装比一粒米还小，仅消耗28微瓦的电能，就能以每秒2Mb/s的速率（一个足以传输音乐和大多数YouTube视频的连接）在21米的范围内传输数据，而IoT设备则可以用比今天的Wi-Fi少5000倍的功率与现有Wi-Fi网络进行通信。届时，我们的手机、智能设备，甚至小型摄像头或各种传感器均可连接到该芯片，它能将这些设备的数据直接发送到附近的Wi-Fi接入点。当然了，何时能够正式商用，我们尚不知晓。 能量收集让IoT设备省掉电池 无电池和无维护的终端在物联网部署中越来越多。这些带有智能传感器的无电池设备将从环境中获取能量，利用能量收集为自己充电。 所谓的能量采集技术，主要是指通过把热电、振动、运动、太阳能等产生的能量回收并转化为电能，代替电池为设备供电。通过能量采集实现免电池供电有一个关键点，那就是IoT设备一定要选择超低功耗无线通信技术，如BLE、Zigbee等，结合能量采集和低功耗设计才可省去电池。至于如何实现，大可不必担心，半导体厂商们早已为我们准备好了解决方案。 ♦ 应用于无线传感器节点的能量收集电源IC 这是Cypress在IoT领域的另一重要产品，S6AE101A能量采集电源管理IC（PMIC）主要用于IoT应用中的小型太阳能供电无线传感器。按照Cypress的说法，S6AE101A是行业内功耗超低的单芯片能量采集PMIC，可配合尺寸小至1cm2的太阳能电池使用。S6AE101A的启动功率仅为1.2μW，消耗电流低至250nA。这种低功耗性能最大限度地提高了可提供给目标应用的感测、处理和通信功能的功率。这款PMIC是完全集成的器件，尤其适合用于无电池无线传感器节点 (WSN)，用于监控智能家居、商业建筑、工厂、基础设施以及农业的物理和环境条件。 
图3：S6AE101A能量采集电源管理IC方框图（图源：贸泽电子） ♦ 安森美半导体蓝牙低功耗开关参考设计 安森美半导体（onsemi）的设计基于BLE 5.0，结合采埃孚公司（ZF Friedrichshafen AG）的能量采集技术，通过获取用户按下按钮时传输的能量，并将其转换为电磁能并最终转化为电能，储存起来供RSL10芯片使用。 RSL10是一颗经蓝牙5.0认证的无线单芯片SoC，具有全集成的天线和所有无源器件，功耗极低。在深度睡眠时，功耗仅为62.5 nW，接收功耗则低至7 mW。用户每次按下按钮，能量采集方案就会产生300μJ的能量，完全能够满足RSL10的功耗要求。这款蓝牙低功耗开关参考设计利用采集的能量工作，实现了真正的自供电IoT应用。 结语 在积极倡导绿色环保的今天，无论哪个行业，低能耗都是永恒的话题。IoT因其应用场景的特殊性，对设备的功耗更加敏感。要想实现电池供电或免电池工作，同时还要保证较长的设备使用寿命，选择合适的无线连接技术是方案成功的前提。而集成了多种无线协议的高集成度MCU或SoC则为建立低功耗、高性能IoT系统提供了强有力的技术保障。 根据Gartner的最新预测，仅企业和汽车市场的IoT连接就将比2019年增长21%，2020年将达到惊人的58亿个端点。随着新的无线标准在现有技术基础上的应用日益广泛，未来将迎来更多IoT发展的里程碑。 来源：贸泽电子 作者：Doctor M |
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