物聯網（IoT）是近幾年的熱門話題，許多互聯網運營商都預測這個領域在未來十年內將有較大增長。來自Statista的數據顯示，到2019年底，全球物聯網終端用戶解決方案市場規模增長至2120億美元。2017年，該市場收入首次達到1000億美元，預計到2025年，這一數字將增長到1.6萬億美元左右。

在智能家居、智能倉庫、可穿戴健康監測設備、物流等IoT應用中，許多情況下終端設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的使用壽命。

事實上，電池壽命往往取決于設備保持“清醒”的時間長短。設備休眠的時間越長，電池的續航時間就越長，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IoT設備的高性能之間存在矛盾。

另一方面，作為物聯網重要組成部分的無線連接技術，要想實現更快的數據傳輸，通常需要設備消耗更多的能量。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。若要創建一個低功耗、低延遲、高性能、電池供電或免電池的IoT系統，上述兩個矛盾應該如何破解？接下來，我們就從尋找合適的無線連接技術以及實現超低功耗IoT設計兩個方面入手，找一找答案。

為IoT應用挑選合適的無線技術

要建立一個低功耗、低延遲的IoT網絡，選擇一個合適的短距無線連接技術很重要，而考量要點最好從以下幾個方面入手：

一是成本。由于許多設備（傳感器）都是低成本小型設備，IoT選擇的無線連接技術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，無線連接技術和用戶設備最好共享一個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作為電源等IoT應用的前提，因此用于網絡連接的無線技術的功耗越低越好。

三是安全性。無線連接技術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服務的端到端安全。

四是覆蓋范圍。這個很好理解，每種無線技術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，還不能讓系統成本增加太多。

五是生態系統。良好的生態系統建設將非常有利于IoT系統的開發，縮短產品上市時間，技術開發成本也易于掌控。

由于IoT是一個廣泛多樣性的應用領域，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網無線技術，每一種解決方案在不同的網絡標準中都有其優缺點。有時，一個復雜的IoT通信系統甚至是多個無線技術的組合。一句話，總有一款適合你。

LPWAN

低功耗廣域網（LPWAN）可以連接所有類型的IoT傳感器，然而，它只能以低速率發送小數據塊，因此，更適合不需要高帶寬且對時間不敏感的應用。

Zigbee和其他Mesh協議

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點上中繼傳感器數據來擴展覆蓋范圍。與LPWAN相比，Zigbee提供了更高的數據速率，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協議（如Z-Wave、Thread等）非常適合節點分布均勻且非常接近的中距離IoT應用。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（HVAC）控制、安全和能源管理等各種家庭自動化應用。

藍牙和低功耗藍牙（BLE）

做為一種短距離無線通信技術，藍牙的應用主要定位在消費者市場。經典藍牙最初用于消費設備之間的點對點或點對多點的數據交換。在對功耗進行優化后，后來引入的BLE技術解決了小型消費物聯網在功耗方面的問題。如今，BLE已被廣泛地集成到健身和醫療可穿戴設備以及智能家居設備中，如智能手表、血糖儀、脈搏血氧儀、智能門鎖等。

Wi-Fi

Wi-Fi在為企業和家庭環境提供高吞吐量數據傳輸方面發揮了重要作用。然而，在IoT領域，因其在覆蓋范圍、可擴展性和功耗方面的限制，Wi-Fi并沒有獲得廣泛應用。尤其是對電池供電的物聯網傳感器網絡以及工業物聯網等應用場景，Wi-Fi是不合適的。

Wi-Fi 6是最新一代Wi-Fi技術，它擁有驚人的網絡帶寬（<9.6Gbps），大幅提高了擁擠環境下每個用戶的數據吞吐能力。基于此，有行業專家提出，用于信息娛樂和車載診斷的車內網絡有望成為Wi-Fi 6最具挑戰性的應用場景。

RFID

射頻識別（RFID）借助無線電波在很短的距離內將少量數據從RFID標簽傳輸到讀卡器。與此同時，這項技術還催生了零售業和物流業的一場重大變革。通過在各種產品和設備上貼上RFID標簽，企業可以實時跟蹤庫存和資產，從而實現更好的庫存和生產計劃以及優化的供應鏈管理。隨著物聯網采用率的不斷提高，RFID將繼續在零售領域占據一席之地。

蜂窩通信（3G/4G/5G）

蜂窩網絡能提供可靠的寬帶通信，支持各種語音通話和視頻流應用。不利的一面是，它們的運營成本和電力需求非常高。雖然蜂窩網絡不適用于大多數由電池供電的傳感器網絡等物聯網應用，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。車內信息娛樂、交通路線、高級駕駛員輔助系統（ADAS）以及車隊遠程通信和跟蹤服務等，都是無處不在的高帶寬蜂窩通信的最佳應用場景。

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：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、電池供電等應用。

?藍牙技術非常適合低功耗、電池供電的設備，其設計目的主要是為手機、耳機和其他手持消費設備提供10米以內短程中速無線連接。

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

歸納起來，每一個物聯網垂直應用都有自己獨特的網絡需求，在選擇最佳無線技術時，常常需要我們在覆蓋范圍、帶寬、QoS、安全性、功耗和網絡管理等各方面進行權衡，只有這樣，才能建立一個高效的網絡連接。

IoT設備中的低功耗設計

在選擇了合適的無線技術后，接下來要做的就是通過低功耗設計，實現電池供電或免電池IoT設備長期穩定的工作。

雖然面向消費者和工業應用的物聯網系統表面上看起來相似，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，工業應用需要大量小尺寸、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。使用電池供電的設備需要承諾一個可預期的電池壽命，以便提前計劃實施和后續維護。對于消費物聯網來說，雖然更換電池相對容易，但如果設備功耗過大，待機時間過短，將嚴重影響用戶體驗。

解決這些挑戰的最佳方案就是：采用低功耗設計。

低功耗設計通常都要遵循一個關鍵概念，即：使用盡可能少的硬件資源來處理數據。換句話說，就是通過減少硬件數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衡。

要選擇合適的電池是實現IoT設備長壽命的另一重要因素。雖然低功耗設計非常重要，但最終用戶通常對系統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應用中有著廣泛的部署。雖然能量收集并不能在所有應用中取代電池，但在許多情況下，它們仍是延長電池壽命的一個重要解決方案。

在IoT的真實設計方案中，通過集成更多功能來減少外設數量，以此實現產品的高性能和低功耗，這些是半導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多協議無線微控制器 (MCU)，采用IEEE 802.15.4無線標準，支持Thread和Zigbee網絡協議、BLE 5.0和集成式NFC NTAG (K32W061)，為IoT中的無線互聯提供超低功耗性能，最大限度地提高智能家居和物聯網中單紐扣電池設備的性能。

? Cypress可穿戴設備解決方案

賽普拉斯 (Cypress) 擁有一系列的可穿戴設備方案，從基礎版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，為了支持大量的數據傳輸應用（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應用。技術的發展總是讓人難以想象，今天筆者就跟大家分享一個有關Wi-Fi技術進步的好消息。經過仔細搜索，我們發現，加州大學圣地亞哥分校（UC San Diego）的電氣工程師在2020年2月份就宣布，他們開發出一種新型超低功耗Wi-Fi產品，這款芯片能為IoT設備帶來超低功耗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YouTube視頻的連接）在21米的范圍內傳輸數據，而IoT設備則可以用比今天的Wi-Fi少5000倍的功率與現有Wi-Fi網絡進行通信。屆時，我們的手機、智能設備，甚至小型攝像頭或各種傳感器均可連接到該芯片，它能將這些設備的數據直接發送到附近的Wi-Fi接入點。當然了，何時能夠正式商用，我們尚不知曉。

能量收集讓IoT設備省掉電池

無電池和無維護的終端在物聯網部署中越來越多。這些帶有智能傳感器的無電池設備將從環境中獲取能量，利用能量收集為自己充電。

所謂的能量采集技術，主要是指通過把熱電、振動、運動、太陽能等產生的能量回收并轉化為電能，代替電池為設備供電。通過能量采集實現免電池供電有一個關鍵點，那就是IoT設備一定要選擇超低功耗無線通信技術，如BLE、Zigbee等，結合能量采集和低功耗設計才可省去電池。至于如何實現，大可不必擔心，半導體廠商們早已為我們準備好了解決方案。

? 應用于無線傳感器節點的能量收集電源IC

這是Cypress在IoT領域的另一重要產品，S6AE101A能量采集電源管理IC（PMIC）主要用于IoT應用中的小型太陽能供電無線傳感器。按照Cypress的說法，S6AE101A是行業內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無線傳感器節點 (WSN)，用于監控智能家居、商業建筑、工廠、基礎設施以及農業的物理和環境條件。

圖3：S6AE101A能量采集電源管理IC方框圖（圖源：貿澤電子）

? 安森美半導體藍牙低功耗開關參考設計

安森美半導體（onsemi）的設計基于BLE 5.0，結合采埃孚公司（ZF Friedrichshafen AG）的能量采集技術，通過獲取用戶按下按鈕時傳輸的能量，并將其轉換為電磁能并最終轉化為電能，儲存起來供RSL10芯片使用。

RSL10是一顆經藍牙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參考設計利用采集的能量工作，實現了真正的自供電IoT應用。

結語

在積極倡導綠色環保的今天，無論哪個行業，低能耗都是永恒的話題。IoT因其應用場景的特殊性，對設備的功耗更加敏感。要想實現電池供電或免電池工作，同時還要保證較長的設備使用壽命，選擇合適的無線連接技術是方案成功的前提。而集成了多種無線協議的高集成度MCU或SoC則為建立低功耗、高性能IoT系統提供了強有力的技術保障。

審核編輯：郭婷