作者：Microchip Technology Inc. 資深產品營銷經理Jason Tollefson 隨著物聯網（IoT）逐漸普及，推出的家用電器讓消費者得以控制其成本和時間，生產商也能獲得新的收益和服務模式。電器設計人員可在其產品中配備傳感器和顯示器以監視其使用模式，并提供即時服務和專屬的購買商機。 當IoT的預期部署量遠多于智能手機時，將有數百億“事物”需要供電。電器設計人員希望降低或至少維持其目前的功耗水平，以便在增加IoT功能時也能符合政府法規。 為滿足這一需求，需要超低功耗單片機（MCU）和Bluetooth? Smart無線電。它們代表一種靈活且經濟高效的方式，可在IoT的邊緣連接物體。讓我們一起探索低功耗IoT系統的這些領域吧。 定義IoT IoT有許多種解讀，通常取決于您服務的市場，但維基百科中的一個定義（如圖1所示）恰當地概括了此概念。 圖1——IoT定義 因此，將此定義應用到電器后，IoT電器將成為惟一可識別、提供Bluetooth Smart或Wi-Fi?等高級連接功能且連接到現有互???網基礎設施中的設備。 支持IoT功能的服務 針對消費者和生產商，將電器連接到全新領域中的互聯網據點。這能夠讓消費者更有效地控制成本和管理時間，同時還可讓生產商監視電器的性能、主動解決維護問題并提供收益產生結構。 表1——最熱門的5個新電器服務示例 使能智能手機作為您的IoT網關 利用智能手機、??功耗MCU和Bluetooth Smart無線電，電器制造商能夠以最簡單的方式在其產品中添加IoT功能。智能手機現在都隨附集成Bluetooth Smart功能，可即時將網關提供給互聯網，并增加了簡化電器配對這一優勢。智能手機應用程序可控制用戶體驗并管理與電器之間的數據傳輸。支持IoT功能的電器也可利用Wi-Fi提供恒定通道來傳送傳感器數據，但配對可能更具挑戰性。 Bluetooth Smart提供信標功能，可大幅簡化配對過程。當信標在智能手機附近時，前者可向后者通告其位置。另一方面，Wi-Fi配對則需要按下路由器（通常位于另一個房間）上的Wi-Fi Direct按鈕。 產生有價值的數據 電器IoT連接的價值源于低功耗MCU與Bluetooth Smart無線電配對。MCU收集功耗或運行小時數等傳感器數據，這些數據在電器中產生并以可使用的格式存儲。當智能手機與電器連接時，將上傳并發送或顯示這些數據。低功耗MCU和無線電也可以提升連接能力而不增加可測量的功耗，從而一直符合政府法規。 Bluetooth入門 鑒于此系統非常簡單，我們來詳細探究一下元件。我們從Bluetooth開始。您很可能已經以某種形式使用Bluetooth多年。您的手機可能擁有Bluetooth耳機，許多汽車可能配備Bluetooth來實現音頻流傳輸。但對于IoT電器，我們關注的Bluetooth技術是Bluetooth Smart。這是最近開發的新標準，只有Bluetooth SIG提供。此新標準支持低功耗運行，非常適合IoT應用。請查看表22，您會發現Bluetooth Classic提供更長的范圍和2.1 Mbps的吞吐量。但IoT電器之類的低數據速率應用并不需要此速率。Bluetooth Smart的優點是可快速連接、具有符合IoT需求的吞吐量，并可提供較低的功耗。 表2——Bluetooth比較 Bluetooth Smart專為IoT邊緣上的設備而設計。回顧IoT設備的維基百科定義，它必須是惟一且可識別的。Bluetooth Smart具備該功能。例如，圖2描述了Bluetooth Smart醫療應用的組織結構。 圖2——Bluetooth配置文件層級 圖2中的層級顯示Bluetooth血壓配置文件。此配置文件配有相關服務，例如設備服務和血壓服務。您會看到配置文件包含UUID、惟一可識別信息（此示例中為制造商），這對IoT必不可少。這只是Bluetooth Smart GATT或一般屬性設定檔的其中一個示例。Bluetooth設備通常直接支持配置文件，如圖3所示。此外，還有適用于其他許多應用的配置文件，包括自定義配置文件。自定義配置文件也適用于電器。 圖3——Bluetooth Smart模塊框圖 Bluetooth Smart節能 除了惟一可識別屬性，Bluetooth Smart無線電的功耗需求也使其特別適合IoT電器。無線電能夠維持與智能手機配對而無需持續連接；而且，由于連接需要功耗，這樣可實現節能。Bluetooth無線電的“連接間隔”和“從設備延時”功能可達到此目的。在圖4中，連接間隔是進入低功耗狀態之前，從設備或“外設”傳輸到智能手機或“中央設備”之間的時間段。這段時間在數毫秒到數秒之間變化，連接的規律由從設備延時決定。結合這些參數時，可以每7.5毫秒一次的頻率傳輸數據，或每33分鐘一次的頻率傳輸數據以最大程度節能。 圖4——Bluetooth Smart通信周期 由于Vin等于Vref且S3促成了單位增益反饋，因此Vo等于Vref。C1在放電或在復位之后首次放電。在任何情況下，這一階段確保了C1被充分放電之后再進入到下一階段。在t1結束時，S1保持在打開狀態，S2保持關閉，S3被關閉，S4被打開，而RA0被配置成輸入引腳。這樣就得到了圖4中的等效電路。 低功耗MCU功能 當然，功耗公式的另一半來自MCU。功耗主要由功耗模式狀態和時鐘速度決定。 功耗模式 許多新的低功耗MCU都包含功耗模式。這是在軟件控制下更改MCU配置的能力。典型示例有運行、打盹、空閑、低電壓休眠和深度休眠。其中的每種模式都有影響功耗的重要特性。例如，PIC? MCU具有打盹和低電壓休眠模式。在打盹模式下，MCU可以比其片上外設更低的頻率運行代碼。這可降低電流消耗，但仍可使UART等關鍵外設以適當的波特率通信。低電壓休眠可關閉高性能片上穩壓器以達到低電流穩壓功能，僅使用幾百納安的電流來保留完整的MCU狀態。從運行模式切換到低電壓休眠模式可減少99.9%的電流消耗。 時鐘切換 低功耗MCU還提供實時時鐘切換功能。這是根據任務來改變時鐘頻率的能力。如果您正在基于傳感器數據運行數學密集型濾波算法，請以全速時鐘速度運行。如果處于簡單循環并且正在等待中斷，請降低時鐘速度以節省電流。使用這些方法可將電流消耗從5毫安減少到26微安——節能達99%。結論：低功耗MCU可輕松節能。 向邊緣邁進 針對各種電器設計加入IoT的邊緣相當容易。借助低功耗MCU和Bluetooth無線電的內置功能，現在可從符合能源法規的電器與IoT建立連接。此連接可收集和處理數據并將數據傳輸到智能手機，這在幾年前是無法實現的。隨著智能手機日益普及，它們能夠讓您建立高價值應用。消費者十分重視這種連接能力，因為這能讓他們使用隨身攜帶的智能手機來管理忙碌的生活。制造商也能從洞悉產品性能和使用情況中受益，可利用現代化的市場營銷和服務技術來減少生命周期成本和增加收入，并深入了解新一代電器的開發。 IoT就在這里，它代表著新的商機，請大膽邁出第一步吧。 (mbbeetchina)