讓物聯(lián)網(wǎng)能量采集更便捷的零功耗通信技術(shù)，優(yōu)勢何在？

下一代物聯(lián)網(wǎng)通信

為了進(jìn)一步提升物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在各行業(yè)的滲透率，超低功耗、極小尺寸和更低成本是后續(xù)物聯(lián)網(wǎng)方案設(shè)計的核心訴求。在功耗方面，對于免電池設(shè)計或者極低頻次更換電池的物聯(lián)網(wǎng)方案，傳統(tǒng)的MTC/NB-IoT以及現(xiàn)階段流行的RedCap等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)都已經(jīng)無法滿足需求，零功耗通信技術(shù)被寄予厚望，被定義為下一代物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)。

零功耗通信技術(shù)屬于能量采集技術(shù)中的一種，是射頻能量采集和低功耗物聯(lián)網(wǎng)的融合。從工作原理來看，零功耗通信技術(shù)使用射頻能量采集、反向散射和低功耗計算等關(guān)鍵技術(shù)，通過采集空間中的無線電波獲得能量以驅(qū)動終端工作，因此零功耗通信終端可不使用常規(guī)電池。而在這套系統(tǒng)中，射頻、傳感、控制等器件分別承擔(dān)著不同的使命，是構(gòu)建零功耗通信方案的關(guān)鍵。在貿(mào)澤電子網(wǎng)站上，擁有來自不同廠商的、品類豐富的、可用于零功耗通信的元器件供大家選擇。

圖1：零功耗通信系統(tǒng)框圖（圖源：OPPO）

零功耗通信對射頻和系統(tǒng)的要求

根據(jù)OPPO發(fā)布的《零功耗通信白皮書》，零功耗通信方案設(shè)計主要分為兩個部分，其一是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備；其二是零功耗物聯(lián)網(wǎng)終端。如上所述，零功耗物聯(lián)網(wǎng)終端又分為能量采集、反向散射通信和低功耗計算系統(tǒng)三個部分。

圖2：反向散射通信基礎(chǔ)電路（圖源：OPPO）

零功耗通信利用終端獲得的外部能量驅(qū)動終端進(jìn)行工作，能量源包括藍(lán)牙、Wi-Fi、手機信號等，也就是我們常說的射頻能量采集。互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)先后普及讓我們生活中充滿了射頻能量，它們可能來自手機、****，甚至是來自衛(wèi)星。如果我們能夠?qū)⑦@些能量收集并儲存，就可以為廣泛存在的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備供電。

對于射頻能量采集有兩項指標(biāo)非常重要：

首先是射頻能量采集器需要有一個足夠?qū)挼墓ぷ鞣秶?，包括輸入功率和輸出?fù)載電阻的變化，這樣射頻能量采集系統(tǒng)就能夠適應(yīng)多頻帶或?qū)掝l帶范圍，并且支持自動頻率調(diào)諧的射頻能量采集電路；

其次是低漏電流的能量存儲技術(shù)，系統(tǒng)采集的能量經(jīng)過倍壓器或者多倍壓器轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姡缓髢Υ娴絻δ茈娙堇?，需要采用高電容率且低漏電流的電容器，只有漏電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于收集的能量，這些采集來的能量才有可能會被用到。

集中儲存起來的能量最終被用于設(shè)備運轉(zhuǎn)，這些設(shè)備有時候也會采取零功耗（ZP）的設(shè)計理念——當(dāng)設(shè)備處于待機狀態(tài)時，系統(tǒng)的輸入電流會被降至一個非常低的水平。當(dāng)然，現(xiàn)階段的低功耗技術(shù)已經(jīng)不限于“零功耗”，連續(xù)工作的能效水平也已經(jīng)很高。在這方面，無線SoC起到了表率作用。

無線SoC由兩個主要的系統(tǒng)組成，一個是無線收發(fā)系統(tǒng)，還有一個是CPU子系統(tǒng)。無線收發(fā)系統(tǒng)一般由基帶數(shù)字信號處理器、模擬前端、RF收發(fā)器和集成功率放大器組成，主要用于支持各種無線通信協(xié)議，比如藍(lán)牙、Wi-Fi、ZigBee等。為了能夠降低設(shè)備在通信過程中的能耗，幾乎每一種無線通信協(xié)議，包括一些2.4GHz專有協(xié)議，在協(xié)議更新的過程中都把低功耗技術(shù)作為必要的更新內(nèi)容，比如業(yè)界廣為人知的藍(lán)牙低功耗技術(shù)。

相應(yīng)的，作為內(nèi)部的控制和處理單元，無線SoC中的CPU子系統(tǒng)也會進(jìn)行很多降低功耗的處理，以求在保持系統(tǒng)性能的前提下，消耗盡可能少的能量。對于零功耗通信系統(tǒng)而言，一般要做到的就是在需要的時候啟動系統(tǒng)，當(dāng)任務(wù)完成后，由CPU子系統(tǒng)控制整個系統(tǒng)進(jìn)入“零功耗”模式。

這里我們來看一個具體的例子，這款器件來自Nordic Semiconductor，是一款多協(xié)議2.4GHz SoC，貿(mào)澤電子官網(wǎng)上該器件的料號為nRF52840-QIAA-T，大家可以通過搜索此料號迅速找到這顆器件。

圖3：nRF52840多協(xié)議2.4GHz SoC（圖源：貿(mào)澤電子）

nRF52840主打超低功耗和高度靈活兩大優(yōu)勢，非常適用于短距離無線應(yīng)用。該器件支持Bluetooth 5/低功耗藍(lán)牙(Bluetooth Low Energy)、802.15.4/Thread、ANT/ANT+以及2.4GHz專有協(xié)議，用戶可以在這些協(xié)議中靈活地選擇，也可以借助器件提供的動態(tài)多協(xié)議特性實現(xiàn)并發(fā)Bluetooth 5和Thread無線連接。

nRF52840在無線連接方面還擁有一個獨特的設(shè)計，器件具有片上NFC?-A標(biāo)簽支持。也就是說，方案設(shè)計可以通過NFC Type 2和Type 4標(biāo)簽仿真協(xié)議棧來進(jìn)行OOB配對，簡化了現(xiàn)有藍(lán)牙配對認(rèn)證的過程，極大改善了用戶體驗。

在CPU子系統(tǒng)方面，nRF52840采用電源和資源管理，能夠顯著提升系統(tǒng)能效水平。比如該器件所有外設(shè)均具有獨立的自動化時鐘和電源管理功能，以確保在任務(wù)操作不需要時關(guān)閉電源，進(jìn)而降低系統(tǒng)能耗，并且這不需要應(yīng)用程序執(zhí)行和測試復(fù)雜的電源管理方案；該器件具有自動化和自適應(yīng)電源管理功能的全面系統(tǒng)，從電源切換到外設(shè)總線/EasyDMA存儲器管理進(jìn)一步細(xì)化了系統(tǒng)的能耗管理；無需外部穩(wěn)壓器，可在1.7V至5.5V的電源電壓范圍支持一次側(cè)和二次側(cè)電池技術(shù)以及USB直接供電。

圖4：nRF52840電源管理系統(tǒng)框圖（圖源：Nordic Semiconductor）

超低功耗和高度靈活的特性，讓nRF52840可以幫助開發(fā)人員將低功耗物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)帶到更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，比如傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的智能家居傳感器和控制器、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)傳感器和控制器等。當(dāng)然，開發(fā)人員也可用這款器件開發(fā)交互式娛樂設(shè)備或者高級可穿戴設(shè)備，包括高級遠(yuǎn)程控制、游戲控制器、先進(jìn)的個人健身設(shè)備、具有無線支付功能的可穿戴設(shè)備以及虛擬/增強現(xiàn)實應(yīng)用等。

零功耗通信重塑MCU供電模式

綜合《零功耗通信白皮書》等多方面報告來看，零功耗通信技術(shù)經(jīng)過初期的發(fā)展，目前已經(jīng)滲透到多個物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域中，包括物流倉儲、資產(chǎn)管理、智能家居、智能可穿戴、醫(yī)療健康、智慧能源等。在這些系統(tǒng)中，MCU依然是系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的調(diào)度。

下圖是一種典型的MCU框架圖，其主要的構(gòu)成包括CPU系統(tǒng)、總線邏輯控制單元、時鐘控制單元、儲存單元、外設(shè)接口、定時器/計時器以及中繼系統(tǒng)，這些功能單元均由總線進(jìn)行連接。

圖5：MCU基本組成框圖（圖源：貿(mào)澤電子）

隨著零功耗通信技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)的滲透，MCU的設(shè)計也在發(fā)生著改變，包括使用更低功耗的內(nèi)核，以及針對性開發(fā)多種省電模式，最終的目標(biāo)是實現(xiàn)免電池設(shè)計。當(dāng)然，現(xiàn)階段由于射頻能量收集到的能量還很小，創(chuàng)新方案一般還會搭載一次或者二次電池系統(tǒng)作為冗余的能量源。但必須要強調(diào)的是，零功耗物聯(lián)網(wǎng)的最終形態(tài)一定是免電池設(shè)計，這才是這項技術(shù)的魅力所在。

下面我們以STMicroelectronics的STM32C0x ARM Cortex-M0+32位MCU為例來展開，該器件在貿(mào)澤電子官網(wǎng)上的料號為STM32C031C6T6。

圖6：STM32C0x系列MCU（圖源：貿(mào)澤電子）

這款MCU基于ARM Cortex-M0+32位RISC內(nèi)核打造，大家都知道ARM Cortex-M0+是Arm公司專門為成本和功耗敏感型應(yīng)用打造的處理器核心，能夠以8位MCU的成本實現(xiàn)超低功耗的32位MCU。光是這顆內(nèi)核就進(jìn)行了足夠多的降低功耗設(shè)計，包括卓越的代碼密度，極低的內(nèi)存利用率，內(nèi)置低功耗應(yīng)用程序，支持三種高度優(yōu)化的低功耗模式等。

在ARM Cortex-M0+內(nèi)核的基礎(chǔ)上，STM32C0x系列MCU還增加了一個低功耗RTC，并額外設(shè)計了一套動態(tài)功耗優(yōu)化模式。這種模式可以和已有的省電模式結(jié)合，可實現(xiàn)低功耗應(yīng)用設(shè)計。匯總來看，這款器件支持的低功耗模式包括休眠、停止、待機和關(guān)閉等。為了配合這些模式的運轉(zhuǎn)，STM32C0x系列MCU都提供上電/斷電重置（POR/PDR）和可編程掉電復(fù)位（BOR）功能。

圖7：STM32C0x系列MCU系統(tǒng)框圖（圖源：STMicroelectronics）

雖然內(nèi)核面積小、功耗低，并且整個MCU系統(tǒng)也進(jìn)行了低功耗設(shè)計，不過STM32C0x系列MCU的性能依然很出色。內(nèi)核運行頻率高達(dá)48MHz，提供高速嵌入式內(nèi)存（12kB SRAM和帶讀寫保護(hù)的高達(dá)32KB閃存程序存儲器），設(shè)有增強型I/O外設(shè)、標(biāo)準(zhǔn)通信接口和一個高級控制PWM計時器等。

高集成度加上低功耗、低成本的優(yōu)勢，讓STM32C0x系列MCU非常適合用于各種消費電子、工業(yè)和電器應(yīng)用。

能量采集讓物聯(lián)網(wǎng)智慧、便捷、綠色

零功耗通信的理念從各個方面重塑了物聯(lián)網(wǎng)方案的設(shè)計，讓物聯(lián)網(wǎng)向著更高集成、更低功耗、更久續(xù)航和更低成本等方向發(fā)展。目前，除了射頻能量采集，物聯(lián)網(wǎng)所采用的能量收集技術(shù)還有太陽能采集、機械能采集和人體熱能采集等，這些技術(shù)讓物聯(lián)網(wǎng)更加綠色、便捷。

不過，更持久的續(xù)航，甚至是無電池設(shè)計并不以犧牲物聯(lián)網(wǎng)性能為前提，智能化是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)展不可逆的大趨勢。因此，不斷提升能量采集技術(shù)的轉(zhuǎn)化效率和系統(tǒng)能效是重中之重，能夠加速包括射頻能量采集在內(nèi)的能量采集技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的普及。當(dāng)然，要想在這些前沿的物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域保持技術(shù)領(lǐng)先，一定是離不開貿(mào)澤電子官網(wǎng)上新品器件的支持。

來源：貿(mào)澤電子