【導讀】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物聯(lián)網(wǎng)方案設計的核心訴求。在功耗方面，對于免電池設計或者極低頻次更換電池的物聯(lián)網(wǎng)方案，傳統的MTC/NB-IoT以及現階段流行的RedCap等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)都已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)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)。
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物聯(lián)網(wǎng)方案設計的核心訴求。在功耗方面，對于免電池設計或者極低頻次更換電池的物聯(lián)網(wǎng)方案，傳統的MTC/NB-IoT以及現階段流行的RedCap等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)都已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)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(lái)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(guò)采集空間中的無(wú)線(xiàn)電波獲得能量以驅動(dòng)終端工作，因此零功耗通信終端可不使用常規電池。而在這套系統中，射頻、傳感、控制等器件分別承擔著(zhù)不同的使命，是構建零功耗通信方案的關(guān)鍵。在貿澤電子網(wǎng)站上，擁有來(lái)自不同廠(chǎng)商的、品類(lèi)豐富的、可用于零功耗通信的元器件供大家選擇。
圖1：零功耗通信系統框圖
（圖源：OPPO）
零功耗通信對射頻和系統的要求
根據OPPO發(fā)布的《零功耗通信白皮書(shū)》，零功耗通信方案設計主要分為兩個(gè)部分，其一是網(wǎng)絡(luò )設備；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三個(gè)部分。
圖2：反向散射通信基礎電路
（圖源：OPPO）
零功耗通信利用終端獲得的外部能量驅動(dòng)終端進(jìn)行工作，能量源包括藍牙、Wi-Fi、手機信號等，也就是我們常說(shuō)的射頻能量采集?；ヂ?lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)先后普及讓我們生活中充滿(mǎn)了射頻能量，它們可能來(lái)自手機、基站，甚至是來(lái)自衛星。如果我們能夠將這些能量收集并儲存，就可以為廣泛存在的物聯(lián)網(wǎng)設備供電。
對于射頻能量采集有兩項指標非常重要：
首先是射頻能量采集器需要有一個(gè)足夠寬的工作范圍，包括輸入功率和輸出負載電阻的變化，這樣射頻能量采集系統就能夠適應多頻帶或寬頻帶范圍，并且支持自動(dòng)頻率調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)，系統采集的能量經(jīng)過(guò)倍壓器或者多倍壓器轉變?yōu)橹绷麟?，然后儲存到儲能電容里，需要采用高電容率且低漏電流的電容器，只有漏電流遠遠小于收集的能量，這些采集來(lái)的能量才有可能會(huì )被用到。
集中儲存起來(lái)的能量最終被用于設備運轉，這些設備有時(shí)候也會(huì )采取零功耗（ZP）的設計理念——當設備處于待機狀態(tài)時(shí)，系統的輸入電流會(huì )被降至一個(gè)非常低的水平。當然，現階段的低功耗技術(shù)已經(jīng)不限于“零功耗”，連續工作的能效水平也已經(jīng)很高。在這方面，無(wú)線(xiàn)SoC起到了表率作用。
無(wú)線(xiàn)SoC由兩個(gè)主要的系統組成，一個(gè)是無(wú)線(xiàn)收發(fā)系統，還有一個(gè)是CPU子系統。無(wú)線(xiàn)收發(fā)系統一般由基帶數字信號處理器、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(wú)線(xiàn)通信協(xié)議，比如藍牙、Wi-Fi、ZigBee等。為了能夠降低設備在通信過(guò)程中的能耗，幾乎每一種無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議，包括一些2.4GHz專(zhuān)有協(xié)議，在協(xié)議更新的過(guò)程中都把低功耗技術(shù)作為必要的更新內容，比如業(yè)界廣為人知的藍牙低功耗技術(shù)。
相應的，作為內部的控制和處理單元，無(wú)線(xiàn)SoC中的CPU子系統也會(huì )進(jìn)行很多降低功耗的處理，以求在保持系統性能的前提下，消耗盡可能少的能量。對于零功耗通信系統而言，一般要做到的就是在需要的時(shí)候啟動(dòng)系統，當任務(wù)完成后，由CPU子系統控制整個(gè)系統進(jìn)入“零功耗”模式。
這里我們來(lái)看一個(gè)具體的例子，這款器件來(lái)自Nordic Semiconductor，是一款多協(xié)議2.4GHz SoC，貿澤電子官網(wǎng)上該器件的料號為nRF52840-QIAA-T，大家可以通過(guò)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(wú)線(xiàn)應用。該器件支持Bluetooth 5/低功耗藍牙(Bluetooth Low Energy)、802.15.4/Thread、ANT/ANT+以及2.4GHz專(zhuān)有協(xié)議，用戶(hù)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(dòng)態(tài)多協(xié)議特性實(shí)現并發(fā)Bluetooth 5和Thread無(wú)線(xiàn)連接。
nRF52840在無(wú)線(xiàn)連接方面還擁有一個(gè)獨特的設計，器件具有片上NFC?-A標簽支持。也就是說(shuō)，方案設計可以通過(guò)NFC Type 2和Type 4標簽仿真協(xié)議棧來(lái)進(jìn)行OOB配對，簡(jiǎn)化了現有藍牙配對認證的過(guò)程，極大改善了用戶(hù)體驗。
在CPU子系統方面，nRF52840采用電源和資源管理，能夠顯著(zhù)提升系統能效水平。比如該器件所有外設均具有獨立的自動(dòng)化時(shí)鐘和電源管理功能，以確保在任務(wù)操作不需要時(shí)關(guān)閉電源，進(jìn)而降低系統能耗，并且這不需要應用程序執行和測試復雜的電源管理方案；該器件具有自動(dòng)化和自適應電源管理功能的全面系統，從電源切換到外設總線(xiàn)/EasyDMA存儲器管理進(jìn)一步細化了系統的能耗管理；無(wú)需外部穩壓器，可在1.7V至5.5V的電源電壓范圍支持一次側和二次側電池技術(shù)以及USB直接供電。
圖4：nRF52840電源管理系統框圖
（圖源：Nordic Semiconductor）
超低功耗和高度靈活的特性，讓nRF52840可以幫助開(kāi)發(fā)人員將低功耗物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)帶到更廣泛的應用領(lǐng)域，比如傳統物聯(lián)網(wǎng)應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。當然，開(kāi)發(fā)人員也可用這款器件開(kāi)發(fā)交互式娛樂(lè )設備或者高級可穿戴設備，包括高級遠程控制、游戲控制器、先進(jìn)的個(gè)人健身設備、具有無(wú)線(xiàn)支付功能的可穿戴設備以及虛擬/增強現實(shí)應用等。
零功耗通信重塑MCU供電模式
綜合《零功耗通信白皮書(shū)》等多方面報告來(lái)看，零功耗通信技術(shù)經(jīng)過(guò)初期的發(fā)展，目前已經(jīng)滲透到多個(gè)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、醫療健康、智慧能源等。在這些系統中，MCU依然是系統的核心，負責整個(gè)系統的調度。
下圖是一種典型的MCU框架圖，其主要的構成包括CPU系統、總線(xiàn)邏輯控制單元、時(shí)鐘控制單元、儲存單元、外設接口、定時(shí)器/計時(shí)器以及中繼系統，這些功能單元均由總線(xiàn)進(jìn)行連接。
圖5：MCU基本組成框圖
（圖源：貿澤電子）
隨著(zhù)零功耗通信技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)的滲透，MCU的設計也在發(fā)生著(zhù)改變，包括使用更低功耗的內核，以及針對性開(kāi)發(fā)多種省電模式，最終的目標是實(shí)現免電池設計。當然，現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(huì )搭載一次或者二次電池系統作為冗余的能量源。但必須要強調的是，零功耗物聯(lián)網(wǎng)的最終形態(tài)一定是免電池設計，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(lái)展開(kāi)，該器件在貿澤電子官網(wǎng)上的料號為STM32C031C6T6。
圖6：STM32C0x系列MCU
（圖源：貿澤電子）
這款MCU基于A(yíng)RM Cortex-M0+32位RISC內核打造，大家都知道ARM Cortex-M0+是Arm公司專(zhuān)門(mén)為成本和功耗敏感型應用打造的處理器核心，能夠以8位MCU的成本實(shí)現超低功耗的32位MCU。光是這顆內核就進(jìn)行了足夠多的降低功耗設計，包括卓越的代碼密度，極低的內存利用率，內置低功耗應用程序，支持三種高度優(yōu)化的低功耗模式等。
在A(yíng)RM Cortex-M0+內核的基礎上，STM32C0x系列MCU還增加了一個(gè)低功耗RTC，并額外設計了一套動(dòng)態(tài)功耗優(yōu)化模式。這種模式可以和已有的省電模式結合，可實(shí)現低功耗應用設計。匯總來(lái)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，STM32C0x系列MCU都提供上電/斷電重置（POR/PDR）和可編程掉電復位（BOR）功能。
圖7：STM32C0x系列MCU系統框圖
（圖源：STMicroelectronics）
雖然內核面積小、功耗低，并且整個(gè)MCU系統也進(jìn)行了低功耗設計，不過(guò)STM32C0x系列MCU的性能依然很出色。內核運行頻率高達48MHz，提供高速嵌入式內存（12kB SRAM和帶讀寫(xiě)保護的高達32KB閃存程序存儲器），設有增強型I/O外設、標準通信接口和一個(gè)高級控制PWM計時(shí)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(gè)方面重塑了物聯(lián)網(wǎng)方案的設計，讓物聯(lián)網(wǎng)向著(zhù)更高集成、更低功耗、更久續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(yáng)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(guò)，更持久的續航，甚至是無(wú)電池設計并不以犧牲物聯(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)的轉化效率和系統能效是重中之重，能夠加速包括射頻能量采集在內的能量采集技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的普及。當然，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(kāi)貿澤電子官網(wǎng)上新品器件的支持。
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