下一代物联网@@@@通信@@
为了进一步提升物联网@@@@技术@@在@@各行业的@@渗透率@@，超低功耗@@、极小尺寸和@@更低成本是@@后续物联网@@@@方案设计的@@核心诉求@@。在@@功耗方面@@，对于免电池设计或@@者极低频次更换电池的@@物联网@@@@方案@@，传统的@@@@MTC/NB-IoT以及@@现阶段流行的@@@@RedCap等@@物联网@@@@技术@@都已经无法满足需求@@，零功耗@@通信技术@@被寄予厚望@@，被定义为下一代物联网@@@@通信@@技术@@@@。
零功耗@@通信技术@@属于能量采集@@技术@@中的@@@@一种@@，是@@射频@@能量采集@@和@@低功耗物联网@@@@的@@融合@@。从工作原理来看@@，零功耗@@通信技术@@使用射频@@能量采集@@@@、反向散射和@@低功耗计算等@@关键技术@@@@，通过采集空间@@中的@@@@无线@@电波获得能量以驱动终端工作@@，因此@@零功耗@@通信终端可不使用常规电池@@。而在@@这套系统@@中@@，射频@@、传感@@、控制等@@器件分别承担着不同的@@使命@@，是@@构建零功耗@@通信方案的@@关键@@。在@@贸泽电子@@@@网@@站上@@，拥有来自不同厂商的@@@@、品类丰富的@@@@、可用于零功耗@@通信的@@元器件供大家选择@@。
图@@1：零功耗@@通信系统@@框图@@@@@@（图@@源@@：OPPO）
零功耗@@通信对射频@@和@@系统@@的@@要求@@
根据@@OPPO发布的@@@@《零功耗@@通信白皮书@@》，零功耗@@通信方案设计主要分为两个部分@@，其一是@@网@@络设备@@@@；其二是@@零功耗@@物联网@@@@终端@@。如上所述@@，零功耗@@物联网@@@@终端又分为能量采集@@@@、反向散射通信和@@低功耗计算系统@@三个部分@@。
图@@2：反向散射通信基础电路@@（图@@源@@：OPPO）
零功耗@@通信利用终端获得的@@外部能量驱动终端进行工作@@，能量源包括蓝牙@@、Wi-Fi、手机信号等@@@@，也就是@@我们常说的@@射频@@能量采集@@@@。互联网@@和@@物联网@@@@先后普及让@@我们生活中充满了射频@@能量@@，它们可能来自手机@@、基站@@，甚至@@是@@来自卫星@@。如果我们能够将这些能量收集并储存@@，就可以为广泛存在@@的@@物联网@@@@设备@@供电@@。
对于射频@@能量采集@@有两项指标非常重要@@：
首先是@@射频@@能量采集@@器需要有一个足够宽的@@工作范围@@，包括输入功率和@@输出负载电阻的@@变化@@，这样射频@@能量采集@@系统@@就能够适应多频带或@@宽频带范围@@，并且支持自动频率调谐的@@射频@@能量采集@@电路@@；
其次是@@低漏电流的@@能量存储技术@@@@，系统@@采集的@@能量经过倍压器或@@者多倍压器转变为直流电@@，然后储存到储能电容里@@，需要采用高电容率且低漏电流的@@电容器@@，只有漏电流远远小于收集的@@能量@@，这些采集来的@@能量才有可能会被用到@@。
集中储存起来的@@能量最终被用于设备@@运转@@，这些设备@@有时候也会采取零功耗@@@@（ZP）的@@设计理念@@——当设备@@处于待机状态时@@，系统@@的@@输入电流会被降至@@一个非常低的@@水平@@。当然@@，现阶段的@@低功耗技术@@已经不限于@@“零功耗@@”，连续工作的@@能效水平也已经很高@@。在@@这方面@@，无线@@SoC起到了表率作用@@。
无线@@SoC由@@两个主要的@@系统@@组成@@，一个是@@无线@@收发系统@@@@，还有一个是@@@@CPU子系统@@@@。无线@@收发系统@@一般由@@基带数字信号处理器@@、模拟前端@@、RF收发器和@@集成功率放大器组成@@，主要用于支持各种无线@@通信协议@@，比如蓝牙@@、Wi-Fi、ZigBee等@@。为了能够降低设备@@在@@通信过程中的@@@@能耗@@，几乎每一种无线@@通信协议@@，包括一些@@2.4GHz专有协议@@，在@@协议更新的@@过程中都把低功耗技术@@作为必要的@@更新内容@@，比如业界广为人知的@@蓝牙低功耗技术@@@@。
相应的@@@@，作为内部的@@控制和@@处理单元@@，无线@@SoC中的@@@@CPU子系统@@@@也会进行很多降低功耗的@@处理@@，以求在@@保持系统@@性能的@@前提下@@，消耗尽可能少的@@能量@@。对于零功耗@@通信系统@@而言@@，一般要做到的@@就是@@在@@需要的@@时候启动系统@@@@，当任务完成后@@，由@@CPU子系统@@@@控制整个系统@@进入@@“零功耗@@”模式@@。
这里我们来看一个具体的@@例子@@，这款@@器件来自@@Nordic Semiconductor，是@@一款多协议@@@@2.4GHz SoC，贸泽电子@@@@官网@@上该器件的@@料号为@@nRF52840-QIAA-T，大家可以通过搜索此料号迅速找到这颗器件@@。
图@@3：nRF52840多协议@@2.4GHz SoC（图@@源@@：贸泽电子@@@@）
nRF52840主打超低功耗@@和@@高度灵活两大优势@@，非常适用于短距离无线@@应用@@。该器件支持@@Bluetooth 5/低功耗蓝牙@@(Bluetooth Low Energy)、802.15.4/Thread、ANT/ANT+以及@@2.4GHz专有协议@@，用户可以在@@这些协议中灵活地选择@@，也可以借助器件提供的@@动态多协议@@特性实现并发@@Bluetooth 5和@@Thread无线@@连接@@。
nRF52840在@@无线@@连接@@方面还拥有一个独特的@@设计@@，器件具有片上@@NFC™-A标签支持@@。也就是@@说@@，方案设计可以通过@@NFC Type 2和@@Type 4标签仿真协议栈来进行@@OOB配对@@，简化了现有蓝牙配对@@认证的@@过程@@，极大改善了用户体验@@。
在@@CPU子系统@@@@方面@@，nRF52840采用电源和@@资源管理@@，能够显著提升系统@@能效水平@@。比如该器件所有外设@@均具有独立的@@自动化时钟和@@电源管理功能@@@@，以确保在@@任务操作不需要时关闭电源@@，进而降低系统@@能耗@@，并且这不需要应用程序执行和@@测试复杂的@@电源管理方案@@；该器件具有自动化和@@自适应电源管理功能@@的@@全面系统@@@@，从电源切换到外设@@总线@@/EasyDMA存储器管理进一步细化了系统@@的@@能耗管理@@；无需外部稳压器@@，可在@@@@1.7V至@@5.5V的@@电源电压范围支持一次侧和@@二次侧电池技术@@以及@@@@USB直接供电@@。
图@@4：nRF52840电源管理系统@@框图@@@@@@（图@@源@@：Nordic Semiconductor）
超低功耗@@和@@高度灵活的@@特性@@，让@@nRF52840可以帮助开发人员将低功耗物联网@@@@技术@@带到更广泛的@@应用领域@@，比如传统物联网@@@@应用中的@@@@智能家居@@传感@@器和@@控制器@@、工业物联网@@@@传感@@器和@@控制器等@@@@。当然@@，开发人员也可用这款@@器件开发交互式娱乐设备@@或@@者高级可穿戴设备@@@@，包括高级远程控制@@、游戏控制器@@、先进的@@个人健身设备@@@@、具有无线@@支付功能@@的@@可穿戴设备@@以及@@虚拟@@/增强现实应用等@@@@。
零功耗@@通信重塑@@MCU供电模式@@@@
综合@@《零功耗@@通信白皮书@@》等@@多方面报告来看@@，零功耗@@通信技术@@经过初期的@@发展@@，目前@@已经渗透到多个物联网@@@@领域中@@，包括物流仓储@@、资产管理@@、智能家居@@、智能可穿戴@@、医疗健康@@、智慧能源等@@@@。在@@这些系统@@中@@，MCU依然是@@系统@@的@@核心@@，负责整个系统@@的@@调度@@。
下图@@是@@一种典型的@@@@MCU框架图@@@@，其主要的@@构成包括@@CPU系统@@、总线逻辑控制单元@@、时钟控制单元@@、储存单元@@、外设@@接口@@、定时器@@/计时器以及@@中继系统@@@@，这些功能@@单元均由@@总线进行连接@@。
图@@5：MCU基本组成框图@@@@（图@@源@@：贸泽电子@@@@）
随着零功耗@@通信技术@@在@@物联网@@@@的@@渗透@@，MCU的@@设计也在@@发生着改变@@，包括使用更低功耗@@的@@内核@@，以及@@针对性开发多种省电模式@@@@，最终的@@目标是@@实现免电池设计@@。当然@@，现阶段由@@于射频@@能量收集到的@@能量还很小@@，创新方案一般还会搭载一次或@@者二次电池系统@@作为冗余的@@能量源@@。但必须要强调的@@是@@@@，零功耗@@物联网@@@@的@@最终形态一定是@@免电池设计@@，这才是@@这项技术@@的@@魅力所在@@@@。
下面我们以@@STMicroelectronics的@@STM32C0x ARM Cortex-M0+32位@@MCU为例来展开@@，该器件在@@贸泽电子@@@@官网@@上的@@料号为@@STM32C031C6T6。
图@@6：STM32C0x系列@@MCU（图@@源@@：贸泽电子@@@@）
这款@@MCU基于@@ARM Cortex-M0+32位@@RISC内核打造@@，大家都知道@@ARM Cortex-M0+是@@Arm公司专门为成本和@@功耗敏感型应用打造的@@处理器核心@@，能够以@@8位@@MCU的@@成本实现超低功耗@@的@@@@32位@@MCU。光是@@这颗内核就进行了足够多的@@降低功耗设计@@，包括卓越的@@代码密度@@，极低的@@内存利用率@@，内置低功耗应用程序@@，支持三种高度优化的@@低功耗模式@@等@@@@。
在@@ARM Cortex-M0+内核的@@基础上@@，STM32C0x系列@@MCU还增加了一个低功耗@@RTC，并额外设@@计了一套动态功耗优化模式@@@@。这种模式@@可以和@@已有的@@省电模式@@结合@@，可实现低功耗应用设计@@。汇总@@来看@@，这款@@器件支持的@@低功耗模式@@包括休眠@@、停止@@、待机和@@关闭等@@@@。为了配合这些模式@@的@@运转@@，STM32C0x系列@@MCU都提供上电@@/断电重置@@（POR/PDR）和@@可编程掉电复位@@@@（BOR）功能@@。
图@@7：STM32C0x系列@@MCU系统@@框图@@@@（图@@源@@：STMicroelectronics）
虽然内核面积小@@、功耗低@@，并且整个@@MCU系统@@也进行了低功耗设计@@，不过@@STM32C0x系列@@MCU的@@性能依然很出色@@。内核运行频率高达@@48MHz，提供高速嵌入式内存@@（12kB SRAM和@@带读写保护的@@高达@@32KB闪存程序存储器@@），设有增强型@@I/O外设@@、标准通信接口和@@一个高级控制@@PWM计时器等@@@@。
高集成度加上低功耗@@、低成本的@@优势@@，让@@STM32C0x系列@@MCU非常适合用于各种消费电子@@@@、工业和@@电器应用@@。
能量采集@@让@@物联网@@@@智慧@@、便捷@@、绿色@@
零功耗@@通信的@@理念从各个方面重塑了物联网@@@@方案的@@设计@@，让@@物联网@@@@向着更高集成@@、更低功耗@@、更久续航和@@更低成本等@@方向发展@@。目前@@，除了射频@@能量采集@@@@，物联网@@@@所采用的@@能量收集技术@@还有太阳能采集@@、机械能采集和@@人体热能采集等@@@@，这些技术@@让@@物联网@@@@更加绿色@@@@、便捷@@。
不过@@，更持久的@@续航@@，甚至@@是@@无电池设计并不以牺牲物联网@@@@性能为前提@@，智能化是@@物联网@@@@系统@@发展不可逆的@@大趋势@@。因此@@，不断提升能量采集@@技术@@的@@转化效率和@@系统@@能效是@@重中之重@@，能够加速包括射频@@能量采集@@在@@内的@@能量采集@@技术@@在@@物联网@@@@领域的@@普及@@。当然@@，要想在@@这些前沿的@@物联网@@@@领域保持技术@@领先@@，一定是@@离不开贸泽电子@@@@官网@@上新品器件的@@支持@@。
本文转载自@@： 贸泽电子@@@@微信公众号@@@@