物聯(lián)網(wǎng)（IoT）普及的關鍵：盤點下一代超低功耗節(jié)點黑科技【干貨】

隨著物聯(lián)網(wǎng)的逐漸鋪開，人們已經(jīng)在生活中看到了越來越多的物聯(lián)網(wǎng)模塊：智能水表，共享單車等等......目前的物聯(lián)網(wǎng)仍然主要由運營商推動，物聯(lián)網(wǎng)模塊需要使用標準蜂窩協(xié)議與基站通訊。

由于基站需要覆蓋盡可能大的面積，因此物聯(lián)網(wǎng)模塊需要能做到在距離基站很遠時仍能通訊，這就對于物聯(lián)網(wǎng)模塊的射頻發(fā)射功率有了很高的要求；從另一個角度來說，物聯(lián)網(wǎng)模塊在做無線通訊時仍然需要消耗高達30mA的電流，這使得目前的物聯(lián)網(wǎng)模組仍然需要配合較高容量的電池（如五號電池）才能工作，這也導致了物聯(lián)網(wǎng)模組的尺寸很難做小。

為了能進一步普及物聯(lián)網(wǎng)，必須克服這個功耗以及尺寸的限制。例如，如果未來要把物聯(lián)網(wǎng)做到植入人體內，則不可能再搭配五號電池，而必須使用更小的電池甚至使用能量獲取系統(tǒng)從環(huán)境中獲取能量徹底擺脫電池的限制。

為了實現(xiàn)這個目標，從通訊協(xié)議上說，可以使用更低功耗的自組網(wǎng)技術，類似BLE；而從電路實現(xiàn)上，則必須使用創(chuàng)新電路來降低功耗。

根據(jù)之前的討論，目前電池的尺寸和成本都已經(jīng)成為了限制IoT設備近一步進入潛在市場的瓶頸。那么，有沒有可能使用從環(huán)境中獲得能量來支持物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點工作呢？這種從環(huán)境中獲取能量來支持物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點工作的模塊叫做“能量獲取”（energy harvesting），目前能量獲取電路芯片的研究已經(jīng)成為了研究領域的熱門方向。

目前最成熟的能量獲取系統(tǒng)可以說是太陽能電池。傳統(tǒng)太陽能電池能提供較好的能量獲取效率，但是付出的代價是難以集成到CMOS芯片上。最近，不少研究機構都在使用新型CMOS太陽能電池，從而可以和物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點的其他模塊集成到同一塊芯片上，大大增加了集成度并減小模組尺寸。當然，集成在CMOS芯片上的太陽能電池需要付出低能量輸出的代價，目前常見的CMOS片上太陽能電池在室內燈光下能提供nW等級的功率輸出，而在強光下能提供uW級別的功率輸出，這就對物聯(lián)網(wǎng)模組的整體功耗優(yōu)化提出了很高的要求。另一方面，也可以將能量獲取與小尺寸微型電池配合使用，當光照較好時使用太陽能電池而在光照較弱時使用備用電池，從而提升整體物聯(lián)網(wǎng)模組的電池壽命。

除了太陽能電池外，另一個廣為人知的環(huán)境能量就是WiFi信號。今年ISSCC上，來自俄勒岡州立大學的研究組發(fā)表了從環(huán)境中的WiFi信號獲取能量的芯片。先來點背景知識：WiFi的最大發(fā)射功率是30dBm（即1W），在簡單的環(huán)境里（即沒有遮擋等）信號功率隨著與發(fā)射設備的距離平方衰減，在距離3m左右的距離信號功率就衰減到了1uW（-30dBm）左右，而如果有物體遮擋則會導致功率更小。俄勒岡州立大學發(fā)表的論文中，芯片配合直徑為1.5cm的天線可以在非常低的無線信號功率（-33dBm即500nW）下也能工作給電池充電，能量獲取效率在5-10%左右（即在距離發(fā)射源3m的情況下輸出功率在50nW左右）。因此，WiFi信號也可以用來給物聯(lián)網(wǎng)模組提供能量，但是其輸出功率在現(xiàn)實的距離上也不大，同樣也需要節(jié)點模組對于功耗做深度優(yōu)化。

另外，機械能也可以作為物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點的能量獲取來源。壓電效應可以把機械能轉換為電能，從而使用壓電材料（例如壓電MEMS）就能為物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點充電。使用壓電材料做能量源的典型應用包括各種智能城市和工業(yè)應用，例如當有車壓過減速帶的時候，減速帶下的物聯(lián)網(wǎng)傳感器上的壓電材料可以利用車輛壓力的機械能給傳感器充電并喚醒傳感器，從而實現(xiàn)車輛數(shù)量統(tǒng)計等。這樣，機械壓力即可以作為需要測量的信號，其本身又可以作為能量源，所以在沒有信號的時候就無需浪費能量了！壓電材料的輸出功率隨著機械能的大小不同會有很大的區(qū)別，一般在nW-mW的數(shù)量級范圍。

傳統(tǒng)的IoT無線收發(fā)系統(tǒng)使用的往往是周期性通訊或主動事件驅動通訊的方案。周期性通訊指的是IoT節(jié)點定期打開與中心節(jié)點通訊，并在其他時間休眠；事件驅動通訊則是指IoT節(jié)點僅僅在傳感器監(jiān)測到特定事件時才與中心節(jié)點通訊，而其它時候都休眠。

在這兩種模式中，都需要IoT節(jié)點主動與中心節(jié)點建立連接并通訊。然而，這個建立連接的過程是非常消耗能量的。因此，喚醒式無線系統(tǒng)的概念就應運而生。

什么是喚醒式無線系統(tǒng)？就是該該系統(tǒng)在大多數(shù)時候都是休眠的，僅僅當主節(jié)點發(fā)射特定信號時才會喚醒無線系統(tǒng)。換句話說，連接的建立這個耗費能量的過程并不由IoT節(jié)點來完成，而是由中心節(jié)點通過發(fā)送喚醒信號來完成。

當建立連接的事件由中心節(jié)點來驅動時，一切都變得簡單。首先，中心節(jié)點可以發(fā)射一段射頻信號，而IoT節(jié)點可以通過能量獲?。╡nergy harvesting）電路從該射頻信號中獲取能量為內部電容充電。當IoT節(jié)點的電容充電完畢后，無線連接系統(tǒng)就可以使用電容里的能量來發(fā)射射頻信號與中心節(jié)點通訊。這樣一來，就可以做到無電池操作。想象一下，如果不是使用喚醒式無線系統(tǒng)，而是使用IoT主動連接的話，無電池就會變得困難，因為無法保證IoT節(jié)點在需要通訊的時候在節(jié)點內有足夠的能量。反之，現(xiàn)在使用喚醒式系統(tǒng)，中心節(jié)點在需要IoT節(jié)點工作時首先為其充電喚醒，就能保證每次IoT節(jié)點都有足夠能量通訊。

那么，這樣的喚醒式無線系統(tǒng)功耗有多低呢？在2016年的ISSCC上，來自初創(chuàng)公司PsiKick發(fā)表的支持BLE網(wǎng)絡的喚醒式接收機在做無線通訊時僅需要400 nW的功耗，而到了2017年ISSCC，加州大學圣地亞哥分校發(fā)表的喚醒式接收機更是把功耗做到了4.5 nW，比起傳統(tǒng)需要毫瓦級的IoT芯片小了4-6個數(shù)量級！

來自UCSD的4.5 nW超低功耗喚醒式接收機

喚醒式接收機主要解決了無線鏈路中如何低功耗接收信號的問題，但是在如果使用傳統(tǒng)的發(fā)射機，則還是需要主動發(fā)射射頻信號。發(fā)射機也是非常費電的，發(fā)射信號時所需的功耗常常要達到毫瓦數(shù)量級。那么，有沒有可能在發(fā)射機處也做一些創(chuàng)新，降低功耗呢？

確實已經(jīng)有人另辟蹊徑，想到了不發(fā)射射頻信號也能把IoT節(jié)點傳感器的信息傳輸出去的辦法，就是由華盛頓大學研究人員提出的使用發(fā)射調制。反射調制有點像在航海和野外探險中的日光信號鏡，日光信號鏡通過不同角度的反射太陽光來傳遞信息。在這里，信號的載體是太陽光，但是太陽光能量并非傳遞信號的人發(fā)射的，而是作為第三方的太陽提供的。類似的，華盛頓大學研究人員提出的辦法也是這樣：中心節(jié)點發(fā)射射頻信號，IoT節(jié)點則傳感器的輸出來改變（調制）天線的發(fā)射系數(shù)，這樣中心節(jié)點通過檢測反射信號就可以接收IoT節(jié)點的信號。在整個過程中IoT節(jié)點并沒有發(fā)射射頻信號，而是反射中心節(jié)點發(fā)出的射頻信號，這樣就實現(xiàn)了超低功耗。

華盛頓大學的Shyam Gollakota教授率領的研究組在反射調制實現(xiàn)的超低功耗IoT領域目前已經(jīng)完成了三個相關項目。去年，他們完成了passive WiFi和interscatter項目。Passive WiFi用于長距離反射通信，使用WiFi路由器發(fā)射功率相對較高的射頻信號，而IoT節(jié)點則調制天線反射系數(shù)來傳遞信息。多個IoT節(jié)點可以共存，并使用類似CDMA擴頻的方式來同時發(fā)射信息。interscatter則用于短距離數(shù)據(jù)傳輸，使用移動設備發(fā)射功率較低的射頻信號，而IoT節(jié)點則調制該射頻信號的反射來實現(xiàn)信息傳輸?shù)哪康?。Passive WiFi和interscatter芯片的功耗都在10-20微瓦附近，比起動輒毫瓦級別的傳統(tǒng)IoT無線芯片小了幾個數(shù)量級，同時也為物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點進入人體內等應用場景鋪平了道路。

Passive WiFi（上）與Interscatter（下）使用反射調制，分別針對長距離與短距離應用。

Passive WiFi和Interscatter還需要使用電信號因此需要供電，而Gollakota教授最近發(fā)表的Printed WiFi則是更進一步，完全不需要供電了！

在物聯(lián)網(wǎng)的應用中，許多需要檢測的物理量其實不是電信號，例如速度，液體流量等等。這些物理量雖然不是電物理量，但是由于目前主流的信號處理和傳輸都是使用電子系統(tǒng)，因此傳統(tǒng)的做法還是使用傳感器電子芯片把這些物理量轉化為電信號，之后再用無線連接傳輸出去。其實，這一步轉化過程并非必要，而且會引入額外的能量消耗。Printed WiFi的創(chuàng)新之處就是使用機械系統(tǒng)去調制天線的反射系數(shù)，從而通過反射調制把這些物理量傳輸出去。這樣，在IoT節(jié)點就完全避免了電子系統(tǒng)，從而真正實現(xiàn)無電池工作！

目前，這些機械系統(tǒng)使用3D打印的方式制作，這也是該項目取名Printed WiFi的原因。

物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點最基本的目標就是提供傳感功能，因此超低功耗傳感器也是必不可少。目前，溫度、光照傳感器在經(jīng)過深度優(yōu)化后已經(jīng)可以實現(xiàn)nW-uW數(shù)量級的功耗，而在智能音響中得到廣泛應用的聲音傳感器則往往要消耗mW數(shù)量級甚至更高的功耗，因此成為了下一步突破研發(fā)的重點。

在聲音傳感器領域，最近的突破來自于壓電MEMS。傳統(tǒng)的聲音傳感器（即麥克風）必須把整個系統(tǒng)（包括后端ADC和DSP）一直處于活動待機狀態(tài)，以避免錯過任何有用的聲音信號，因此平均功耗在接近mW這樣的數(shù)量級。然而，在不少環(huán)境下，這樣的系統(tǒng)其實造成了能量的浪費，因為大多數(shù)時候環(huán)境里可能并沒有聲音，造成了ADC、DSP等模組能量的浪費。而使用壓電MEMS可以避免這樣的問題：當沒有聲音信號時，壓電MEMS系統(tǒng)處于休眠狀態(tài)，僅僅前端壓電MEMS麥克風在待命，而后端的ADC、DSP都處于休眠狀態(tài)，整體功耗在uW數(shù)量級。而一旦有用聲音信號出現(xiàn)并被壓電MEMS檢測到，則壓電MEMS麥克風可以輸出喚醒信號將后面的ADC和DSP喚醒，從而不錯過有用信號。因此，整體聲音傳感器的平均功耗可以在常規(guī)的應用場景下可以控制在uW數(shù)量級，從而使聲音傳感器可以進入更多應用場景。

物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點里的最后一個關鍵模組是MCU。MCU作為控制整個物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點的核心模組，其功耗也往往不可忽視。如何減小MCU的功耗？MCU功耗一般分為靜態(tài)漏電和動態(tài)功耗兩部分。

在靜態(tài)漏電部分，為了減小漏電，可以做的是減小電源電壓，以及使用低漏電的標準單元設計。在動態(tài)功耗部分，我們可以減小電源電壓或者降低時鐘頻率來降低功耗。由此可見，降低電源電壓可以同時降低靜態(tài)漏電和動態(tài)功耗，因此能將電源電壓降低的亞閾值電路設計就成了超低功耗MCU設計的必由之路。

舉例來說，將電源電壓由1.2V降低到0.5V可以將動態(tài)功耗降低接近6倍，而靜態(tài)漏電更是指數(shù)級下降。當然，亞閾值電路設計會涉及一些設計流程方面的挑戰(zhàn)，例如如何確定亞閾值門電路的延遲，建立／保持時間等都需要仔細仿真和優(yōu)化。在學術界，弗吉尼亞大學的研究組發(fā)布了動態(tài)功耗低至500nW的傳感器SoC，其中除了MCU之外還包括了計算加速器和無線基帶。在已經(jīng)商業(yè)化的技術方面，初創(chuàng)公司Ambiq的Apollo系列MCU可以實現(xiàn)35uA／MHz的超低功耗，其設計使用了Ambiq擁有多年積累的SPOT亞閾值設計技術。在未來，我們可望可以看到功耗低至nW數(shù)量級的MCU，從而為使用能量獲取技術的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點鋪平道路。