讓物聯網能量采集更便捷的零功耗通信技術，優勢何在？
發布時間：2023-8-15 14:30
發布者：eechina
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來源：貿澤電子 下一代物聯網通信 為了進一步提升物聯網技術在各行業的滲透率，超低功耗、極小尺寸和更低成本是后續物聯網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網方案，傳統的MTC/NB-IoT以及現階段流行的RedCap等物聯網技術都已經無法滿足需求，零功耗通信技術被寄予厚望，被定義為下一代物聯網通信技術。 零功耗通信技術屬于能量采集技術中的一種，是射頻能量采集和低功耗物聯網的融合。從工作原理來看，零功耗通信技術使用射頻能量采集、反向散射和低功耗計算等關鍵技術，通過采集空間中的無線電波獲得能量以驅動終端工作，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不同的使命，是構建零功耗通信方案的關鍵。在貿澤電子網站上，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1：零功耗通信系統框圖（圖源：OPPO） 零功耗通信對射頻和系統的要求 根據OPPO發布的《零功耗通信白皮書》，零功耗通信方案設計主要分為兩個部分，其一是網絡設備；其二是零功耗物聯網終端。如上所述，零功耗物聯網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終端進行工作，能量源包括藍牙、Wi-Fi、手機信號等，也就是我們常說的射頻能量采集�；ヂ摼W和物聯網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、基站，甚至是來自衛星。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網設備供電。 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，系統采集的能量經過倍壓器或者多倍壓器轉變為直流電，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備運轉，這些設備有時候也會采取零功耗（ZP）的設計理念——當設備處于待機狀態時，系統的輸入電流會被降至一個非常低的水平。當然，現階段的低功耗技術已經不限于“零功耗”，連續工作的能效水平也已經很高。在這方面，無線SoC起到了表率作用。 無線SoC由兩個主要的系統組成，一個是無線收發系統，還有一個是CPU子系統。無線收發系統一般由基帶數字信號處理器、模擬前端、RF收發器和集成功率放大器組成，主要用于支持各種無線通信協議，比如藍牙、Wi-Fi、ZigBee等。為了能夠降低設備在通信過程中的能耗，幾乎每一種無線通信協議，包括一些2.4GHz專有協議，在協議更新的過程中都把低功耗技術作為必要的更新內容，比如業界廣為人知的藍牙低功耗技術。 相應的，作為內部的控制和處理單元，無線SoC中的CPU子系統也會進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候啟動系統，當任務完成后，由CPU子系統控制整個系統進入“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，是一款多協議2.4GHz SoC，貿澤電子官網上該器件的料號為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勢，非常適用于短距離無線應用。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專有協議，用戶可以在這些協議中靈活地選擇，也可以借助器件提供的動態多協議特性實現并發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計，器件具有片上NFC™-A標簽支持。也就是說，方案設計可以通過NFC Type 2和Type 4標簽仿真協議棧來進行OOB配對，簡化了現有藍牙配對認證的過程，極大改善了用戶體驗。 在CPU子系統方面，nRF52840采用電源和資源管理，能夠顯著提升系統能效水平。比如該器件所有外設均具有獨立的自動化時鐘和電源管理功能，以確保在任務操作不需要時關閉電源，進而降低系統能耗，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/EasyDMA存儲器管理進一步細化了系統的能耗管理；無需外部穩壓器，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可以幫助開發人員將低功耗物聯網技術帶到更廣泛的應用領域，比如傳統物聯網應用中的智能家居傳感器和控制器、工業物聯網傳感器和控制器等。當然，開發人員也可用這款器件開發交互式娛樂設備或者高級可穿戴設備，包括高級遠程控制、游戲控制器、先進的個人健身設備、具有無線支付功能的可穿戴設備以及虛擬/增強現實應用等。 零功耗通信重塑MCU供電模式 綜合《零功耗通信白皮書》等多方面報告來看，零功耗通信技術經過初期的發展，目前已經滲透到多個物聯網領域中，包括物流倉儲、資產管理、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、總線邏輯控制單元、時鐘控制單元、儲存單元、外設接口、定時器/計時器以及中繼系統，這些功能單元均由總線進行連接。
圖5：MCU基本組成框圖（圖源：貿澤電子） 隨著零功耗通信技術在物聯網的滲透，MCU的設計也在發生著改變，包括使用更低功耗的內核，以及針對性開發多種省電模式，最終的目標是實現免電池設計。當然，現階段由于射頻能量收集到的能量還很小，創新方案一般還會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，零功耗物聯網的最終形態一定是免電池設計，這才是這項技術的魅力所在。 下面我們以STMicroelectronics的STM32C0x ARM Cortex-M0+32位MCU為例來展開，該器件在貿澤電子官網上的料號為STM32C031C6T6。
圖6：STM32C0x系列MCU（圖源：貿澤電子） 這款MCU基于ARM Cortex-M0+32位RISC內核打造，大家都知道ARM Cortex-M0+是Arm公司專門為成本和功耗敏感型應用打造的處理器核心，能夠以8位MCU的成本實現超低功耗的32位MCU。光是這顆內核就進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，支持三種高度優化的低功耗模式等。 在ARM Cortex-M0+內核的基礎上，STM32C0x系列MCU還增加了一個低功耗RTC，并額外設計了一套動態功耗優化模式。這種模式可以和已有的省電模式結合，可實現低功耗應用設計。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MCU系統也進行了低功耗設計，不過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高級控制PWM計時器等。 高集成度加上低功耗、低成本的優勢，讓STM32C0x系列MCU非常適合用于各種消費電子、工業和電器應用。 能量采集讓物聯網智慧、便捷、綠色 零功耗通信的理念從各個方面重塑了物聯網方案的設計，讓物聯網向著更高集成、更低功耗、更久續航和更低成本等方向發展。目前，除了射頻能量采集，物聯網所采用的能量收集技術還有太陽能采集、機械能采集和人體熱能采集等，這些技術讓物聯網更加綠色、便捷。 不過，更持久的續航，甚至是無電池設計并不以犧牲物聯網性能為前提，智能化是物聯網系統發展不可逆的大趨勢。因此，不斷提升能量采集技術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在物聯網領域的普及。當然，要想在這些前沿的物聯網領域保持技術領先，一定是離不開貿澤電子官網上新品器件的支持。 相關技術資源 Nordic Semiconductor 多協議2.4GHz SoC，了解詳情>> STMicroelectronics的STM32C0x ARM Cortex-M0+32位MCU，了解詳情>> |
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