物聯(lián)網(wǎng)（IoT）普及的關(guān)鍵：盤點(diǎn)下一代超低功耗節(jié)點(diǎn)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(yùn)營(yíng)商推動(dòng)，物聯(lián)網(wǎng)模塊需要使用標(biāo)準(zhǔn)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(yuǎn)時(shí)仍能通訊，這就對(duì)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(gè)角度來說，物聯(lián)網(wǎng)模塊在做無線通訊時(shí)仍然需要消耗高達(dá)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(hào)電池）才能工作，這也導(dǎo)致了物聯(lián)網(wǎng)模組的尺寸很難做小。

為了能進(jìn)一步普及物聯(lián)網(wǎng)，必須克服這個(gè)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(nèi)，則不可能再搭配五號(hào)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(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，從通訊協(xié)議上說，可以使用更低功耗的自組網(wǎng)技術(shù)，類似BLE；而從電路實(shí)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(shè)備近一步進(jìn)入潛在市場(chǎng)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(diǎn)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(diǎn)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(lǐng)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(jià)是難以集成到CMOS芯片上。最近，不少研究機(jī)構(gòu)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(diǎn)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(dāng)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(jià)，目前常見的CMOS片上太陽能電池在室內(nèi)燈光下能提供nW等級(jí)的功率輸出，而在強(qiáng)光下能提供uW級(jí)別的功率輸出，這就對(duì)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(dāng)光照較好時(shí)使用太陽能電池而在光照較弱時(shí)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(gè)廣為人知的環(huán)境能量就是WiFi信號(hào)。今年ISSCC上，來自俄勒岡州立大學(xué)的研究組發(fā)表了從環(huán)境中的WiFi信號(hào)獲取能量的芯片。先來點(diǎn)背景知識(shí)：WiFi的最大發(fā)射功率是30dBm（即1W），在簡(jiǎn)單的環(huán)境里（即沒有遮擋等）信號(hào)功率隨著與發(fā)射設(shè)備的距離平方衰減，在距離3m左右的距離信號(hào)功率就衰減到了1uW（-30dBm）左右，而如果有物體遮擋則會(huì)導(dǎo)致功率更小。俄勒岡州立大學(xué)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(hào)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(hào)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(shí)的距離上也不大，同樣也需要節(jié)點(diǎn)模組對(duì)于功耗做深度優(yōu)化。

另外，機(jī)械能也可以作為物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的能量獲取來源。壓電效應(yīng)可以把機(jī)械能轉(zhuǎn)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(diǎn)充電。使用壓電材料做能量源的典型應(yīng)用包括各種智能城市和工業(yè)應(yīng)用，例如當(dāng)有車壓過減速帶的時(shí)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(jī)械能給傳感器充電并喚醒傳感器，從而實(shí)現(xiàn)車輛數(shù)量統(tǒng)計(jì)等。這樣，機(jī)械壓力即可以作為需要測(cè)量的信號(hào)，其本身又可以作為能量源，所以在沒有信號(hào)的時(shí)候就無需浪費(fèi)能量了！壓電材料的輸出功率隨著機(jī)械能的大小不同會(huì)有很大的區(qū)別，一般在nW-mW的數(shù)量級(jí)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(dòng)事件驅(qū)動(dòng)通訊的方案。周期性通訊指的是IoT節(jié)點(diǎn)定期打開與中心節(jié)點(diǎn)通訊，并在其他時(shí)間休眠；事件驅(qū)動(dòng)通訊則是指IoT節(jié)點(diǎn)僅僅在傳感器監(jiān)測(cè)到特定事件時(shí)才與中心節(jié)點(diǎn)通訊，而其它時(shí)候都休眠。

在這兩種模式中，都需要IoT節(jié)點(diǎn)主動(dòng)與中心節(jié)點(diǎn)建立連接并通訊。然而，這個(gè)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(yīng)運(yùn)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(shí)候都是休眠的，僅僅當(dāng)主節(jié)點(diǎn)發(fā)射特定信號(hào)時(shí)才會(huì)喚醒無線系統(tǒng)。換句話說，連接的建立這個(gè)耗費(fèi)能量的過程并不由IoT節(jié)點(diǎn)來完成，而是由中心節(jié)點(diǎn)通過發(fā)送喚醒信號(hào)來完成。

當(dāng)建立連接的事件由中心節(jié)點(diǎn)來驅(qū)動(dòng)時(shí)，一切都變得簡(jiǎn)單。首先，中心節(jié)點(diǎn)可以發(fā)射一段射頻信號(hào)，而IoT節(jié)點(diǎn)可以通過能量獲?。╡nergy harvesting）電路從該射頻信號(hào)中獲取能量為內(nèi)部電容充電。當(dāng)IoT節(jié)點(diǎn)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(hào)與中心節(jié)點(diǎn)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(dòng)連接的話，無電池就會(huì)變得困難，因?yàn)闊o法保證IoT節(jié)點(diǎn)在需要通訊的時(shí)候在節(jié)點(diǎn)內(nèi)有足夠的能量。反之，現(xiàn)在使用喚醒式系統(tǒng)，中心節(jié)點(diǎn)在需要IoT節(jié)點(diǎn)工作時(shí)首先為其充電喚醒，就能保證每次IoT節(jié)點(diǎn)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(luò)的喚醒式接收機(jī)在做無線通訊時(shí)僅需要400 nW的功耗，而到了2017年ISSCC，加州大學(xué)圣地亞哥分校發(fā)表的喚醒式接收機(jī)更是把功耗做到了4.5 nW，比起傳統(tǒng)需要毫瓦級(jí)的IoT芯片小了4-6個(gè)數(shù)量級(jí)！

來自UCSD的4.5 nW超低功耗喚醒式接收機(jī)

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

確實(shí)已經(jīng)有人另辟蹊徑，想到了不發(fā)射射頻信號(hào)也能把IoT節(jié)點(diǎn)傳感器的信息傳輸出去的辦法，就是由華盛頓大學(xué)研究人員提出的使用發(fā)射調(diào)制。反射調(diào)制有點(diǎn)像在航海和野外探險(xiǎn)中的日光信號(hào)鏡，日光信號(hào)鏡通過不同角度的反射太陽光來傳遞信息。在這里，信號(hào)的載體是太陽光，但是太陽光能量并非傳遞信號(hào)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(xué)研究人員提出的辦法也是這樣：中心節(jié)點(diǎn)發(fā)射射頻信號(hào)，IoT節(jié)點(diǎn)則傳感器的輸出來改變（調(diào)制）天線的發(fā)射系數(shù)，這樣中心節(jié)點(diǎn)通過檢測(cè)反射信號(hào)就可以接收IoT節(jié)點(diǎn)的信號(hào)。在整個(gè)過程中IoT節(jié)點(diǎn)并沒有發(fā)射射頻信號(hào)，而是反射中心節(jié)點(diǎn)發(fā)出的射頻信號(hào)，這樣就實(shí)現(xiàn)了超低功耗。

華盛頓大學(xué)的Shyam Gollakota教授率領(lǐng)的研究組在反射調(diào)制實(shí)現(xiàn)的超低功耗IoT領(lǐng)域目前已經(jīng)完成了三個(gè)相關(guān)項(xiàng)目。去年，他們完成了passive WiFi和interscatter項(xiàng)目。Passive WiFi用于長(zhǎng)距離反射通信，使用WiFi路由器發(fā)射功率相對(duì)較高的射頻信號(hào)，而IoT節(jié)點(diǎn)則調(diào)制天線反射系數(shù)來傳遞信息。多個(gè)IoT節(jié)點(diǎn)可以共存，并使用類似CDMA擴(kuò)頻的方式來同時(shí)發(fā)射信息。interscatter則用于短距離數(shù)據(jù)傳輸，使用移動(dòng)設(shè)備發(fā)射功率較低的射頻信號(hào)，而IoT節(jié)點(diǎn)則調(diào)制該射頻信號(hào)的反射來實(shí)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(dòng)輒毫瓦級(jí)別的傳統(tǒng)IoT無線芯片小了幾個(gè)數(shù)量級(jí)，同時(shí)也為物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入人體內(nèi)等應(yīng)用場(chǎng)景鋪平了道路。

Passive WiFi（上）與Interscatter（下）使用反射調(diào)制，分別針對(duì)長(zhǎng)距離與短距離應(yīng)用。

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

在物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用中，許多需要檢測(cè)的物理量其實(shí)不是電信號(hào)，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(hào)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(zhuǎn)化為電信號(hào)，之后再用無線連接傳輸出去。其實(shí)，這一步轉(zhuǎn)化過程并非必要，而且會(huì)引入額外的能量消耗。Printed WiFi的創(chuàng)新之處就是使用機(jī)械系統(tǒng)去調(diào)制天線的反射系數(shù)，從而通過反射調(diào)制把這些物理量傳輸出去。這樣，在IoT節(jié)點(diǎn)就完全避免了電子系統(tǒng)，從而真正實(shí)現(xiàn)無電池工作！

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

物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)最基本的目標(biāo)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(shí)現(xiàn)nW-uW數(shù)量級(jí)的功耗，而在智能音響中得到廣泛應(yīng)用的聲音傳感器則往往要消耗mW數(shù)量級(jí)甚至更高的功耗，因此成為了下一步突破研發(fā)的重點(diǎn)。

在聲音傳感器領(lǐng)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(fēng)）必須把整個(gè)系統(tǒng)（包括后端ADC和DSP）一直處于活動(dòng)待機(jī)狀態(tài)，以避免錯(cuò)過任何有用的聲音信號(hào)，因此平均功耗在接近mW這樣的數(shù)量級(jí)。然而，在不少環(huán)境下，這樣的系統(tǒng)其實(shí)造成了能量的浪費(fèi)，因?yàn)榇蠖鄶?shù)時(shí)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(fèi)。而使用壓電MEMS可以避免這樣的問題：當(dāng)沒有聲音信號(hào)時(shí)，壓電MEMS系統(tǒng)處于休眠狀態(tài)，僅僅前端壓電MEMS麥克風(fēng)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(jí)。而一旦有用聲音信號(hào)出現(xiàn)并被壓電MEMS檢測(cè)到，則壓電MEMS麥克風(fēng)可以輸出喚醒信號(hào)將后面的ADC和DSP喚醒，從而不錯(cuò)過有用信號(hào)。因此，整體聲音傳感器的平均功耗可以在常規(guī)的應(yīng)用場(chǎng)景下可以控制在uW數(shù)量級(jí)，從而使聲音傳感器可以進(jìn)入更多應(yīng)用場(chǎng)景。

物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)里的最后一個(gè)關(guān)鍵模組是MCU。MCU作為控制整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)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(dòng)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(biāo)準(zhǔn)單元設(shè)計(jì)。在動(dòng)態(tài)功耗部分，我們可以減小電源電壓或者降低時(shí)鐘頻率來降低功耗。由此可見，降低電源電壓可以同時(shí)降低靜態(tài)漏電和動(dòng)態(tài)功耗，因此能將電源電壓降低的亞閾值電路設(shè)計(jì)就成了超低功耗MCU設(shè)計(jì)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(dòng)態(tài)功耗降低接近6倍，而靜態(tài)漏電更是指數(shù)級(jí)下降。當(dāng)然，亞閾值電路設(shè)計(jì)會(huì)涉及一些設(shè)計(jì)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(shí)間等都需要仔細(xì)仿真和優(yōu)化。在學(xué)術(shù)界，弗吉尼亞大學(xué)的研究組發(fā)布了動(dòng)態(tài)功耗低至500nW的傳感器SoC，其中除了MCU之外還包括了計(jì)算加速器和無線基帶。在已經(jīng)商業(yè)化的技術(shù)方面，初創(chuàng)公司Ambiq的Apollo系列MCU可以實(shí)現(xiàn)35uA／MHz的超低功耗，其設(shè)計(jì)使用了Ambiq擁有多年積累的SPOT亞閾值設(shè)計(jì)技術(shù)。在未來，我們可望可以看到功耗低至nW數(shù)量級(jí)的MCU，從而為使用能量獲取技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)鋪平道路。