IoT的核心：盤(pán)點(diǎn)下一代超低功耗節點(diǎn)黑科技

 

隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)的逐漸鋪開(kāi)，人們已經(jīng)在生活中看到了越來(lái)越多的物聯(lián)網(wǎng)模塊：智能水表，共享單車(chē)，等等。目前的物聯(lián)網(wǎng)仍然主要由運營(yíng)商推動(dòng)，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(shí)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(gè)角度來(lái)說(shuō)，物聯(lián)網(wǎng)模塊在做無(wú)線(xiàn)通訊時(shí)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(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(lái)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從環(huán)境中獲取能量徹底擺脫電池的限制。為了實(shí)現這個(gè)目標，從通訊協(xié)議上說(shuō)，可以使用更低功耗的自組網(wǎng)技術(shù)，類(lèi)似BLE；而從電路實(shí)現上，則必須使用創(chuàng )新電路來(lái)降低功耗。
 

能量獲取技術(shù)
 

根據之前的討論，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(jìn)入潛在市場(chǎng)的瓶頸。那么，有沒(méi)有可能使用從環(huán)境中獲得能量來(lái)支持物聯(lián)網(wǎng)節點(diǎn)工作呢？這種從環(huán)境中獲取能量來(lái)支持物聯(lián)網(wǎng)節點(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(mén)方向。

 

目前最成熟的能量獲取系統可以說(shuō)是太陽(yáng)能電池。傳統太陽(yáng)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，不少研究機構都在使用新型CMOS太陽(yáng)能電池，從而可以和物聯(lián)網(wǎng)節點(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。當然，集成在CMOS芯片上的太陽(yáng)能電池需要付出低能量輸出的代價(jià)，目前常見(jiàn)的CMOS片上太陽(yáng)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(shí)使用太陽(yáng)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(yáng)能電池外，另一個(gè)廣為人知的環(huán)境能量就是WiFi信號。今年ISSCC上，來(lái)自俄勒岡州立大學(xué)的研究組發(fā)表了從環(huán)境中的WiFi信號獲取能量的芯片。先來(lái)點(diǎn)背景知識：WiFi的最大發(fā)射功率是30dBm（即1W），在簡(jiǎn)單的環(huán)境里（即沒(méi)有遮擋等）信號功率隨著(zhù)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(huì )導致功率更小。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(xiàn)可以在非常低的無(wú)線(xiàn)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(lái)給物聯(lián)網(wǎng)模組提供能量，但是其輸出功率在現實(shí)的距離上也不大，同樣也需要節點(diǎn)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)節點(diǎn)的能量獲取來(lái)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)節點(diǎn)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(chē)壓過(guò)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(chē)輛壓力的機械能給傳感器充電并喚醒傳感器，從而實(shí)現車(chē)輛數量統計等。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(méi)有信號的時(shí)候就無(wú)需浪費能量了！壓電材料的輸出功率隨著(zhù)機械能的大小不同會(huì )有很大的區別，一般在nW-mW的數量級范圍。
 

喚醒式無(wú)線(xiàn)系統

 

傳統的IoT無(wú)線(xiàn)收發(fā)系統使用的往往是周期性通訊或主動(dòng)事件驅動(dòng)通訊的方案。周期性通訊指的是IoT節點(diǎn)定期打開(kāi)與中心節點(diǎn)通訊，并在其他時(shí)間休眠；事件驅動(dòng)通訊則是指IoT節點(diǎn)僅僅在傳感器監測到特定事件時(shí)才與中心節點(diǎn)通訊，而其它時(shí)候都休眠。

 

在這兩種模式中，都需要IoT節點(diǎn)主動(dòng)與中心節點(diǎn)建立連接并通訊。然而，這個(gè)建立連接的過(guò)程是非常消耗能量的。因此，喚醒式無(wú)線(xiàn)系統的概念就應運而生。

 

什么是喚醒式無(wú)線(xiàn)系統？就是該該系統在大多數時(shí)候都是休眠的，僅僅當主節點(diǎn)發(fā)射特定信號時(shí)才會(huì )喚醒無(wú)線(xiàn)系統。換句話(huà)說(shuō)，連接的建立這個(gè)耗費能量的過(guò)程并不由IoT節點(diǎn)來(lái)完成，而是由中心節點(diǎn)通過(guò)發(fā)送喚醒信號來(lái)完成。

 

 

當建立連接的事件由中心節點(diǎn)來(lái)驅動(dòng)時(shí)，一切都變得簡(jiǎn)單。首先，中心節點(diǎn)可以發(fā)射一段射頻信號，而IoT節點(diǎn)可以通過(guò)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節點(diǎn)的電容充電完畢后，無(wú)線(xiàn)連接系統就可以使用電容里的能量來(lái)發(fā)射射頻信號與中心節點(diǎn)通訊。這樣一來(lái)，就可以做到無(wú)電池操作。想象一下，如果不是使用喚醒式無(wú)線(xiàn)系統，而是使用IoT主動(dòng)連接的話(huà)，無(wú)電池就會(huì )變得困難，因為無(wú)法保證IoT節點(diǎn)在需要通訊的時(shí)候在節點(diǎn)內有足夠的能量。反之，現在使用喚醒式系統，中心節點(diǎn)在需要IoT節點(diǎn)工作時(shí)首先為其充電喚醒，就能保證每次IoT節點(diǎn)都有足夠能量通訊。

 

那么，這樣的喚醒式無(wú)線(xiàn)系統功耗有多低呢？在2016年的ISSCC上，來(lái)自初創(chuàng )公司PsiKick發(fā)表的支持BLE網(wǎng)絡(luò )的喚醒式接收機在做無(wú)線(xiàn)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)表的喚醒式接收機更是把功耗做到了4.5 nW，比起傳統需要毫瓦級的IoT芯片小了4-6個(gè)數量級！

 

 

來(lái)自UCSD的4.5 nW超低功耗喚醒式接收機

 

反射調制系統

 

喚醒式接收機主要解決了無(wú)線(xiàn)鏈路中如何低功耗接收信號的問(wèn)題，但是在如果使用傳統的發(fā)射機，則還是需要主動(dòng)發(fā)射射頻信號。發(fā)射機也是非常費電的，發(fā)射信號時(shí)所需的功耗常常要達到毫瓦數量級。那么，有沒(méi)有可能在發(fā)射機處也做一些創(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)射射頻信號也能把IoT節點(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)射調制。反射調制有點(diǎn)像在航海和野外探險中的日光信號鏡，日光信號鏡通過(guò)不同角度的反射太陽(yáng)光來(lái)傳遞信息。在這里，信號的載體是太陽(yáng)光，但是太陽(yáng)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(yáng)提供的。類(lèi)似的，華盛頓大學(xué)研究人員提出的辦法也是這樣：中心節點(diǎn)發(fā)射射頻信號，IoT節點(diǎn)則傳感器的輸出來(lái)改變（調制）天線(xiàn)的發(fā)射系數，這樣中心節點(diǎn)通過(guò)檢測反射信號就可以接收IoT節點(diǎn)的信號。在整個(gè)過(guò)程中IoT節點(diǎn)并沒(méi)有發(fā)射射頻信號，而是反射中心節點(diǎn)發(fā)出的射頻信號，這樣就實(shí)現了超低功耗。

 

華盛頓大學(xué)的Shyam Gollakota教授率領(lǐng)的研究組在反射調制實(shí)現的超低功耗IoT領(lǐng)域目前已經(jīng)完成了三個(gè)相關(guān)項目。去年，他們完成了passive WiFi和interscatter項目。Passive WiFi用于長(cháng)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節點(diǎn)則調制天線(xiàn)反射系數來(lái)傳遞信息。多個(gè)IoT節點(diǎn)可以共存，并使用類(lèi)似CDMA擴頻的方式來(lái)同時(shí)發(fā)射信息。interscatter則用于短距離數據傳輸，使用移動(dòng)設備發(fā)射功率較低的射頻信號，而IoT節點(diǎn)則調制該射頻信號的反射來(lái)實(shí)現信息傳輸的目的。Passive WiFi和interscatter芯片的功耗都在10-20微瓦附近，比起動(dòng)輒毫瓦級別的傳統IoT無(wú)線(xiàn)芯片小了幾個(gè)數量級，同時(shí)也為物聯(lián)網(wǎng)節點(diǎn)進(jìn)入人體內等應用場(chǎng)景鋪平了道路。

 

Passive WiFi（上）與Interscatter（下）使用反射調制，分別針對長(cháng)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(jìn)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(shí)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，因此傳統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(wú)線(xiàn)連接傳輸出去。其實(shí)，這一步轉化過(guò)程并非必要，而且會(huì )引入額外的能量消耗。Printed WiFi的創(chuàng )新之處就是使用機械系統去調制天線(xiàn)的反射系數，從而通過(guò)反射調制把這些物理量傳輸出去。這樣，在IoT節點(diǎn)就完全避免了電子系統，從而真正實(shí)現無(wú)電池工作！

 

 

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

 

上圖是Printed WiFi的一個(gè)例子，即轉速傳感器。彈簧、齒輪等機械器件在上方測速儀旋轉時(shí)會(huì )周期性地閉合／打開(kāi)最下方天線(xiàn)（slot antenna）中的開(kāi)關(guān)，從而周期性地（周期即旋轉速度）改變最下方天線(xiàn)的反射特性，這樣中心節點(diǎn)只要通過(guò)反射射頻信號就能讀出旋轉速度。最下方的圖是該傳感器在不同轉速時(shí)的反射信號在時(shí)間域的變化情況，可見(jiàn)通過(guò)反射信號可以把轉速信息提取出來(lái)。

 

超低功耗傳感器

 

物聯(lián)網(wǎng)節點(diǎn)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(guò)深度優(yōu)化后已經(jīng)可以實(shí)現nW-uW數量級的功耗，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(diǎn)。

 

在聲音傳感器領(lǐng)域，最近的突破來(lái)自于壓電MEMS。傳統的聲音傳感器（即麥克風(fēng)）必須把整個(gè)系統（包括后端ADC和DSP）一直處于活動(dòng)待機狀態(tài)，以避免錯過(guò)任何有用的聲音信號，因此平均功耗在接近mW這樣的數量級。然而，在不少環(huán)境下，這樣的系統其實(shí)造成了能量的浪費，因為大多數時(shí)候環(huán)境里可能并沒(méi)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(wèn)題：當沒(méi)有聲音信號時(shí)，壓電MEMS系統處于休眠狀態(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數量級。而一旦有用聲音信號出現并被壓電MEMS檢測到，則壓電MEMS麥克風(fēng)可以輸出喚醒信號將后面的ADC和DSP喚醒，從而不錯過(guò)有用信號。因此，整體聲音傳感器的平均功耗可以在常規的應用場(chǎng)景下可以控制在uW數量級，從而使聲音傳感器可以進(jìn)入更多應用場(chǎng)景。

 

超低功耗MCU
 

物聯(lián)網(wǎng)節點(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準單元設計。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(lái)降低功耗。由此可見(jiàn)，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計就成了超低功耗MCU設計的必由之路。舉例來(lái)說(shuō)，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)漏電更是指數級下降。當然，亞閾值電路設計會(huì )涉及一些設計流程方面的挑戰，例如如何確定亞閾值門(mén)電路的延遲，建立／保持時(shí)間等都需要仔細仿真和優(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之外還包括了計算加速器和無(wú)線(xiàn)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(shù)。在未來(lái)，我們可望可以看到功耗低至nW數量級的MCU，從而為使用能量獲取技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)節點(diǎn)鋪平道路。

 

 

結語(yǔ)
 

隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，目前第一代廣域物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)快速鋪開(kāi)走進(jìn)了千家萬(wàn)戶(hù)。然而，廣域物聯(lián)網(wǎng)節點(diǎn)由于必須滿(mǎn)足覆蓋需求，因此射頻功耗很難做小，從而限制了應用場(chǎng)景（例如人體內傳感器等無(wú)法使用大容量電池的場(chǎng)景）。局域物聯(lián)網(wǎng)將會(huì )成為物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的下一步，本文介紹的能量獲取技術(shù)配合超低功耗無(wú)線(xiàn)通信、MCU和傳感器可望讓物聯(lián)網(wǎng)節點(diǎn)突破傳統的限制，在尺寸和電池壽命方面都得到革命性的突破，從而為物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)入可植入式傳感器等新應用鋪平道路。
 

 

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