【導讀】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後續物聯網方案設計的核心訴求。在功耗方麵，對於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。

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後續物聯網方案設計的核心訴求。在功耗方麵
，對於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ling功gong耗hao通tong信xin技ji術shu屬shu於yu能neng量liang采cai集ji技ji術shu中zhong的de一yi種zhong，是shi射she頻pin能neng量liang采cai集ji和he低di功gong耗hao物wu聯lian網wang的de融rong合he。從cong工gong作zuo原yuan理li來lai看kan
，零ling功gong耗hao通tong信xin技ji術shu使shi用yong射she頻pin能neng量liang采cai集ji、反(fan)向(xiang)散(san)射(she)和(he)低(di)功(gong)耗(hao)計(ji)算(suan)等(deng)關(guan)鍵(jian)技(ji)術(shu)，通(tong)過(guo)采(cai)集(ji)空(kong)間(jian)中(zhong)的(de)無(wu)線(xian)電(dian)波(bo)獲(huo)得(de)能(neng)量(liang)以(yi)驅(qu)動(dong)終(zhong)端(duan)工(gong)作(zuo)，因(yin)此(ci)零(ling)功(gong)耗(hao)通(tong)信(xin)終(zhong)端(duan)可(ke)不(bu)使(shi)用(yong)常(chang)規(gui)電(dian)池(chi)。而(er)在(zai)這(zhe)套(tao)係(xi)統(tong)中(zhong)，射(she)頻(pin)、傳感、控製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
、可用於零功耗通信的元器件供大家選擇。

圖1：零功耗通信係統框圖

（圖源：OPPO）

零功耗通信對射頻和係統的要求

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係統三個部分。

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。互聯網和物聯網先後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並儲存
，就可以為廣泛存在的物聯網設備供電。

對於射頻能量采集有兩項指標非常重要：

首shou先xian是shi射she頻pin能neng量liang采cai集ji器qi需xu要yao有you一yi個ge足zu夠gou寬kuan的de工gong作zuo範fan圍wei，包bao括kuo輸shu入ru功gong率lv和he輸shu出chu負fu載zai電dian阻zu的de變bian化hua，這zhe樣yang射she頻pin能neng量liang采cai集ji係xi統tong就jiu能neng夠gou適shi應ying多duo頻pin帶dai或huo寬kuan頻pin帶dai範fan圍wei，並bing且qie支zhi持chi自zi動dong頻pin率lv調tiao諧xie的de射she頻pin能neng量liang采cai集ji電dian路lu；

其(qi)次(ci)是(shi)低(di)漏(lou)電(dian)流(liu)的(de)能(neng)量(liang)存(cun)儲(chu)技(ji)術(shu)，係(xi)統(tong)采(cai)集(ji)的(de)能(neng)量(liang)經(jing)過(guo)倍(bei)壓(ya)器(qi)或(huo)者(zhe)多(duo)倍(bei)壓(ya)器(qi)轉(zhuan)變(bian)為(wei)直(zhi)流(liu)電(dian)，然(ran)後(hou)儲(chu)存(cun)到(dao)儲(chu)能(neng)電(dian)容(rong)裏(li)，需(xu)要(yao)采(cai)用(yong)高(gao)電(dian)容(rong)率(lv)且(qie)低(di)漏(lou)電(dian)流(liu)的(de)電(dian)容(rong)器(qi)，隻(zhi)有(you)漏(lou)電(dian)流(liu)遠(yuan)遠(yuan)小(xiao)於(yu)收(shou)集(ji)的(de)能(neng)量(liang)，這(zhe)些(xie)采(cai)集(ji)來(lai)的(de)能(neng)量(liang)才(cai)有(you)可(ke)能(neng)會(hui)被(bei)用(yong)到(dao)。

集中儲存起來的能量最終被用於設備運轉，這些設備有時候也會采取零功耗（ZP）的設計理念——當設備處於待機狀態時，係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於“零功耗”，連續工作的能效水平也已經很高。在這方麵，無線SoC起到了表率作用。

無線SoC由兩個主要的係統組成，一個是無線收發係統，還有一個是CPU子係統。無線收發係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，主要用於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，作為內部的控製和處理單元，無線SoC中的CPU子zi係xi統tong也ye會hui進jin行xing很hen多duo降jiang低di功gong耗hao的de處chu理li，以yi求qiu在zai保bao持chi係xi統tong性xing能neng的de前qian提ti下xia，消xiao耗hao盡jin可ke能neng少shao的de能neng量liang。對dui於yu零ling功gong耗hao通tong信xin係xi統tong而er言yan
，一yi般ban要yao做zuo到dao的de就jiu是shi在zai需xu要yao的de時shi候hou啟qi動dong係xi統tong，當dang任ren務wu完wan成cheng後hou，由youCPU子係統控製整個係統進入“零功耗”模式。

這裏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，非常適用於短距離無線應用。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並發Bluetooth 5和Thread無線連接。

nRF52840在無線連接方麵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子係統方麵
，nRF52840caiyongdianyuanheziyuanguanli，nenggouxianzhutishengxitongnengxiaoshuiping。birugaiqijiansuoyouwaishejunjuyoudulidezidonghuashizhonghedianyuanguanligongneng，yiquebaozairenwucaozuobuxuyaoshiguanbidianyuan，jinerjiangdixitongnenghao，bingqiezhebuxuyaoyingyongchengxuzhixingheceshifuzadedianyuanguanlifangan；該器件具有自動化和自適應電源管理功能的全麵係統，從電源切換到外設總線/EasyDMA存儲器管理進一步細化了係統的能耗管理
；無需外部穩壓器，可在1.7V至5.5V的電源電壓範圍支持一次側和二次側電池技術以及USB直接供電。

圖4：nRF52840電源管理係統框圖

（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製器、工業物聯網傳感器和控製器等。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，包括高級遠程控製、遊戲控製器
、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》等多方麵報告來看，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。在這些係統中，MCU依然是係統的核心，負責整個係統的調度。

下圖是一種典型的MCU框架圖
，其主要的構成包括CPU係統、總線邏輯控製單元、時鍾控製單元
、儲存單元、外設接口、定時器/計時器以及中繼係統，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de設she計ji也ye在zai發fa生sheng著zhe改gai變bian，包bao括kuo使shi用yong更geng低di功gong耗hao的de內nei核he，以yi及ji針zhen對dui性xing開kai發fa多duo種zhong省sheng電dian模mo式shi，最zui終zhong的de目mu標biao是shi實shi現xian免mian電dian池chi設she計ji。當dang然ran，現xian階jie段duan由you於yu射she頻pin能neng量liang收shou集ji到dao的de能neng量liang還hai很hen小xiao，創chuang新xin方fang案an一yi般ban還hai會hui搭da載zai一yi次ci或huo者zhe二er次ci電dian池chi係xi統tong作zuo為wei冗rong餘yu的de能neng量liang源yuan。但dan必bi須xu要yao強qiang調tiao的de是shi
，零ling功gong耗hao物wu聯lian網wang的de最zui終zhong形xing態tai一yi定ding是shi免mian電dian池chi設she計ji，這zhe才cai是shi這zhe項xiang技ji術shu的de魅mei力li所suo在zai。

下麵我們以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係列MCU

（圖源：貿澤電子）

這款MCU基於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。guangshizhekeneihejiujinxinglezugouduodejiangdigonghaosheji，baokuozhuoyuededaimamidu
，jidideneicunliyonglv，neizhidigonghaoyingyongchengxu，zhichisanzhonggaoduyouhuadedigonghaomoshideng。

在ARM Cortex-M0+內核的基礎上，STM32C0x係列MCU還增加了一個低功耗RTC，並(bing)額(e)外(wai)設(she)計(ji)了(le)一(yi)套(tao)動(dong)態(tai)功(gong)耗(hao)優(you)化(hua)模(mo)式(shi)。這(zhe)種(zhong)模(mo)式(shi)可(ke)以(yi)和(he)已(yi)有(you)的(de)省(sheng)電(dian)模(mo)式(shi)結(jie)合(he)，可(ke)實(shi)現(xian)低(di)功(gong)耗(hao)應(ying)用(yong)設(she)計(ji)。彙(hui)總(zong)來(lai)看(kan)

，這(zhe)款(kuan)器(qi)件(jian)支(zhi)持(chi)的(de)低(di)功(gong)耗(hao)模(mo)式(shi)包(bao)括(kuo)休(xiu)眠(mian)、停止、待機和關閉等。為了配合這些模式的運轉

，STM32C0x係列MCU都提供上電/斷電重置（POR/PDR）和可編程掉電複位（BOR）功能。

圖7：STM32C0x係列MCU係統框圖

（圖源：STMicroelectronics）

雖然內核麵積小、功耗低，並且整個MCU係統也進行了低功耗設計，不過STM32C0x係列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製PWM計時器等。

高集成度加上低功耗、低成本的優勢，讓STM32C0x係列MCU非常適合用於各種消費電子
、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麵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bu過guo
，更geng持chi久jiu的de續xu航hang，甚shen至zhi是shi無wu電dian池chi設she計ji並bing不bu以yi犧xi牲sheng物wu聯lian網wang性xing能neng為wei前qian提ti
，智zhi能neng化hua是shi物wu聯lian網wang係xi統tong發fa展zhan不bu可ke逆ni的de大da趨qu勢shi。因yin此ci，不bu斷duan提ti升sheng能neng量liang采cai集ji技ji術shu的de轉zhuan化hua效xiao率lv和he係xi統tong能neng效xiao是shi重zhong中zhong之zhi重zhong，能neng夠gou加jia速su包bao括kuo射she頻pin能neng量liang采cai集ji在zai內nei的de能neng量liang采cai集ji技ji術shu在zai物wu聯lian網wang領ling域yu的de普pu及ji。當dang然ran
，要yao想xiang在zai這zhe些xie前qian沿yan的de物wu聯lian網wang領ling域yu保bao持chi技ji術shu領ling先xian，一yi定ding是shi離li不bu開kai貿mao澤ze電dian子zi官guan網wang上shang新xin品pin器qi件jian的de支zhi持chi。

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