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2018年7月23日 星期一

Introduction to IoT | IoT Projects-Smart Chair | IoT Tutorial for Beginners | IoT Training | Edureka





來源:半导体行业观察


隨著物聯網的逐漸鋪開,人們已經在生活中看到了越來越多的物聯網模組:智慧水表,共享單車,等等。

目前的物聯網仍然主要由電信商推動,物聯網模組需要使用標準蜂窩協議,與基地台通訊。

由於基地台需要覆蓋盡可能大的面積,因此物聯網模組需要能做到,在距離基地台很遠時,仍能通訊,這就對於物聯網模組的射頻發射功率,有了很高的要求。

從另一個角度來說,物聯網模在做無線通訊時,仍然需要消耗高達30mA的電流,這使得目前的物聯網模組,仍然需要配合較高容量的電池(如五號電池)才能工作,這也導致了物聯網模組的尺寸很難做小。

為了能進一步普及物聯網,必須克服這個功耗,以及尺寸的限制。例如,如果未來要把物聯網做到植入人體內,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,從環境中獲取能量,徹底擺脫電池的限制。

為了實現這個目標,從通訊協議上說,可以使用更低功耗的自組網技術,類似BLE而從電路實現上,則必須使用創新電路來降低功耗。

IoT的核心:盘点下一代超低功耗节点黑科技
  
能量獲取技術
根據之前的討論,目前電池的尺寸和成本,都已經成為了限制IoT設備,進一步進入潛在市場的瓶頸。那麼,有沒有可能使用從環境中獲得能量,來支持物聯網節點工作呢這種從環境中獲取能量,來支持物聯網節點工作的模組,叫做「能量獲取」(energy harvesting),目前能量獲取電路晶片的研究,已經成為了研究領域的熱門方向。

目前最成熟的能量獲取系統,可以說是太陽能電池。傳統太陽能電池,能提供較好的能量獲取效率,但是付出的代價,是難以整合到CMOS晶片上。

最近,不少研究機構,都在使用新型CMOS太陽能電池,從而可以和物聯網節點的其他模組,整合到同一塊晶片上,大大增加了整合度,並減小模組尺寸。

當然,整合在CMOS晶片上的太陽能電池,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,這就對物聯網模組的整體功耗優化,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,從而提升整體物聯網模組的電池壽命。

除了太陽能電池外,另一個廣為人知的環境能量,就是WiFi信號。今年ISSCC上,來自俄勒岡州立大學的研究組,發表了從環境中的WiFi信號,獲取能量的晶片。

先來點背景知識:WiFi的最大發射功率是30dBm(即1W),在簡單的環境裡(即沒有遮擋等),信號功率隨著與發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。

俄勒岡州立大學發表的論文中,晶片配合直徑為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網模組提供能量,但是其輸出功率在現實的距離上也不大,同樣也需要節點模組,對於功耗做深度優化。

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另外,機械能也可以作為物聯網節點的能量獲取來源。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)就能為物聯網節點充電。

使用壓電材料做能量源的典型應用,包括各種智慧城市和工業應用,例如當有車壓過減速帶的時候,減速帶下的物聯網傳感器上的壓電材料,可以利用車輛壓力的機械能,給傳感器充電並喚醒傳感器,從而實現車輛數量統計等。

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,會有很大的區別,一般在nW-mW的數量級範圍。

喚醒式無線系統
傳統的IoT無線收發系統,使用的往往是週期性通訊,或主動事件驅動通訊的方案。週期性通訊指的是IoT節點定期打開,與中心節點通訊,並在其他時間休眠事件驅動通訊則是指IoT節點僅僅在傳感器,監測到特定事件時,才與中心節點通訊,而其它時候都休眠。

在這兩種模式中,都需要IoT節點主動與中心節點,建立連接並通訊。然而,這個建立連接的過程,是非常消耗能量的。因此,喚醒式無線系統的概念就應運而生。

什麼是喚醒式無線系統就是該該系統在大多數時候,都是休眠的,僅僅當主節點發射特定信號時,才會喚醒無線系統。換句話說,連接的建立這個耗費能量的過程,並不由IoT節點來完成,而是由中心節點,透過發送喚醒信號來完成。

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當建立連接的事件,由中心節點來驅動時,一切都變得簡單。首先,中心節點可以發射一段射頻信號,而IoT節點可以透過能量獲取(energy harvesting)電路,從該射頻信號中,獲取能量為內部電容充電。

當IoT節點的電容充電完畢後,無線連接系統就可以使用電容里的能量,來發射射頻信號,與中心節點通訊。

這樣一來,就可以做到無電池操作。想像一下,如果不是使用喚醒式無線系統,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節點,在需要通訊的時候,在節點內有足夠的能量。

反之,現在使用喚醒式系統,中心節點在需要IoT節點工作時,首先為其充電喚醒,就能保證每次IoT節點,都有足夠能量通訊。

那麼,這樣的喚醒式無線系統功耗有多低呢在2016年的ISSCC上,來自新創公司PsiKick發表的,支持BLE網路的喚醒式接收機,在做無線通訊時,僅需要400 nW的功耗,而到了2017年ISSCC,加州大學聖地亞哥分校發表的喚醒式接收機,更是把功耗做到了4.5 nW,比起傳統需要毫瓦級的IoT晶片小了4-6個數量級!

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  來自UCSD4.5 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的發射機,則還是需要主動發射射頻信號。發射機也是非常費電的,發射信號時所需的功耗,常常要達到毫瓦數量級。那麼,有沒有可能在發射機處,也做一些創新,降低功耗呢

確實已經有人另辟蹊徑,想到了不發射射頻信號,也能把IoT節點傳感器的資訊傳輸出去的辦法,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,日光信號鏡透過不同角度的反射太陽光,來傳遞信息。

在這裡,信號的載體是太陽光,但是太陽光能量,並非傳遞信號的人發射的,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:中心節點發射射頻信號,IoT節點則傳感器的輸出來改變(調制)天線的發射系數,這樣中心節點透過檢測反射信號,就可以接收IoT節點的信號。

在整個過程中IoT節點,並沒有發射射頻信號,而是反射中心節點發出的射頻信號,這樣就實現了超低功耗。

華盛頓大學的Shyam Gollakota教授,率領的研究組,在反射調制實現的超低功耗IoT領域,目前已經完成了三個相關項目。去年,他們完成了Passive WiFi和Interscatter項目。

Passive WiFi用於長距離反射通信,使用WiFi路由器發射功率,相對較高的射頻信號,而IoT節點則調制天線反射系數來傳遞資訊。多個IoT節點可以共存,並使用類似CDMA擴頻的方式,來同時發射資訊。

Interscatter則用於短距離數據傳輸,使用行動設備發射功率較低的射頻信號,而IoT節點則調制該射頻信號的反射,來實現資訊傳輸的目的。

Passive WiFi和Interscatter晶片的功耗,都在10-20微瓦附近,比起動輒毫瓦級別的傳統IoT無線晶片,小了幾個數量級,同時也為物聯網節點,進入人體內等應用場景,鋪平了道路。

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

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

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在物聯網的應用中,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,但是由於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晶片,把這些物理量轉化為電信號,之後再用無線連接傳輸出去。


其實,這一步轉化過程並非必要,而且會引入額外的能量消耗。Printed WiFi的創新之處,就是使用機械系統,去調制天線的反射系數,從而透過反射調制,把這些實體量傳輸出去。這樣,在IoT節點就完全避免了電子系統,從而真正實現無電池工作!

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

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上圖是Printed WiFi的一個例子,即轉速傳感器。彈簧、齒輪等機械器件,在上方測速儀旋轉時,會週期性地閉合/打開最下方天線(slot antenna)中的開關,從而週期性地(週期即旋轉速度)改變最下方天線的反射特性。

這樣中心節點只要透過反射射頻信號,就能讀出旋轉速度。最下方的圖,是該傳感器在不同轉速時的反射信號,在時間域的變化情況,可見透過反射信號,可以把轉速資訊提取出來。

超低功耗傳感器
物聯網節點最基本的目標,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,在經過深度優化後,已經可以實現nW-uW數量級的功耗,而在智慧音響中,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的重點。

在聲音傳感器領域,最近的突破來自於壓電MEMS。傳統的聲音傳感器(即麥克風),必須把整個系統(包括後端ADC和DSP)一直處於活動待機狀態,以避免錯過任何有用的聲音信號,因此平均功耗,在接近mW這樣的數量級。

然而,在不少環境下,這樣的系統其實造成了能量的浪費,因為大多數時候環境裡,可能並沒有聲音,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系統處於休眠狀態,僅僅前端壓電MEMS麥克風在待命,而後端的ADC、DSP都處於休眠狀態,整體功耗在uW數量級。

而一旦有用聲音信號出現,並被壓電MEMS檢測到,則壓電MEMS麥克風可以輸出喚醒信號,將後面的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,可以在常規的應用場景下,可以控制在uW數量級,從而使聲音傳感器,可以進入更多應用場景。

超低功耗MCU
物聯網節點裡的最後一個關鍵模組是MCU。MCU作為控制整個物聯網節點的核心模組,其功耗也往往不可忽視。如何減小MCU的功耗

MCU功耗一般分為靜態漏電和動態功耗兩部分。

在靜態漏電部分,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,可以同時降低靜態漏電和動態功耗,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,可以將動態功耗降低接近6倍,而靜態漏電更是指數級下降。當然,亞閾值電路設計,會涉及一些設計流程方面的挑戰,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化。

在學術界,弗吉尼亞大學的研究組,發佈了動態功耗低至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頻。

在已經商業化的技術方面,新創公司Ambiq的Apollo系列MCU,可以實現35uA/MHz的超低功耗,其設計使用了Ambiq擁有多年累的SPOT亞閾值設計技術。

在未來,我們可望可以看到,功耗低至nW數量級的MCU,從而為使用能量獲取技術的物聯網節點鋪平道路。

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結語
隨著物聯網的發展,目前第一代廣域物聯網,已經快速鋪開,走進了千家萬戶。然而,廣域物聯網節點,由於必須滿足覆蓋需求,因此射頻功耗很難做小,從而限制了應用場景(例如人體內傳感器等,無法使用大容量電池的場景)。

局域物聯網將會成為物聯網發展的下一步,本文介紹的能量獲取技術,配合超低功耗無線通信、MCU和傳感器,可望讓物聯網節點突破傳統的限制,在尺寸和電池壽命方面,都得到革命性的突破,從而為物聯網進入可植入式傳感器等新應用鋪平道路。





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