物联网模块功耗与尺寸挑战：如何实现更小、更高效的物联网设备

随着物联网的逐渐普及，人们在生活中看到了越来越多的物联网模块：智能水表、共享单车等。目前物联网仍然主要由运营商推动，物联网模块需要使用标准与基站通信的蜂窝协议。

由于基站需要覆盖尽可能大的区域，因此物联网模块需要即使在远离基站的情况下也能够进行通信。这对物联网模块的射频发射功率提出了很高的要求；从另一个角度来看，物联网模块在进行无线通信时仍然需要消耗高达30mA的电流。这意味着目前的物联网模块仍然需要配备更高容量的电池（如AA电池）才能工作。这也导致了IoT模块的没落。团体的规模很难缩小。

为了进一步普及物联网，必须克服这种功耗和尺寸限制。例如，如果未来物联网要植入人体，就不能再使用AA电池了。相反，必须使用更小的电池，甚至必须使用能量收集系统从环境中获取能量，以彻底摆脱电池的限制。为了实现这一目标，在通信协议方面，可以采用功耗更低的自组织网络技术，类似于BLE；在电路实现方面，必须采用创新电路来降低功耗。

能量收集技术

根据之前的讨论，目前电池的尺寸和成本已经成为限制物联网设备进一步进入潜在市场的瓶颈。那么，是否可以利用从环境中收集的能量来支持物联网节点的运行？这种从环境中获取能量以支持物联网节点工作的模块称为“能量采集”。目前，能量收集电路芯片的研究已成为研究领域的热门方向。

可以说，目前最成熟的能量收集系统是太阳能电池。传统太阳能电池可以提供更好的能量收集效率，但代价是难以集成到 CMOS 芯片中。最近，许多研究机构正在使用新型CMOS太阳能电池，它可以与物联网节点的其他模块集成在同一芯片上，大大提高了集成度并减小了模块的尺寸。

当然，集成在CMOS芯片上的太阳能电池需要付出低能量输出的代价。目前，常见的CMOS片上太阳能电池在室内照明下可提供nW级的功率输出，在强光下可提供uW级的功率输出。这对物联网模块的整体功耗优化提出了很高的要求。另一方面，能量收集还可以与小型微电池结合使用，光线好的时候使用太阳能电池，光线弱的时候使用备用电池，从而提高整个物联网模块的电池寿命。

除了太阳能电池之外，另一种众所周知的环境能源是WiFi信号。在今年的 ISSCC 上，俄勒冈州立大学的一个研究团队发布了一款可以从环境中的 WiFi 信号中收集能量的芯片。我们先来了解一些背景知识：WiFi的最大发射功率为30dBm（即1W）。在简单的环境中（即没有障碍物等），信号功率随着距发射设备的距离的平方而衰减。在3m左右的距离处，信号功率衰减在1uW（-30dBm）左右，如果有物体遮挡，功率会更小。

在俄勒冈州立大学发表的论文中，该芯片可以与直径为1.5cm的天线配合，以极低的无线信号功率（-33dBm，即500nW）为电池充电，能量获取效率约为5-10 %（即在距离发射源3m时输出功率约为50nW）。因此，WiFi信号也可以用来为物联网模块提供能量，但在实际距离下其输出功率并不大。还需要节点模块深度优化功耗。

此外，机械能还可以作为物联网节点的能量获取源。压电效应可以将机械能转化为电能，从而可以利用压电材料（如压电MEMS）为物联网节点充电。使用压电材料作为能源的典型应用包括各种智慧城市和工业应用。例如，当汽车经过减速带时，减速带下方的物联网传感器上的压电材料可以利用车辆压力的机械能为传感器提供能量。充电、唤醒传感器，实现车辆计数等。

这样，机械压力既可以作为被测量的信号，又可以作为能量来源，就不需要在没有信号的时候浪费能量了！压电材料的输出功率会随着机械能的大小而变化很大，一般在nW-mW数量级范围。

无线唤醒系统

传统的物联网无线收发器系统通常使用周期性通信或主动事件驱动的通信解决方案。周期性通信是指物联网节点定期开启与中心节点的通信，其他时间休眠；事件驱动通信是指物联网节点仅在传感器检测到特定事件时才与中心节点通信，其他时间则休眠。

在这两种模式下，物联网节点都需要主动与中心节点建立连接并进行通信。然而，这个建立连接的过程是非常消耗能量的。因此，无线唤醒系统的概念应运而生。

什么是无线唤醒系统？即系统大部分时间处于休眠状态，只有当主节点发送特定信号时才唤醒无线系统。也就是说，建立连接的耗能过程并不是由物联网节点完成的，而是由中心节点通过发送唤醒信号来完成的。

当建立连接的事件由中心节点驱动时，一切都变得简单。首先，中心节点可以发射射频信号，物联网节点可以从射频信号中获取能量，通过能量收集（energy Harvesting）电路对内部电容器充电。当物联网节点的电容器充电时，无线连接系统可以利用电容器中的能量发射射频信号与中心节点进行通信。这允许无电池操作。

想象一下，如果您不使用唤醒无线系统，而是使用物联网主动连接，那么无电池将会很困难，因为无法保证物联网节点在需要通信时拥有足够的能量。相反，现在使用唤醒系统，中心节点在需要工作时首先对物联网节点进行充电并唤醒，这样可以保证物联网节点每次都有足够的能量进行通信。

那么，这样的唤醒无线系统的功耗到底有多低呢？在2016年ISSCC上，初创公司PsiKick发布的支持BLE网络的唤醒接收器仅需要400 nW的无线通信功耗。在 2017 年 ISSCC 上，加州大学圣地亚哥分校发布的唤醒接收器功耗已降至 4.5 nW，比需要毫瓦的传统物联网芯片小 4-6 个数量级！

反射调制系统

唤醒接收器主要解决无线链路中如何低功耗接收信号的问题，但如果采用传统发射器，仍然需要主动发射射频信号。发射机的功耗也很大，传输信号所需的功耗往往达到毫瓦量级。那么，是否可以在发射端进行一些创新来降低功耗呢？

确实，有人找到了另一种方法，想到了一种在不发射射频信号的情况下从物联网节点传感器传输信息的方法。这是华盛顿大学研究人员提出的发射调制的使用。反射调制有点像航海和荒野探险中使用的日光镜，通过以不同角度反射阳光来传输信息。这里，信号的载体是太阳光，但太阳能并不是发射信号的人发出的，而是由太阳作为第三方提供的。

同样，华盛顿大学研究人员提出的方法也是一样的：中心节点发射射频信号，物联网节点利用传感器的输出来改变（调制）天线的传输系数，使得中心节点可以通过检测反射信号来接收物联网节点的信号。整个过程中，物联网节点不发射射频信号，而是反射中心节点发射的射频信号，从而实现超低功耗。

华盛顿大学Shyam Gollakota教授领导的研究小组目前已经完成了三个通过反射调制实现的超低功耗物联网领域的相关项目。去年，他们完成了无源WiFi和interscatter项目。无源WiFi用于长距离反射通信，利用WiFi路由器传输相对高功率的射频信号，而物联网节点则调制天线反射系数来传输信息。

多个物联网节点可以共存，并使用类似于 CDMA 扩频的方法同时传输信息。 Interscatter用于短距离数据传输，利用移动设备传输低功率射频信号，物联网节点对射频信号的反射进行调制，以达到信息传输的目的。 Passive WiFi和interscatter芯片的功耗在10-20微瓦左右，比轻松达到毫瓦级别的传统物联网无线芯片小几个数量级。也为物联网节点进入人体等应用场景铺平了道路。 。

无源 WiFi（上）和 Interscatter（下）使用反射调制，分别针对长距离和短距离应用。

Passive WiFi和Interscatter也需要使用电信号，因此需要电源，但Gollakota教授最近发表的Printed WiFi更进一步，根本不需要电源！

在物联网的应用中，很多需要检测的物理量实际上并不是电信号，比如速度、液体流量等。虽然这些物理量不是电物理量，但由于目前主流的信号处理和传输采用在电子系统中，传统的做法是利用传感器电子芯片将这些物理量转换为电信号，然后利用无线连接将其传输出去。

事实上，这个转换过程是没有必要的，并且会引入额外的能源消耗。 Printed WiFi的创新之处在于利用机械系统来调制天线的反射系数，从而通过反射调制来传输这些物理量。这样，物联网节点就完全避免了电子系统，真正实现无电池运行！

目前，这些机械系统是使用 3D 打印生产的，这就是该项目被命名为 Printed WiFi 的原因。

上图是Printed WiFi的一个例子，它是一个速度传感器。当上部车速表旋转时，弹簧、齿轮等机械装置会周期性地闭合/打开底部天线（槽缝天线）中的开关，从而周期性地改变底部天线的反射特性（周期为旋转速度），从而使得中心节点只需反射射频信号即可读取转速。下图为不同转速下传感器反射信号时域的变化。可见，通过反射信号可以提取转速信息。

超低功耗传感器

物联网节点最基本的目标是提供传感功能，因此超低功耗传感器也是必不可少的。目前，温度和光传感器经过深度优化后已经可以实现nW-uW量级的功耗，而广泛应用于智能音箱的声音传感器往往功耗达到mW量级甚至更高，因此成为下一个趋势。一步突破研发重点。

在声音传感器领域，最新突破来自压电MEMS。传统的声音传感器（即麦克风）必须使整个系统（包括后端ADC和DSP）处于活动待机状态，以避免错过任何有用的声音信号，因此平均功耗处于接近mW的数量级。然而，在很多环境下，这样的系统实际上会造成能源的浪费，因为大多数时候环境中可能没有声音，导致ADC、DSP等模块的能源浪费。

使用压电MEMS可以避免这样的问题：当没有声音信号时，压电MEMS系统处于休眠状态。只有前端压电MEMS麦克风处于待机状态，而后端ADC和DSP处于休眠状态。整体功耗为uW量级。 。一旦有用的声音信号出现并被压电MEMS检测到，压电MEMS麦克风就可以输出唤醒信号来唤醒后续的ADC和DSP，从而不错过有用的信号。因此，在常规应用场景下，整体声音传感器的平均功耗可以控制在uW量级，让声音传感器进入更多的应用场景。

超低功耗MCU

物联网节点中最后一个关键模块是MCU。 MCU作为控制整个物联网节点的核心模块，其功耗不容忽视。如何降低MCU功耗？ MCU功耗一般分为两部分：静态漏电和动态功耗。在静态漏电部分，为了减少漏电，可以做的就是降低电源电压，采用低漏电标准单元设计。在动态功耗部分，我们可以通过降低电源电压或者降低时钟频率来降低​​功耗。

可见，降低电源电压可以同时降低静态漏电和动态功耗。因此，设计能够降低电源电压的亚阈值电路成为设计超低功耗MCU的必由之路。

例如，将电源电压从1.2V降低到0.5V，可以将动态功耗降低近6倍，而静态漏电则呈指数级下降。当然，亚阈值电路设计会涉及一些设计过程的挑战，例如如何确定亚阈值门电路的延迟、建立/保持时间等，需要仔细的仿真和优化。

在学术界，弗吉尼亚大学的一个研究小组发布了一款动态功耗低至500nW的传感器SoC，除了MCU之外还包括计算加速器和无线基带。在商业化技术方面，初创公司Ambiq的Apollo系列MCU可实现35uA/MHz的超低功耗。其设计采用了Ambiq多年积累的SPOT亚阈值设计技术。未来，我们预计将看到功耗低至nW的MCU，为使用能量收集技术的物联网节点铺平道路。

结论

随着物联网的发展，第一代广域物联网已迅速普及到千家万户。然而，广域物联网节点必须满足覆盖要求，因此很难降低射频功耗，从而限制了应用场景（例如人体中的传感器无法使用大容量电池）。

本地物联网将成为物联网下一步的发展方向。本文介绍的能量采集技术，与超低功耗无线通信、MCU 和传感器相结合，有望让物联网节点突破传统限制，实现尺寸和电池寿命的改进。这是一项革命性的突破，为物联网进入植入式传感器等新应用铺平了道路。