趣说物联网，卸妆超低功耗黑科技

说起物联网的起源，就必须聊聊一只名为“特洛伊”的咖啡壶。

1991年，剑桥大学特洛伊计算机实验室的科学家们在工作时，需要下两层楼梯到楼下去看咖啡煮好了没有，但常常空手而归。为了解决这个麻烦，他们编写了一套程序，并在咖啡壶旁边安装了一个便携式摄像机，镜头对准咖啡壶，利用计算机图像捕捉技术，以3帧/秒的速率传递到实验室的计算机上，以方便实验室人员随时查看咖啡是否煮好，省去上上下下的麻烦。这就是名噪一时的“咖啡壶”网站。

1993年，这套简单的本地“咖啡观测”系统又经过其他同事的更新迭代，以1帧/秒的速率通过实验室网站连接到了互联网上。令人意外的是，这只小小的咖啡壶引来了上百万吃瓜群众的围观，仅仅为了窥探“咖啡煮好了没有”，全世界互联网用户蜂拥而至，近240万人点击。这个世界上最富盛名的“特洛伊咖啡壶”，可以说是物联网的雏形。

后来，数以万计的电子邮件涌入剑桥大学旅游办公室，希望能有机会亲眼看看这个神奇的咖啡壶。最具戏剧效果的是，这只通过网络而闻名的“特洛伊”咖啡壶，最终也通过网络找到了归宿：2001年8月，特洛伊咖啡壶在eBay拍卖网站以7300美元的价格卖出!

从1991年至今，近三十年，时代飞速发展，科技日新月异。云计算、大数据、移动互联网、物联网、人工智能、边缘计算、区块链、5G，各种新兴技术接踵而至；人们的实际生活场景中，“万物互联”让我们应接不暇。智慧家居为生活带来前所未有的便利；可穿戴设备变得小巧又强大，24小时监测身体健康数据；智慧城市的落地应用，诸如智能灯杆、智能井盖等在物联网的赋能下，大幅提升城市管理效率；智能制造将颠覆传统制造的生产模式，重构生产流程、再造商业模式。

从“特洛伊”咖啡壶开始，日常用品和经典产品之所以能够智能化，是因为物联网模块的支撑。目前的物联网仍然主要由运营商推动，物联网模块需要使用标准蜂窝协议与基站通讯。基站需要覆盖尽可能大的面积，这就对物联网模块的射频发射功率和远距离通讯能力有了很高的要求；另一方面，物联网模块在无线通讯时，需要消耗高达30mA的电流，工作状态需要配合较高容量的电池（如五号电池），因而物联网模组的尺寸很难做到小巧。

为了能进一步普及物联网，必须克服功耗及尺寸的掣肘；在通讯协议方面，需使用更低功耗的自组网技术，类似BLE、Lora等；而在芯片选型和电路实现方面，降低功耗是重中之重。

能 量 获 取 技 术

物联网设备近一步进入拓展应用场景的瓶颈在于电池的供电能力和尺寸。有没有可能使用从环境中获得能量来支持物联网节点工作呢？这就是“能量获取”（energy harvesting）芯片。

目前最成熟的能量获取系统是太阳能电池。传统太阳能电池具有较好的能量获取效率，却难以集成到CMOS芯片上。近期，很多研究机构致力于研发新型CMOS太阳能电池，将物联网节点的其他模块集成到同一颗芯片上，提高芯片集成度并减小模组尺寸。

除太阳能电池外，另一个思路就是从广为人知的环境能量 — WiFi信号入手。正式认识一下WiFi信号：WiFi的最大发射功率是30dBm（即1W），在简单的环境里（即无遮挡环境），信号功率随着与发射设备的距离平方衰减，在距离3m左右的距离信号功率就衰减到了1uW（-30dBm）左右；如果有物体遮挡则会导致功率更小。如果芯片配合直径为1.5cm的天线，在非常低的无线信号功率（-33dBm即500nW）下，也能工作并给电池充电，能量获取效率在5-10%左右（即在距离发射源3m的情况下输出功率在50nW左右）。因此，WiFi信号也可以在较近距离用来给物联网模组提供能量，而节点端需要对功耗做深度优化。

此外，机械能也可以作为物联网节点的能量获取来源。压电效应可以把机械能转换为电能，从而使用压电材料（例如压电MEMS）就能为物联网节点充电。使用压电材料做能量源的典型应用包括各种智能城市和工业应用，例如当有车压过减速带的时候，减速带下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给传感器充电并唤醒传感器，从而实现车辆数量统计等。

唤 醒 式 无 线 系 统

传统的物联网无线收发系统使用的往往是周期性通讯或主动事件驱动通讯的方案。周期性通讯指的是物联网节点定期打开与中心节点通讯，并在其他时间休眠；事件驱动通讯则是指物联网节点仅仅在传感器监测到特定事件时才与中心节点通讯，而其它时候都休眠。

在这两种模式中，都需要物联网节点主动与中心节点建立连接并通讯。然而，连接的过程非常消耗能量。因此，唤醒式无线系统的概念就应运而生。什么是唤醒式无线系统？就是系统在大多数情况休眠，仅当主节点发射特定信号时才会唤醒无线系统。换句话说，连接的建立由中心节点发送唤醒信号完成，而非物联网节点，从而实现节能的目的。

超 低 功 耗 传 感 器

物联网节点最必不可少的功能就是传感，超低功耗传感器是功耗敏感设备的必需必要。目前，温度、光照传感器在经过深度优化后已经可以实现nW-uW数量级的功耗，而在智能音响中得到广泛应用的声音传感器往往要消耗mW数量级甚至更高的功耗，很多科研机构将此列为突破重点。

在声音传感器领域，最近的突破来自于压电MEMS。传统麦克风让整个系统（包括后端ADC和DSP）一直处于活动待机状态，以避免错过任何有用的声音信号，造成近mW数量级的平均功耗。但在实际应用场景中，这样的系统造成很大的能量浪费。解决方式是采用压电MEMS来避免能量浪费：当没有声音信号时，压电MEMS系统处于休眠状态，仅仅前端压电MEMS麦克风在待命，而后端的ADC、DSP都处于休眠状态，整体功耗在uW数量级。一旦有声音信号出现并被压电MEMS检测到，则压电MEMS麦克风可以输出唤醒信号将后面的ADC和DSP唤醒。这样，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数量级。

超 低 功 耗 微 控 制 器

微控制器是物联网节点端的灵魂，也是耗能大户。那么，有一个“灵魂拷问”，如何降低微控制器的功耗？

MCU功耗一般分为静态漏电和动态功耗两部分。为了减小静态漏电，我们可以减小电源电压，使用低漏电的标准单元设计。针对动态功耗，可以通过减小电源电压或者降低时钟频率达到降低功耗的目的。由此可见，降低电源电压可以同时降低静态漏电和动态功耗，因此能将电源电压降低的亚阈值电路设计就成了超低功耗MCU设计的必由之路。

基于arm内核的很多微控制器都具备超低功耗特性，为泛在化的物联网节点端应用铺平道路。