IoT的核心：盤點下一代超低功耗節點黑科技

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：智慧水錶，共享單車，等等。目前的物聯網仍然主要由運營商推動，物聯網模組需要使用標準蜂窩協議與基站通訊。由於基站需要覆蓋儘可能大的面積，因此物聯網模組需要能做到在距離基站很遠時仍能通訊，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，物聯網模組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。

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裝置近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援物聯網節點工作呢？這種從環境中獲取能量來支援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最佳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訊號。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訊號獲取能量的晶片。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）訊號功率隨著與發射裝置的距離平方衰減，在距離3m左右的距離訊號功率就衰減到了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訊號功率（-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訊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最佳化。

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，減速帶下的物聯網感測器上的壓電材料可以利用車輛壓力的機械能給感測器充電並喚醒感測器，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訊號，其本身又可以作為能量源，所以在沒有訊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。

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節點定期開啟與中心節點通訊，並在其他時間休眠；事件驅動通訊則是指IoT節點僅僅在感測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線並通訊。然而，這個建立連線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訊號時才會喚醒無線系統。換句話說，連線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傳送喚醒訊號來完成。

當建立連線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訊號，而IoT節點可以透過能量獲取（energy harvesting）電路從該射頻訊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，無線連線系統就可以使用電容裡的能量來發射射頻訊號與中心節點通訊。這樣一來，就可以做到無電池操作。想象一下，如果不是使用喚醒式無線系統，而是使用IoT主動連線的話，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，來自初創公司PsiKick發表的支援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！

來自UCSD的4.5 nW超低功耗喚醒式接收機

喚醒式接收機主要解決了無線鏈路中如何低功耗接收訊號的問題，但是在如果使用傳統的發射機，則還是需要主動發射射頻訊號。發射機也是非常費電的，發射訊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？

確實已經有人另闢蹊徑，想到了不發射射頻訊號也能把IoT節點感測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製。反射調製有點像在航海和野外探險中的日光訊號鏡，日光訊號鏡透過不同角度的反射太陽光來傳遞資訊。在這裡，訊號的載體是太陽光，但是太陽光能量並非傳遞訊號的人發射的，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：中心節點發射射頻訊號，IoT節點則感測器的輸出來改變（調製）天線的發射係數，這樣中心節點透過檢測反射訊號就可以接收IoT節點的訊號。在整個過程中IoT節點並沒有發射射頻訊號，而是反射中心節點發出的射頻訊號，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製實現的超低功耗IoT領域目前已經完成了三個相關專案。去年，他們完成了passive WiFi和interscatter專案。Passive WiFi用於長距離反射通訊，使用WiFi路由器發射功率相對較高的射頻訊號，而IoT節點則調製天線反射係數來傳遞資訊。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則用於短距離資料傳輸，使用移動裝置發射功率較低的射頻訊號，而IoT節點則調製該射頻訊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。

Passive WiFi（上）與Interscatter（下）使用反射調製，分別針對長距離與短距離應用。

Passive WiFi和Interscatter還需要使用電訊號因此需要供電，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！

在物聯網的應用中，許多需要檢測的物理量其實不是電訊號，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訊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感測器電子晶片把這些物理量轉化為電訊號，之後再用無線連線傳輸出去。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製天線的反射係數，從而透過反射調製把這些物理量傳輸出去。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！

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

上圖是Printed WiFi的一個例子，即轉速感測器。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／開啟最下方天線（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訊號就能讀出旋轉速度。最下方的圖是該感測器在不同轉速時的反射訊號在時間域的變化情況，可見透過反射訊號可以把轉速資訊提取出來。

物聯網節點最基本的目標就是提供感測功能，因此超低功耗感測器也是必不可少。目前，溫度、光照感測器在經過深度最佳化後已經可以實現nW-uW數量級的功耗，而在智慧音響中得到廣泛應用的聲音感測器則往往要消耗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。

在聲音感測器領域，最近的突破來自於壓電MEMS（一個典型代表是脫胎於密歇根大學的初創公司Vesper）。傳統的聲音感測器（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訊號，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：當沒有聲音訊號時，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。而一旦有用聲音訊號出現並被壓電MEMS檢測到，則壓電MEMS麥克風可以輸出喚醒訊號將後面的ADC和DSP喚醒，從而不錯過有用訊號。因此，整體聲音感測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，從而使聲音感測器可以進入更多應用場景。

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脈頻率來降低功耗。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閘電路的延遲，建立／保持時間等都需要仔細模擬和最佳化。在學術界，弗吉尼亞大學的研究組釋出了動態功耗低至500nW的感測器SoC，其中除了MCU之外還包括了計算加速器和無線基帶。在已經商業化的技術方面，初創公司Ambiq的Apollo系列MCU可以實現35uA／MHz的超低功耗，其設計使用了Ambiq擁有多年積累的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。

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（例如人體內感測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訊、MCU和感測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感測器等新應用鋪平道路。