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物联网低功耗无线技术比较(中)

当谈到低功耗无线技术时,工程师有很多选择,包括蓝牙低功耗,ANT,ZigBee,RF4CE,NFC和Nike +等射频技术以及红外数据协会(IrDA)倡导的红外选项。本文是考虑流行无线技术的技术基础和相对优势的三部分系列文章中的第二篇。
本文将特别介绍各种低功耗无线技术的硬件,固件和软件开发。然后详细介绍每个协议的功率效率和峰值电流消耗及其对电池寿命的影响。物料清单(BOM)成本和目标市场分析也将提供。

采用蓝牙低功耗设计

今天的蓝牙低功耗的SoC几乎完全基于2.4 GHz无线,由ARM监督®皮质® -M0,M3,M4和M4F嵌入闪存和RAM的处理器,以方便堆栈固件和应用软件存储和运行。在推出单芯片硬件的同时,芯片供应商正在努力使非专业RF工程师通过提供参考设计,应用笔记和设计工具来设计无线产品变得更容易。
尽管像德州仪器TI)CC2640R2F蓝牙5 SoC之类的SoC集成了完整的蓝牙低功耗解决方案的所有硬件(和固件),但是将芯片简单地焊接到印刷电路板上,施加功率不太可能导致工作方案。
像所有射频设计一样,功能系统需要形成匹配电路,电源和天线无源元件形式的附加电路(图1)。
德州仪器CC2640R2F蓝牙5 SoC框图(点击放大)
图1:TI CC2640R2F蓝牙5 SoC的应用电路包括匹配电路,晶体和天线。(图片来源:德州仪器)
另外,各种各样的第三方公司提供了围绕最新SoC构建的经过测试和兼容的模块,无需设计外部电路,而且成本更高,尺寸更大。
工厂提供经过测试和验证的蓝牙低能量堆栈可以满足无线协议的要求,而且还有许多官方和开源库,其中包含大多数常用的蓝牙低功耗应用程序的成熟应用代码。此外,与广泛和用户友好的集成开发环境(IDE)相关联的供应商和第三方开发工具包(DK)和软件DK(SDK)的激增使得为合格的工程师设计新的应用程序变得更加简单。
有关使用蓝牙低功耗进行设计的更多信息,请参阅Digi-Key库文章“ 兼容蓝牙4.1,4.2和5的低功耗蓝牙SoC和工具满足IoT挑战(第2部分) ”。

那ZigBee呢?

在许多方面,ZigBee与蓝牙低功耗的设计方案类似,部分原因在于许多提供蓝牙低功耗芯片,参考设计和DK / SDK的公司对​​其ZigBee产品也是如此。集成了收发器,微处理器和大容量闪存和RAM的SoC资源充足,无需使用单独的处理器和收发器开发环境。但是,熟悉特定处理器系列的设计人员可以选择与仅有收发器的ZigBee芯片搭配使用。这样的配对的例子是Microchip的 AT86RF232其可与从Microchip /爱特梅尔MCU进行配对AVR MCU家族。
恩智浦的 JN516x系列是适用于基于ZigBee的项目的最新SoC的一个很好的例子。该器件采用ZigBee PRO堆栈进行编程,并具有嵌入式32位RISC处理器,闪存和EEPROM存储器。SoC还集成了2.4 GHz收发器以及模拟和数字外设的全面组合。
由于RF4CE是ZigBee协议栈的定制应用程序,因此硬件设计与其他ZigBee应用程序相同。例如,NXP JN516完全能够支持RF4CE应用。所有开发人员需要做的就是在RF4CE固件上构建自己的应用程序,而不是使用标准的ZigBee堆栈。
像蓝牙低功耗一样,ZigBee产品需要标准兼容性和监管认证来承载标准的标识。

ANT是一个很好的设计选择吗?

ANT对蓝牙低功耗或ZigBee项目来说是一个类似的发展挑战。提供双芯片(TI CC2570 plus MSP430F2 MCU),SoC(Nordic Semiconductor nRF52832)或模块化(Dynastream Innovations的 D52 ANT模块)硬件解决方案。前两个选项需要额外的外围组件来形成工作设备,而该模块是一个经过全面测试的硬件解决方案。
ANT协议是作为一个独立的固件堆栈提供的,只让开发人员在软件方面开发应用程序代码。CC2570的应用程序代码开发是使用所选的MCU开发工具完成的,而nRF52832 SoC和D52 ANT模块(基于nRF52832)使用软件架构,将协议栈与应用程序代码完全分开,从而简化了开发过程。nRF52832采用嵌入式ARM M4F微处理器。TI和Nordic Semiconductor都提供ANT DK和SDK以支持应用程序代码开发。
ANT协议的一个缺点是,如果现有的ANT +设备配置文件不适合该应用,则开发一个新协议需要协议开发者Dynastream Innovations和OEM之间的协作,以确保互操作性。这可以延长开发时间。

IrDA如何实施?

IrDA根据应用提供了几种通信协议版本。简单的协议要求适当的红外收发器,如Vishay的 TFBS4711的服务。该设备在1米范围内的数据速率可达115 Kbits / s。当需要更高的数据速率时,复杂性会增加,因为需要重量级的IrDA协议栈和16位微处理器的服务。
由于IR是视距技术,所以光学考虑是重要的。例如,塑料红外透射窗口 - 确保IR强度在规定范围内 - 是使用IR的最终产品的关键要求。标准认证是强制性的,需要在IrDA授权的测试实验室进行。

NFC设计的关键挑战是什么?

也许设计NFC系统最棘手的部分是让天线正确。发射机和接收机的天线不仅需要耦合传输数据,还需要电源。这使得设计比单独发送和接收数据更复杂。好消息是有很多主要供应商的应用笔记和参考设计提供了天线设计的指导。  
NFC的固件基于一堆功能层,从物理层到应用软件的实现。通常包括微控制器和相关基础设施,通信接口和无线电的物理层之上是包括数据分组组装,NFC命令生成,逻辑链路控制协议(LLCP)和简单的NDEP交换协议的中间层。
高层包括NDEF消息和NDEF记录,用用户界面覆盖(图2)。设计遵循类似于蓝牙低功耗和ANT +等技术所采用的过程,开发人员将产品置于工厂固件堆栈上,并使用适当的开发工具来制作针对特定应用量身定制的软件。
德州仪器(TI)TRF7970 NFC芯片物理层示意图
图2:NFC物理层(本例中为TI TRF7970 NFC芯片)以及与主机微控制器和NFC或RFID设备接口的固件堆栈。(图片来源:德州仪器)
由于功率输出较低,NFC的强制性认证不是强制性的,但是必须进行标准的无线电发射测试,以确保传输仅限于13.56 MHz频段。但是,如果最终产品需要互操作性,则需要符合标准认证计划。

Wi-Fi难以实施?

在所有低功耗无线方案中,Wi-Fi是开发者最复杂的技术。特别是,硬件的设计必须严格公差,以确保达到无线电性能指标。
从头开始设计Wi-Fi解决方案需要高度的千兆赫频率RF专业知识,使得预装配模块的路由在希望加快产品上市时间的开发人员中流行。模块经过了测试,验证和合规性认证的无线产品,可以快速整合到Wi-Fi解决方案中。
IEEE 802.11n模块和相关的开发工具很容易从几个芯片供应商处获得。它们通常集成WLAN基带处理器和RF收发器,支持IEEE 802.11na / b / n / g,功率放大器(PA),时钟,射频开关,滤波器,无源器件和电源管理。模块可以与单独的微处理器或嵌入式设备一起运行。与大多数其他RF硬件解决方案一样,开发人员可能必须指定通过受控阻抗走线连接的2.4或5 GHz天线,以实现功能完备的RF电路(尽管一些模块化解决方案甚至延伸到这些元件)。
微处理器需要运行Linux或Android等高级操作系统(OS)。Wi-Fi芯片供应商提供驱动程序,而第三方则支持WinCE和一系列实时操作系统所需的其他驱动程序。
Wi-Fi设备操作认证不是强制性的,但是如果设备没有认证,则不能使用Wi-Fi标志。由于扩展的测试制度,相对于所讨论的其他技术而言,认证成本高。(有关Wi-Fi设计的更多信息,请参阅Digi-Key资料库文章“ 比较工业应用中的2.4 GHz和5 GHz无线局域网 ”。)

协议可靠性和效率之间的折中

本文的第1部分描述了每种无线通信协议如何包含开销(例如,数据包ID和长度,通道和校验和)以及正在传输的信息(称为“有效负载”)。有效载荷/总数据包大小的比率决定了协议效率。
显示蓝牙低能量包(图3)。该协议允许使用这个例子的各种有效载荷说明最大有效载荷的情况。请注意,这是遵循蓝牙版本4.0的数据包结构。版本4.1,4.2和5有一些细微的数据包更改,但这些并没有显着改变协议效率。
蓝牙低功耗数据包的示意图
图3:蓝牙低功耗数据包 最大有效载荷为248位,协议效率为76%。(图片来源:蓝牙SIG)
图3中的蓝牙低能量分组包括:
  • 前导符= 1个八位字节(8位)
  • 访问地址= 4个八位字节(32位)
  • 头部= 1个八位字节(8位)
  • 有效载荷长度= 1个八比特组(8比特)
  • 有效载荷= 31个八比特组(248比特)
  • 循环冗余校验(CRC)= 3个八位字节(24位)
  • 蓝牙低能量协议效率=有效载荷/总数据包大小
  • 31/41 = 76%
设计师确定入围技术的协议效率是非常重要的,因为它们直接影响用户体验。低功耗无线解决方案提供商热衷于宣传“原始数据”的传输速度,但可能会少一些数据是多少有用的有效载荷。
从用户的角度来看,如果效率不高,那么具有令人印象深刻的原始数据速度的技术可能会显得迟缓。更糟糕的是,一个低效率的协议会花费大量的精力发送无用的数据 - 缩短电池寿命(低功耗无线技术的关键设计参数)。
但是,重要的是要注意在可靠性和效率之间进行权衡。例如,协议可以通过消除校验和或纠错来获得一些效率,但是如果数据包必须不断地被重传,因为它们在到达接收器时通常被破坏,则效率增益被迅速消除。
比较入围的技术时,建议设计者与供应商交谈,以确定理论协议的效率(记住即使单个技术可能有不同的版本,每个版本都有独特的数据包结构),然后在几个使用案例中测试实际效率分析传输以找出成功的分组传输的速率。即使在最佳的无线电环境中,该速率通常低于理论效率所指示的速率。

制造低功耗无线设备的成本是多少?

与低功率无线传感器相关的主要成本是收发器和微处理器(或者如果这些组件被结合,SoC),天线,电压调节器和印制电路板房地产(表1)。假设电池,电池连接器和传感器的成本与无线技术无关,所以从比较表中省略了它们。此外,请注意,这些数字是估计值,可能因供应商而异。
无线技术 CPU($) 电台($ / 100) 天线 监管机构($) PCB尺寸(mm²)
蓝牙功耗低 N / A 3.991 打印8毫米 N / A 20
ON N / A 4.091,3 印有“F”15毫米 N / A 125
ANT + N / A 4.091,3 印有“F”15毫米 N / A 306
ZigBee的 N / A 3.621 印有“F”15毫米 N / A 305
RF4CE N / A 3.621 印有“F”15毫米 N / A 305
的Wi-Fi 6.90 打印8毫米 1.50 60
耐克+ 2.682 金属20毫米 N / A 300
红外线 3.132 8毫米 N / A 21 + CPU
NFC 4.734 50毫米x 30毫米 0.33 100
  1. 包括集成的CPU和调节器。
  2. 包括综合调节器。
  3. 包括蓝牙低功耗能力。
  4. 包括RFID。
表1:与低功率无线传感器相关的主要成本是收发器和微处理器,天线,电压调节器和印刷电路板的房地产。(图片来源:Digi-Key Electronics)
外部晶体可以大大降低低功耗无线传感器的成本,因为高质量的器件通常需要满足严格的法规要求。该设备的精度越高,定义为偏离标称频率的百万分率(ppm)越低,价格越高。
典型的晶体容差(ppm)为:
  • NFC = 500(晶体只需要保持无线电工作在分配的频段,而不是数据时钟)
  • 蓝牙低能量= 250
  • Nike + = 60
  • ANT = 50
  • ZigBee / RF4CE = 40

电源效率

低功耗无线技术主要是为延长电池寿命而设计的,但每种技术的性能都有相当大的差异。
每种技术的一个关键用例是传感器。在最简单的例子中,这样的传感器可以用于测量和传输例如温度,湿度和压力。传感器设计以轻便紧凑的设计为代表,只允许用于小型电池的空间,例如标称容量为225 mAh的3伏CR2032纽扣电池。
根据传感器的硬件计算应用程序中的电池使用寿命是一项复杂的任务。例如,如果传感器包含状态LED,则与不带状态LED的设备相比,功耗会更高。同样,峰值发射和接收电流,空中时间,睡眠模式电流和其他几个因素都会影响电池寿命。
一些供应商,例如ANT开发商Dynastream Innovations,在他们的网站上包含了便捷的功耗计算器,使开发人员能够估计给定使用场景的电池寿命。
每个协议的功率效率的一个很好的基准是考虑传输一个比特所需的能量。这样的计算说明了这样的事实,即具有更大吞吐量的协议需要比具有更适度的吞吐量的协议更短的时间。(请注意,这些数字应被视为一个粗略的指导;特定技术的实际能量每芯片在芯片供应商和不同的应用程序中显着不同。
蓝牙功耗低
德州仪器(TI)发布了一份应用笔记(参见参考文献1),该应用笔记计算典型应用中蓝牙低功耗的平均电流为24微安(μA)(使用3伏CR2032纽扣电池)。
  • 功耗= 24μAx 3伏= 72微瓦(μW)
  • 每秒位数(在典型的传感器操作中)= 960
  • 每比特能量= 72微瓦/ 960比特/秒= 75纳焦(nJ)/比特
ON
ANT的类似计算显示:
  • 功耗= 61μAx 3 V = 183μW
  • 每秒比特数(典型的原始数据吞吐量)= 256
  • 每比特能量=183μW/ 256比特/秒= 715nJ /比特
ZigBee的
在传输模式下,ZigBee设备消耗30毫安(mA)。
  • 功耗= 30 mA x 3 V = 90毫瓦(mW)
  • 每秒比特数(最大原始数据吞吐量)= 250,000
  • 每比特能量= 90mW / 250,000比特/秒= 360nJ /比特
红外线
红外遥控器的测量结果显示,该设备在以121比特/秒传输时消耗1.948毫安。
  • 功耗= 1.95 mA x 3 V = 5.85 mW
  • 每秒比特数= 121
  • 每比特能量= 5.85mW / 121比特/秒=48μJ/比特
耐克+
有关Nike +电流消耗的信息很少,但耐克表示,在典型应用中,CR2032电池的使用时间将持续大约1000小时,因此可以假定平均电流为225 mAh / 1000 = 225μA
  • 功耗= 225μAx 3 V = 675μW
  • 每秒比特数= 272
  • 每比特能量=675μW/ 272比特/秒=2.5μJ/比特
的Wi-Fi
Wi-Fi的设计主要是考虑到吞吐量,而不是考虑功耗。即使不以最大吞吐量进行传输,结果也是高电流消耗。然而,当技术全速运转时,其功效与其他技术相媲美。
  • 功耗= 116 mA x 1.8 V = 0.210 W
  • 每秒比特数= 4000万
  • 每比特能量= 0.210 W / 40 Mbits / s = 5.25 nJ / bit

我的电池能持续多久?

实际的电池寿命主要取决于应用程序,然后在较小程度上取决于技术的选择。如果设备不断扫描并传输,则无论使用何种无线技术,都将消耗大量电流并迅速耗尽电池。
然而,大多数低功耗无线技术主要是为了通过以非常低的占空比运行来节省能量,使得在唤醒,发送数据和快速返回睡眠模式之前可以花费长时间的睡眠模式 - 从而最小化时间花费在大电流下运行。高带宽技术可能是有利的,因为与低带宽技术相比,高带宽技术可以在高电流消耗模式(例如,发送或接收)上花费较少时间来发送给定数量的数据。
纽扣电池的寿命最好通过估算低功率无线传感器在给定应用中所消耗的平均电流来计算。制造商的数据表通常会详细介绍“连接事件”的当前消耗和持续时间,如唤醒,连接,传输/接收以及返回睡眠状态(图4)。
蓝牙低能量连接事件的图表
图4:蓝牙低功耗连接事件包含多个当前级别和时间。(图片来源:德州仪器)
通过查阅睡眠期间电流消耗数据表,了解占空比和连接事件电流消耗,设计人员可以确定目标应用的平均电流(表2)。
时间(μs) 电流(mA)
醒来 400 6.0
前处理 340 7.4
前期的Rx 80 11.0
RX 190 17.5
RX-到Tx 105 7.4
TX 115 17.5
后期处理 1280 7.4
睡前 160 4.1
表2:了解连接事件和参数(加上无线电休眠电流和占空比)可以计算典型应用中的平均电流。(表格来源:Digi-Key Electronics)
睡眠时间通常以毫安(nA)为单位,时间长,而连接事件通常以毫安为单位,并且很短。平均电流消耗通常在微安(μA)范围内出现。
例如,考虑配备ANT无线技术的传感器的一个例子。在一个传感器应用中,平均电流为175.5μA。225毫安时纽扣电池的电池寿命为225毫安时/ 175.5微安= 1,282小时或53天左右。
在类似的传感器应用中,蓝牙低耗能技术的电池寿命为225 mAh / 49μA= 4592小时= 191天,平均消耗电流为49μA。

峰值功耗对电池寿命的影响

根据传感器的平均电流消耗计算电池寿命是一个有用的指导,但这只是故事的一部分。纽扣电池的实际使用寿命不仅受到平均电流的大小的影响,还受到峰值的不利影响当前。重复的电流峰值超过15毫安会大大降低电池寿命。例如,超过30 mA的峰值电流可能会将电池的容量限制在制造商标称值的80%以下。试图画出更高的电流可能会永久损坏纽扣电池。与平均电流较高但峰值电流较高的电池相比,使用平均电流更高但峰值电流更低的技术,电池寿命通常会更好。因此了解各种无线技术的峰值电流消耗非常重要(表3)。
无线技术 峰值电流消耗(mA) CR2032 3 V电池电源
红外线 10.2
耐克+ 12.3
蓝牙功耗低 13.0
ANT / ANT + 17.0
的ZigBee / RF4CE 30 是的(但可用容量将减少)
NFC 50 没有
的Wi-Fi 116(1.8V) 没有
表3:低功耗无线技术的峰值电流消耗 (表格来源:Digi-Key Electronics)
选择低峰值电流的低功耗无线技术的另一个原因是其与能量收集技术特别是光伏(PV)电池的兼容性得到了改进。当将环境光转换成有用的电能时,PV电池显示出相对较低的效率。类似尺寸的一个CR2032(3cm的无定形太阳能电池2)将产生1.5伏×8μA= 12μW。具有如此小的功率可用量,收音机具有低峰值(和平均)电流需求是至关重要的。

目标市场

本文所描述的低功耗无线技术是针对特定细分市场,其中一些细分市场重叠(表4)。这份清单并不详尽,随着物联网的成熟,可能会扩大。
(蓝牙低功耗),A(ANT),A +(ANT +),Zi(ZigBee),RF(RF4CE),
Wi(Wi-Fi),Ni(Nike +),Ir(IrDA),NF(NFC)。

扇形 一个 A + RF 无线 NF
遥控          
安全          
健康和健身          
智能电表            
智能手机          
汽车            
心率              
血糖              
定位            
跟踪            
付款              
赌博              
钥匙链          
智能电视          
智能家居            
智能交通          
个人电脑          
动物标签            
辅助生活          
表4:关键的低功耗应用和迎合他们的无线技术。(表格来源:Digi-Key Electronics)

结论

各种低功耗无线技术的比较表明,供应商正在为固件和开发套件提供设计人员所需的解决方案支持,以便快速有效地进入市场。但是,设计人员需要选择低功耗的无线接口,同时要考虑到其对整体功耗和电池寿命的影响,以及最终BOM和目标市场的需求。

参考文献:

  1. “ 蓝牙低能耗 ”,德州仪器Sandeep Kamath和Joakim Lindh,2012。

(责任编辑:ioter)

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