超低功耗技術助力BLE進入無源應用市場
發布時間：2023-07-19
編輯： 電子工程專輯
實現“萬物互聯”是整個物聯網行業的終極目標，據IoT Analytic統計，全球活躍的物聯網終端數量預計2025年增長至270億臺，但距離業界期待的千億級市場仍有較大差距。隨著物聯網場景的深度拓展，終端成本的剛性制約和應用場景帶來的供能限制問題凸顯。從物聯網連接發展的趨勢看，未來千億級的“萬物互聯”必將建立在無源物聯網的基礎之上。
無源物聯網（Passive IoT）是指接入網絡的終端節點設備不需配置電源線或內置電池，通過采集環境中的微能量供能支持自身正常運轉，實現數據的采集、傳輸和分布式計算等功能。
無源物聯網的技術目標定義，來源：物聯傳媒
部分觀點認為，無源物聯網是RFID技術的衍生概念，將無源物聯網與RFID技術等同，甚至把無源物聯網設備與“標簽”混為一談，這是思維定勢導致的。RFID技術確實與無源物聯網在“無源”這一關鍵點上匹配，但當前RFID功能單一，無法滿足物聯網集通信、感知、邊緣計算等多功能于一體的需求，局限于“標簽”類應用，無法拓展至其他場景。其實早在2021年華為就提出了5.5G無源物聯網Passive IoT的方案構想：將無源物聯網設備支持的場景傳輸距離擴大至百米級別，舍棄專用的讀寫器改為通用設備，使終端具有通過蜂窩網關節點進行自我回傳數據的功能。
華為的方案構想將解決方案指向了超低功耗BLE技術。對此，國產物聯網藍牙芯片原廠奉加科技提供了完整的自研全國產無源物聯網芯片方案。
1、超低功耗物聯網系統級芯片架構
奉加科技在物聯網領域已有多年成功實踐，針對無源物聯網高性能、高可靠性、高安全性、高能效比的需求，自研軟硬件協同的芯片整體架構和片上電源/時鐘管理方法，實現了高集成度、超低功耗系統級芯片全棧集成。基于高能效的分級管理模式，實現無源物聯網環境能量采集和存儲、事件識別及驅動和邊緣計算等核心需求的低功耗管理。功能覆蓋無源物聯網的所有需求，將應用拓展至語音大模型數據入口終端、傳感器自組網絡、穿戴式醫療連續電化學監護、新能源汽車智能控制、資產定位追蹤等細分場景。
2、超低功耗多模無線通信軟硬件協同設計
芯片集成超低功耗的多模射頻收發機、片上通信協同的電源/時鐘管理、基帶處理器和軟件協議棧，突破功耗對噪聲系數、線性度、動態范圍、集成度的限制，使射頻性能達到亞毫瓦級；支持BLE/Mesh/Zigbee/Matter/Sub-GHz等多樣化通信協議，實現了局域/廣域物聯網全覆蓋。
為突破自組網定時喚醒保持無線連接的固有趨勢實現高能效無線自組網協議，自研了自組網內分級射頻喚醒方法，同時基于路由信息自適應調節傳感節點間通訊速率技術，設計了動態功耗、無線通信距離與速率等多參量平衡的自組網協議。
3、自主指令集RISC-V處理器安全處理器
基于物聯網數據高安全性需求，芯片集成了基于MCU加密安全啟動機制和多級流水線架構的蒙哥馬利硬件密鑰生成器，提供基于RISC-V自主指令集和內存映射的安全代碼運行空間方案。
芯片集成Flash、ROM、SRAM、Efuse等存儲配置，同時設計了低功耗的存儲系統，以保證物聯網場景下數據的快速和持續訪問的性能與可靠性。
4、多源協同高效能量采集與管理
針對無源物聯網不可或缺的能量采集需求，為了解決多源協同能量獲取及電路低電壓冷啟動和高效率能量轉換、管理和存儲問題，奉加采用基于降壓-升壓雙模能量采集與電壓轉換架構和最大功率點跟蹤和分級自啟動技術，設計了基于微光能、微動能、溫差能、射頻能等多源協同的可重構能量采集電路，實現接口電路匹配，自適應調節MPPT電路狀態優化參數，提高多源協同能量獲取效率。
5、極低能耗多物理量傳感器
為滿足物聯網設備的感知功能需求，奉加設計了近閾值低功耗高精度信號鏈電路，通過低功耗分級模式識別技術降低無效干擾數據量，實現了聲音、振動、光、電化學、電磁場等環境信號的多模低功耗傳感器接口的單芯片集成。
自研基于嵌入式處理器的輕量級卷積神經網絡用于關鍵傳感信息的提取與識別，實現可獨立運行的超低功耗多物理量傳感器接口與智能感知信息處理系統。
基于BLE的無源物聯網在國際上已有成功案例。來自以色列的Wiliot公司的BLE產品Wiliot IoT Pixels，通過捕捉4G/5G、Wi-Fi、Zigbee、LoRa等微弱信號供電。這款尺寸僅郵票大小的微型低成本自供電標簽可以感應溫度、液位、運動、位置變化、濕度和接近度在內的一系列物理和環境數據，然后將這些數據輸入Wiliot云。該產品目前應用在疫苗瓶、食品包裝等消費生產和零售場景中。
Wiliot IoT Pixels，來源：Wiliot
來自美國的Atmosic公司進一步拓展了BLE無源物聯網設備的使用場景。Atmosic認為，預計到2024年物聯網設備市場將越來越傾向于具有更強處理能力、更多功能（安全和定位）和更低功耗（無源）的設備。以近年來市場需求快速增長的可穿戴便攜式醫療產品為例，要求很薄的尺寸，但同時又需要可靠的電池表現，長時間不間斷地提供監測功能。
Atmosic芯片終端設備定位，來源：Atmosic
奉加科技（上海）股份有限公司專注于高性能射頻與混合信號芯片設計，在28nm/55nm/180nm工藝獨立開發了完備的自主知識產權高性能混合信號IP體系，擁有自主知識產權多標準通信協議棧、高性能低功耗射頻電路、高性能ADC/DAC、超高速 SerDes和時鐘、靈活安全系統級芯片架構、數字信號處理算法等核心技術，具備完善的設計、量產、質量體系。低功耗藍牙芯片PHY62XX系列核心射頻性能與功耗指標均居國際領先水平，通過國際藍牙聯盟、CSA、蘋果MFi認證，客戶覆蓋工業、醫療、語音、汽車、消費等領域，芯片累計交付超5億片。
奉加正在積極布局全新集成高性能RISC-V、環境能量采集電路、超低功耗物聯網射頻收發機電路架構和射頻喚醒技術、BLE/Mesh/Zigbee/Matter/Sub-GHz多樣化通信協議棧等無源物聯網核心技術的超低功耗、多模態、全棧自主知識產權的無線物聯網系統級芯片，滿足物聯網低功耗、多樣性、安全性和高可靠性需求。預計2023年末發布系列第一代產品，2年內實現多個領域千萬級數量的應用部署。
文源：https://mp.weixin.qq.com/s/MDBv1BsNQYTyJg4xucDMJQ
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