編者按：此三部曲系列文章的第 1 部分探討了常用無線技術的基本原理，包括頻帶、網絡拓撲支持、吞吐量、范圍和共存等主要屬性。第 2 部分將介紹每種技術的基本設計原理，如芯片可用性、協議棧、應用軟件、設計工具、天線要求以及功耗。第 3 部分將介紹因應物聯網需求而興起的新技術。

工程師在低功耗無線技術方面有很多選擇，包括低功耗藍牙、ANT、ZigBee、RF4CE、NFC 和 Nike+ 等基于射頻的技術，以及紅外數據協會 (IrDA) 所倡導的紅外技術。本文是三部曲系列文章的第二部分，將討論常用無線技術的技術基礎和相對優勢。

本文將特別介紹各種低功耗無線技術的硬件、固件和軟件開發。然后，將詳細探討每種協議的功率效率和峰值電流消耗及其對電池壽命的影響。此外，還將提供物料清單 (BOM) 成本和目標市場分析。

設計采用低功耗藍牙

當今的低功耗藍牙 SoC 幾乎完全基于 2.4 GHz 無線電，搭載 Arm? Cortex?-M0、M3、M4 和 M4F 嵌入式處理器，使用閃存和 RAM 來進行堆棧固件和應用軟件的存儲和運行。在推出單芯片硬件的同時，芯片供應商正努力為缺乏射頻專業知識的工程師提供參考設計、應用說明和設計工具，來簡化其無線產品的設計工作。

盡管像 Texas Instruments (TI) CC2640R2F 藍牙 5 SoC 這樣的 SoC 包含實現完整低功耗藍牙解決方案的所有硬件（和固件），但僅將芯片焊接到印刷電路板并通電不太可能形成有效的解決方案。

與所有射頻設計一樣，功能完備的系統需要由無源器件組成附加電路，來構成匹配電路、電源和天線（圖 1）。

圖 1：TI CC2640R2F 藍牙 5 SoC 的應用電路包括匹配電路、晶體和天線。（圖片來源：Texas Instruments）

或者，有很多第三方公司提供圍繞最新 SoC 構建的、通過測試和認證的模塊，無需設計外部電路，但需要在增加成本和增加尺寸之間進行權衡。

這種工廠提供的經測試和驗證的低功耗藍牙堆棧滿足無線協議要求，同時還有許多官方和開源庫，提供經過驗證的應用代碼，用于最常見的低功耗藍牙應用。此外，供應商和第三方開發套件 (DK) 和軟件 DK (SDK) 的普及，結合應用廣泛的用戶友好型集成開發環境 (IDE)，使得合格工程師的新應用設計工作變得更加簡單。

有關采用低功耗藍牙設計的詳細信息，請參見 Digi-Key文庫文章“兼容藍牙 4.1、4.2 和 5 的低功耗藍牙 SoC 和工具可應對物聯網挑戰（第 2 部分）”。

ZigBee 怎么樣？

在很多方面，ZigBee 與低功耗藍牙的設計定位類似，部分原因在于許多提供低功耗藍牙芯片、參考設計和 DK/SDK 的公司也以相同的方式處理其 ZigBee 產品。集成收發器、微處理器和大容量閃存及 RAM 的 SoC 供應充足，無需使用單獨的處理器和收發器開發環境。但是，熟悉特定處理器系列的設計人員可以選擇將收發器僅有的 ZigBee 芯片與其常用的 MCU 搭配使用。作此搭配的一個實例就是 Microchip 的 AT86RF232，它可以與 Microchip/Atmel AVR MCU 系列中的一個 MCU 配對。

NXP 的 JN516x 系列就是為基于 ZigBee 的項目提供的最新 SoC 的最佳實例。該器件采用 ZigBee PRO 堆棧進行編程，并具有嵌入式 32 位 RISC 處理器、閃存和 EEPROM 存儲器。該 SoC 還包括一個 2.4 GHz 收發器和一個全面的模擬和數字外設組合。

由于 RF4CE 是 ZigBee 堆棧的定制應用，因此硬件設計與其他 ZigBee 應用相同。例如，NXP JN516 完全能夠支持 RF4CE 應用。開發人員需要做的就是在 RF4CE 固件上構建其自己的應用，而不是使用標準的 ZigBee 堆棧。

與低功耗藍牙類似，ZigBee 產品需要標準合規和監管認證才能帶有該標準的徽標。

ANT 是一個很好的設計選項嗎？

ANT 與低功耗藍牙或 ZigBee 項目面臨的開發挑戰類似?？梢圆捎秒p芯片（TI CC2570 和 MSP430F2 MCU）、SoC (Nordic Semiconductor nRF52832) 或模塊化（Dynastream Innovations D52 ANT 模塊）硬件解決方案。前兩個選擇需要額外的外設元器件來構成工作器件，而該模塊是經過全面測試的硬件解決方案。

ANT 協議是作為一種自足式固件堆棧提供的，開發人員只需在軟件方面開發應用代碼。CC2570 的應用代碼開發是使用所選 MCU 的開發工具完成的，而 nRF52832 SoC 和 D52 ANT 模塊（基于 nRF52832）則使用軟件架構將協議棧與應用代碼完全分隔開，從而簡化了開發過程。nRF52832 采用嵌入式 ARM M4F 微處理器。TI 和 Nordic Semiconductor 均提供 ANT DK 和 SDK 以支持應用代碼開發。

ANT 協議的一個缺點是，如果現有的 ANT+ 設備配置文件不適合該應用，則開發新的設備配置文件需要協議開發商 Dynastream Innovations 與 OEM 之間進行協作，以確?；ゲ僮餍浴＿@可能會延長開發時間。

IrDA 是如何實現的？

IrDA 根據應用提供多個版本的通信協議。這些簡單的協議要求適當的 IR 收發器（如 Vishay 的 TFBS4711）提供服務。該器件在 1 米范圍內的數據速率可達 115 Kb/s。當需要更高的數據速率時，復雜性會增加，因為需要繁瑣的 IrDA 協議棧以及 16 位微處理器提供服務。

由于 IR 是一種視距技術，因此光學考量是非常重要的。例如，塑料 IR 透射窗口（可確保 IR 強度符合規范）是使用 IR 的最終產品的關鍵要求。標準合規性認證是強制性的，且需要在 IrDA 授權的測試實驗室進行。

NFC 設計的關鍵挑戰有哪些？

設計 NFC 系統最困難的部分或許是獲得合適的天線。發射器和接收器的天線不僅需要耦合以傳遞數據，還需要電源。這使得設計比單獨發射和接收數據更困難。好消息是，有許多來自主要供應商的應用說明和參考設計提供了關于天線設計的指導。

NFC 的固件基于一系列功能層，涵蓋物理層到應用軟件實現。物理層通常包括微控制器和相關基礎設施、通信接口和無線電，在其之上為中間層，包括數據包裝配、NFC 命令生成、邏輯鏈路控制協議 (LLCP) 和簡單的 NDEP 交換協議。

更高層包括 NDEF 消息和 NDEF 記錄，頂層為一個用戶接口（圖 2）。設計遵循類似于低功耗藍牙和 ANT+ 等技術所采用的過程，開發人員將產品建立在工廠固件堆棧之上，并使用適當的開發工具為特定應用量身定制其自己的軟件。

圖 2：NFC 物理層（本例中為 TI TRF7970 NFC 芯片）以及與主機微控制器和 NFC 或 RFID 器件相連接的固件堆棧。（圖片來源：Texas Instruments）

由于功率輸出較低，NFC 的監管認證不是強制性的，但是必須執行標準的無線電發射測試，以確保傳輸僅限于 13.56 MHz 頻段。不過，如果要求在最終產品中實現互操作性，則需要標準合規性認證計劃。

Wi-Fi 很難實現嗎？

在所有低功耗無線替代方案中，Wi-Fi 對于開發者來說是最復雜的技術。特別是硬件的設計必須具有緊公差，以確保實現無線電性能規范。

從頭開始設計 Wi-Fi 解決方案需要高水平的千兆赫頻率射頻專業知識，使得預裝配模塊路由在希望加快產品上市速度的開發人員中深受歡迎。模塊是經過測試、驗證和合規性認證的無線產品，可快速整合到 Wi-Fi 解決方案中。

可以很容易地從多家芯片供應商處獲得 IEEE 802.11n 模塊和相關開發工具。它們通常集成了 WLAN 基帶處理器以及支持 IEEE 802.11n a/b/n/g、功率放大器 (PA)、時鐘、射頻開關、濾波器、無源元件和電源管理的射頻收發器。模塊可以與單獨的微處理器一起運行，也可以從嵌入式器件運行。與大多數其他射頻硬件解決方案一樣，開發人員可能必須指定通過受控阻抗印制線連接的 2.4 或 5 GHz 天線，以實現具有完全功能的射頻電路（盡管有些模塊化解決方案甚至擴展到這些元件）。

微處理器將需要運行像 Linux 或 Android 這樣的高級操作系統 (OS)。驅動程序可從 Wi-Fi 芯片提供商處獲得，而像 WinCE 和一系列實時操作系統所需的其它驅動程序則通過第三方提供。

Wi-Fi 器件操作的認證不是強制性的，但如果器件沒有經過認證，則不能使用 Wi-Fi 標志。由于使用擴展的測試方法，因此相對于所討論的其他技術而言，認證成本是較高的。（有關 Wi-Fi 設計的詳細信息，請參見 Digi-Key 文庫文章“比較工業應用中的 2.4 GHz 和 5 GHz 無線局域網”。）

權衡協議的可靠性與效率

本文的第 1 部分介紹了每種無線通信協議中開銷（例如，數據包 ID 和長度、通道和校驗和）與所傳輸信息（稱為“有效載荷”）的構成。有效載荷/總數據包大小的比率決定了協議效率。

圖 3 顯示了低功耗藍牙數據包。該協議允許用于各種有效載荷，本示例則展示了最大有效載荷的情況。請注意，這是遵循藍牙 4.0 版本的數據包結構。版本 4.1、4.2 和 5 的數據包有一些細微的變化，但這些變化并沒有顯著改變協議效率。

圖 3：低功耗藍牙數據包。最大有效載荷為 248 位時，協議效率為 76%。（圖片來源：藍牙 SIG）

圖 3 中的低功耗藍牙數據包包括：

• 前導碼 = 1 個八位字節（8 位）

• 存取地址 = 4 個八位字節（32 位）

• 報頭 = 1 個八位字節（8 位）

• 有效載荷長度 = 1 個八位字節（8 位）

• 有效載荷 = 31 個八位字節（248 位）

• 循環冗余校驗 (CRC) = 3 個八位字節（24 位）

• 低功耗藍牙協議效率 = 有效載荷/總數據包大小

• 31/41 = 76%

設計人員確定入圍技術的協議效率是非常重要的，因為它們直接影響用戶體驗。低功耗無線解決方案提供商熱衷于吹捧“原始數據”傳輸速度，但可能不太樂于透露有多少數據是有用的有效載荷。

從用戶角度來看，如果效率不高，那么具有出色原始數據速度的技術可能會顯得性能不佳。更糟糕的是，效率低下的協議會消耗大量能量來發送無用數據，從而縮短電池壽命（這是低功耗無線技術的關鍵設計參數）。

不過，需要注意的是要在可靠性與效率之間作出權衡。例如，協議可以通過消除校驗和或糾錯來增加一些效率，但如果必須不斷地重新傳輸數據包（因為它們在到達接收器時經常被損壞），該效率增加會被迅速抵消。

在比較入圍技術時，建議設計人員與供應商溝通，以確定理論上的協議效率（記住即使單個技術也可能有不同的版本，而每個版本都有獨特的數據包結構），然后測試多個使用實例的實際效率，通過分析傳輸找出成功傳輸數據包的速率。該速率通常低于理論效率所指示的速率，即使在最佳無線電環境中也是如此。

制造低功耗無線設備的成本是多少？

與低功耗無線傳感器相關的主要成本是收發器和微處理器（或者，如果這些元器件組合在一起，則為 SoC）、天線、穩壓器和印刷電路板空間（表 1）。這里假定電池、電池連接器和傳感器的成本與無線技術是相互獨立的，因此在比較表中省略了它們。此外，請注意這些數字是估計值，可能因供應商而異。

無線技術CPU ($)無線電 ($/100)天線穩壓器 ($)PCB 尺寸 (mm2)低功耗藍牙不適用3.991印制 8 mm不適用20ANT不適用4.091,3印制 'F' 15 mm不適用125ANT+不適用4.091,3印制 'F' 15 mm不適用306ZigBee不適用3.621印制 'F' 15 mm不適用305RF4CE不適用3.621印制 'F' 15 mm不適用305Wi-Fi高6.90印制 8 mm1.5060Nike+低2.682金屬 20 mm不適用300IrDA低3.1328 mm不適用21 + CPUNFC高4.73450 mm x 30 mm0.33100

1. 包括集成的 CPU 和穩壓器。

2. 包括集成的穩壓器。

3. 包括低功耗藍牙功能。

4. 包括 RFID。

表 1：與低功耗無線傳感器相關的主要成本是收發器和微處理器、天線、穩壓器以及印刷電路板空間。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

外部晶體可能在低功耗無線傳感器的成本中占有很大的比重，因為通常需要高質量器件才能滿足嚴格的監管要求。器件的精度越高（即相對于標稱頻率的百萬分率 (ppm) 偏差較低），價格越高。

典型晶體容差（以 ppm 為單位）如下：

• NFC = 500（晶體只需保持無線電在分配的頻段運行，而無需用于數據時鐘）

• 低功耗藍牙 = 250

• Nike+ = 60

• ANT = 50

• ZigBee/RF4CE= 40

能效

低功耗無線技術主要是為延長電池壽命而設計的，但每種技術的性能都有相當大的差異。

每種技術的一個主要使用實例就是在傳感器中。在最簡單的示例中，此類傳感器可用于測量和傳輸（例如，溫度、濕度和壓力）。典型的傳感器采用輕便緊湊的設計，僅留有裝入小型電池的空間（例如，標稱容量約為 225 mAh 的 3 V CR2032 紐扣電池）。

計算應用中的電池壽命是一項復雜的任務，這具體取決于傳感器的硬件。例如，如果傳感器包含狀態 LED，那么與沒有狀態 LED 的器件相比，功耗會更高。同樣，峰值發射和接收電流、傳播時間、睡眠模式電流和其他一些因素都會影響電池壽命。

一些供應商（如 ANT 開發商 Dynastream Innovations）在他們的網站上提供了便捷的功耗計算器，使開發人員能夠估算既定使用場景的電池壽命。

每種協議功率效率的一個良好基準是考慮傳輸一比特所需的能量。這類計算說明了一個事實，即與具有更適度吞吐量的協議相比，具有更大吞吐量的協議需要更短的傳播時間。（請注意，這些數字應當被視為一種粗略的指導；既定技術的每比特實際能量在芯片供應商之間以及不同的應用中存在明顯的差異。）

低功耗藍牙

Texas Instruments 發布了一份應用說明（參見參考 1），其中將典型應用中低功耗藍牙的平均電流計算為 24 微安 (μA)（使用 3 V CR2032 紐扣電池）。

• 功耗 = 24 μA x 3 V = 72 微瓦 (μW)

• 每秒比特數（在典型的傳感器操作中）= 960

• 每比特能量 = 72 μW/960 bit/s = 75 納焦 (nJ)/bit

ANT

ANT 的類似計算如下：

• 功耗 = 61 μA x 3 V = 183 μW

• 每秒比特數（在典型的原始數據吞吐量下）= 256

• 每比特能量 = 183 μW/256 bit/s = 715 nJ/bit

ZigBee

在傳輸模式下，ZigBee 器件消耗 30 毫安 (mA)。

• 功耗 = 30 mA x 3 V = 90 毫瓦 (mW)

• 每秒比特數（在最大原始數據吞吐量下）= 250,000

• 每比特能量 = 90 mW/250,000 bit/s = 360 nJ/bit

IrDA

對紅外遙控器的測量顯示，該器件在以 121 bit/s 速率傳輸時消耗的電流為 1.948 mA。

• 功耗 = 1.95 mA x 3 V = 5.85 mW

• 每秒比特數 = 121

• 每比特能量 = 5.85 mW/121 bit/s = 48 μJ/bit

Nike+

有關 Nike+ 電流消耗的信息很少，但 Nike 指出在典型的應用中，CR2032 電池可以持續使用約 1000 小時，因此可以假定平均電流為 225 mAh/1000 = 225 μA

• 功耗 = 225 μA x 3 V= 675 μW

• 每秒比特數 = 272

• 每比特能量 = 675 μW/272 bit/s = 2.5 μJ/bit

Wi-Fi

Wi-Fi 設計的主要考慮是吞吐量，而不是功耗。即使不以最大吞吐量進行傳輸，結果也是消耗較高的電流。但是，當該技術全速運行時，其功率效率與本文討論的其他技術相當。

• 功耗 = 116 mA x 1.8 V = 0.210 W

• 每秒比特數 = 4000 萬

• 每比特能量 = 0.210 W/40 Mb/s = 5.25 nJ/bit

我的電池壽命有多長？

實際電池壽命主要取決于應用，其次才取決于所選技術。如果設備持續進行掃描和傳輸，則無論采用何種無線技術，都將消耗大量電流并迅速耗盡電池。

然而，大多數低功耗無線技術主要設計為通過以極低的占空比運行來節省能量，這使它們在喚醒、發送數據并快速返回休眠模式之前可以長時間保持休眠模式，從而最大限度地減少在較高電流下運行的時間。高帶寬技術可能是有利的，因為與低帶寬技術相比，它們可以在高電流消耗模式下（例如，傳輸或接收）花費較少的時間來發送給定的數據量。

對于紐扣電池，其壽命最好通過估算給定應用的低功耗無線傳感器所消耗的平均電流來計算。制造商的規格書通常會詳細介紹“連接事件”（如喚醒、連接、傳輸/接收以及返回休眠模式）的當前消耗和持續時間（圖 4）。

圖 4：低功耗藍牙連接事件包含多個電流水平和時間周期。（圖片來源：Texas Instruments）

通過查閱規格書可以獲得休眠期間的電流消耗，并了解占空比和連接事件電流消耗，設計人員可以確定目標應用的平均電流（表 2）。

狀態時間 (μs)電流 (mA)喚醒4006.0預處理3407.4預接收8011.0接收19017.5接收到發送1057.4發送11517.5后處理12807.4預休眠1604.1

表 2：了解連接事件和參數（以及無線電休眠電流和占空比）可以計算典型應用中的平均電流。（表格來源：Digi-Key Electronics）

休眠時間通常以毫微安 (nA) 為單位且較長，而連接事件通常以毫安為單位且較短。平均電流消耗通常在微安 (μA) 范圍內。

例如，考慮一個配備 ANT 無線技術的傳感器實例。在一個傳感器應用中，測得的平均電流為 175.5 μA。因此，225 mAh 紐扣電池的電池壽命將為 225 mAh/175.5 μA = 1,282 小時（約 53 天）。

在類似的傳感器應用中，低功耗藍牙技術消耗的平均電流為 49 μA，電池壽命為 225 mAh/49 μA = 4592 小時 = 191 天。

峰值功耗對電池壽命的影響

根據傳感器的平均電流消耗計算電池壽命是一個非常有用的技巧，但這只是一個方面。紐扣電池的實際壽命不僅受平均電流幅值的影響，還受峰值電流的不利影響。超過 15 mA 的重復電流峰值會大大降低電池壽命。例如，超過 30 mA 的峰值電流可能會將電池的容量限制到制造商標稱值的 80% 以下。試圖消耗更高的電流可能會永久損壞紐扣電池。與平均電流較高且峰值電流較高的技術相比，使用平均電流較高但峰值電流較低的技術，電池壽命通常會更長。因此，了解各種無線技術的峰值電流消耗非常重要（表 3）。

無線技術峰值電流消耗 (mA)CR2032 3 V 電池供電IrDA10.2是Nike+12.3是低功耗藍牙13.0是ANT/ANT+17.0是ZigBee/RF4CE30是（但可用容量將會減少）NFC50否Wi-Fi116（在 1.8 V 下）否

表 3：低功耗無線技術的峰值電流消耗。（表格來源：Digi-Key Electronics）

選擇具有低峰值電流的低功耗無線技術的另一個原因是因為它與能量收集技術（特別是光伏 (PV) 電池）的兼容性得到了改進。當將環境光轉換成有用的電能時，PV 電池具有相對較低的效率。與 CR2032 (3 cm2) 尺寸相似的非晶硅太陽能電池將產生的功耗為 1.5 V × 8 μA = 12 μW。要提供如此小的功耗，無線電滿足低峰值（和平均）電流需求至關重要。

目標市場

本文所介紹的低功耗無線技術針對特定的細分市場，其中一些發生重疊（表 4）。這份清單不算全面，可能會隨著物聯網的成熟而擴展。

B（低功耗藍牙）；A (ANT)；A+ (ANT+)；Zi (ZigBee)；射頻 (RF4CE)；
Wi (Wi-Fi)；Ni (Nike+)；Ir (IrDA)；NF (NFC)。

細分領域BAA+Zi射頻WiNiIrNF遙控●●●●安全●●●●保健與健身●●●●智能電表●●●智能手機●●●●汽車●●●心率●●血糖●●定位●●●跟蹤●●●付款●●游戲●●智能鑰匙●●●●智能電視●●●●智能家居●●●智能交通●●●●PC●●●●動物標簽●●●輔助生活●●●●

表 4：關鍵低功耗應用和適用于它們的無線技術。（表格來源：Digi-Key Electronics）

總結

通過對各種低功耗無線技術進行比較表明，各大廠商均在固件和開發套件方面為設計人員提供了所需的解決方案支持，幫助他們快速、有效地推進產品上市。但是，設計人員需要選擇合適的低功耗無線接口，同時要考慮這種接口對整體功耗和電池壽命的影響，以及最終 BOM 和目標市場的需求。