編者按：此三部曲系列文章的第 1 部分探討了常用無(wú)線技術(shù)的基本原理，包括頻帶、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲С帧⑼掏铝俊⒎秶凸泊娴戎饕獙傩浴５?2 部分將介紹每種技術(shù)的基本設(shè)計(jì)原理，如芯片可用性、協(xié)議棧、應(yīng)用軟件、設(shè)計(jì)工具、天線要求以及功耗。第 3 部分將介紹因應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)需求而興起的新技術(shù)。

工程師在低功耗無(wú)線技術(shù)方面有很多選擇，包括低功耗藍(lán)牙、ANT、ZigBee、RF4CE、NFC 和 Nike+ 等基于射頻的技術(shù)，以及紅外數(shù)據(jù)協(xié)會(huì) (IrDA) 所倡導(dǎo)的紅外技術(shù)。本文是三部曲系列文章的第二部分，將討論常用無(wú)線技術(shù)的技術(shù)基礎(chǔ)和相對(duì)優(yōu)勢(shì)。

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

設(shè)計(jì)采用低功耗藍(lán)牙

當(dāng)今的低功耗藍(lán)牙 SoC 幾乎完全基于 2.4 GHz 無(wú)線電，搭載 Arm? Cortex?-M0、M3、M4 和 M4F 嵌入式處理器，使用閃存和 RAM 來(lái)進(jìn)行堆棧固件和應(yīng)用軟件的存儲(chǔ)和運(yùn)行。在推出單芯片硬件的同時(shí)，芯片供應(yīng)商正努力為缺乏射頻專業(yè)知識(shí)的工程師提供參考設(shè)計(jì)、應(yīng)用說(shuō)明和設(shè)計(jì)工具，來(lái)簡(jiǎn)化其無(wú)線產(chǎn)品的設(shè)計(jì)工作。

盡管像 Texas Instruments (TI) CC2640R2F 藍(lán)牙 5 SoC 這樣的 SoC 包含實(shí)現(xiàn)完整低功耗藍(lán)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(shè)計(jì)一樣，功能完備的系統(tǒng)需要由無(wú)源器件組成附加電路，來(lái)構(gòu)成匹配電路、電源和天線（圖 1）。

圖 1：TI CC2640R2F 藍(lán)牙 5 SoC 的應(yīng)用電路包括匹配電路、晶體和天線。（圖片來(lái)源：Texas Instruments）

或者，有很多第三方公司提供圍繞最新 SoC 構(gòu)建的、通過(guò)測(cè)試和認(rèn)證的模塊，無(wú)需設(shè)計(jì)外部電路，但需要在增加成本和增加尺寸之間進(jìn)行權(quán)衡。

這種工廠提供的經(jīng)測(cè)試和驗(yàn)證的低功耗藍(lán)牙堆棧滿足無(wú)線協(xié)議要求，同時(shí)還有許多官方和開源庫(kù)，提供經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的應(yīng)用代碼，用于最常見的低功耗藍(lán)牙應(yīng)用。此外，供應(yīng)商和第三方開發(fā)套件 (DK) 和軟件 DK (SDK) 的普及，結(jié)合應(yīng)用廣泛的用戶友好型集成開發(fā)環(huán)境 (IDE)，使得合格工程師的新應(yīng)用設(shè)計(jì)工作變得更加簡(jiǎn)單。

有關(guān)采用低功耗藍(lán)牙設(shè)計(jì)的詳細(xì)信息，請(qǐng)參見 Digi-Key文庫(kù)文章“兼容藍(lán)牙 4.1、4.2 和 5 的低功耗藍(lán)牙 SoC 和工具可應(yīng)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)挑戰(zhàn)（第 2 部分）”。

ZigBee 怎么樣？

在很多方面，ZigBee 與低功耗藍(lán)牙的設(shè)計(jì)定位類似，部分原因在于許多提供低功耗藍(lán)牙芯片、參考設(shè)計(jì)和 DK/SDK 的公司也以相同的方式處理其 ZigBee 產(chǎn)品。集成收發(fā)器、微處理器和大容量閃存及 RAM 的 SoC 供應(yīng)充足，無(wú)需使用單獨(dú)的處理器和收發(fā)器開發(fā)環(huán)境。但是，熟悉特定處理器系列的設(shè)計(jì)人員可以選擇將收發(fā)器僅有的 ZigBee 芯片與其常用的 MCU 搭配使用。作此搭配的一個(gè)實(shí)例就是 Microchip 的 AT86RF232，它可以與 Microchip/Atmel AVR MCU 系列中的一個(gè) MCU 配對(duì)。

NXP 的 JN516x 系列就是為基于 ZigBee 的項(xiàng)目提供的最新 SoC 的最佳實(shí)例。該器件采用 ZigBee PRO 堆棧進(jìn)行編程，并具有嵌入式 32 位 RISC 處理器、閃存和 EEPROM 存儲(chǔ)器。該 SoC 還包括一個(gè) 2.4 GHz 收發(fā)器和一個(gè)全面的模擬和數(shù)字外設(shè)組合。

由于 RF4CE 是 ZigBee 堆棧的定制應(yīng)用，因此硬件設(shè)計(jì)與其他 ZigBee 應(yīng)用相同。例如，NXP JN516 完全能夠支持 RF4CE 應(yīng)用。開發(fā)人員需要做的就是在 RF4CE 固件上構(gòu)建其自己的應(yīng)用，而不是使用標(biāo)準(zhǔn)的 ZigBee 堆棧。

與低功耗藍(lán)牙類似，ZigBee 產(chǎn)品需要標(biāo)準(zhǔn)合規(guī)和監(jiān)管認(rèn)證才能帶有該標(biāo)準(zhǔn)的徽標(biāo)。

ANT 是一個(gè)很好的設(shè)計(jì)選項(xiàng)嗎？

ANT 與低功耗藍(lán)牙或 ZigBee 項(xiàng)目面臨的開發(fā)挑戰(zhàn)類似。可以采用雙芯片（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(gè)選擇需要額外的外設(shè)元器件來(lái)構(gòu)成工作器件，而該模塊是經(jīng)過(guò)全面測(cè)試的硬件解決方案。

ANT 協(xié)議是作為一種自足式固件堆棧提供的，開發(fā)人員只需在軟件方面開發(fā)應(yīng)用代碼。CC2570 的應(yīng)用代碼開發(fā)是使用所選 MCU 的開發(fā)工具完成的，而 nRF52832 SoC 和 D52 ANT 模塊（基于 nRF52832）則使用軟件架構(gòu)將協(xié)議棧與應(yīng)用代碼完全分隔開，從而簡(jiǎn)化了開發(fā)過(guò)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(yīng)用代碼開發(fā)。

ANT 協(xié)議的一個(gè)缺點(diǎn)是，如果現(xiàn)有的 ANT+ 設(shè)備配置文件不適合該應(yīng)用，則開發(fā)新的設(shè)備配置文件需要協(xié)議開發(fā)商 Dynastream Innovations 與 OEM 之間進(jìn)行協(xié)作，以確保互操作性。這可能會(huì)延長(zhǎng)開發(fā)時(shí)間。

IrDA 是如何實(shí)現(xiàn)的？

IrDA 根據(jù)應(yīng)用提供多個(gè)版本的通信協(xié)議。這些簡(jiǎn)單的協(xié)議要求適當(dāng)?shù)?IR 收發(fā)器（如 Vishay 的 TFBS4711）提供服務(wù)。該器件在 1 米范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)速率可達(dá) 115 Kb/s。當(dāng)需要更高的數(shù)據(jù)速率時(shí)，復(fù)雜性會(huì)增加，因?yàn)樾枰爆嵉?IrDA 協(xié)議棧以及 16 位微處理器提供服務(wù)。

由于 IR 是一種視距技術(shù)，因此光學(xué)考量是非常重要的。例如，塑料 IR 透射窗口（可確保 IR 強(qiáng)度符合規(guī)范）是使用 IR 的最終產(chǎn)品的關(guān)鍵要求。標(biāo)準(zhǔn)合規(guī)性認(rèn)證是強(qiáng)制性的，且需要在 IrDA 授權(quán)的測(cè)試實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。

NFC 設(shè)計(jì)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)有哪些？

設(shè)計(jì) NFC 系統(tǒng)最困難的部分或許是獲得合適的天線。發(fā)射器和接收器的天線不僅需要耦合以傳遞數(shù)據(jù)，還需要電源。這使得設(shè)計(jì)比單獨(dú)發(fā)射和接收數(shù)據(jù)更困難。好消息是，有許多來(lái)自主要供應(yīng)商的應(yīng)用說(shuō)明和參考設(shè)計(jì)提供了關(guān)于天線設(shè)計(jì)的指導(dǎo)。

NFC 的固件基于一系列功能層，涵蓋物理層到應(yīng)用軟件實(shí)現(xiàn)。物理層通常包括微控制器和相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施、通信接口和無(wú)線電，在其之上為中間層，包括數(shù)據(jù)包裝配、NFC 命令生成、邏輯鏈路控制協(xié)議 (LLCP) 和簡(jiǎn)單的 NDEP 交換協(xié)議。

更高層包括 NDEF 消息和 NDEF 記錄，頂層為一個(gè)用戶接口（圖 2）。設(shè)計(jì)遵循類似于低功耗藍(lán)牙和 ANT+ 等技術(shù)所采用的過(guò)程，開發(fā)人員將產(chǎn)品建立在工廠固件堆棧之上，并使用適當(dāng)?shù)拈_發(fā)工具為特定應(yīng)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(jī)微控制器和 NFC 或 RFID 器件相連接的固件堆棧。（圖片來(lái)源：Texas Instruments）

由于功率輸出較低，NFC 的監(jiān)管認(rèn)證不是強(qiáng)制性的，但是必須執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線電發(fā)射測(cè)試，以確保傳輸僅限于 13.56 MHz 頻段。不過(guò)，如果要求在最終產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)互操作性，則需要標(biāo)準(zhǔn)合規(guī)性認(rèn)證計(jì)劃。

Wi-Fi 很難實(shí)現(xiàn)嗎？

在所有低功耗無(wú)線替代方案中，Wi-Fi 對(duì)于開發(fā)者來(lái)說(shuō)是最復(fù)雜的技術(shù)。特別是硬件的設(shè)計(jì)必須具有緊公差，以確保實(shí)現(xiàn)無(wú)線電性能規(guī)范。

從頭開始設(shè)計(jì) Wi-Fi 解決方案需要高水平的千兆赫頻率射頻專業(yè)知識(shí)，使得預(yù)裝配模塊路由在希望加快產(chǎn)品上市速度的開發(fā)人員中深受歡迎。模塊是經(jīng)過(guò)測(cè)試、驗(yàn)證和合規(guī)性認(rèn)證的無(wú)線產(chǎn)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(yīng)商處獲得 IEEE 802.11n 模塊和相關(guān)開發(fā)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(shí)鐘、射頻開關(guān)、濾波器、無(wú)源元件和電源管理的射頻收發(fā)器。模塊可以與單獨(dú)的微處理器一起運(yùn)行，也可以從嵌入式器件運(yùn)行。與大多數(shù)其他射頻硬件解決方案一樣，開發(fā)人員可能必須指定通過(guò)受控阻抗印制線連接的 2.4 或 5 GHz 天線，以實(shí)現(xiàn)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(kuò)展到這些元件）。

微處理器將需要運(yùn)行像 Linux 或 Android 這樣的高級(jí)操作系統(tǒng) (OS)。驅(qū)動(dòng)程序可從 Wi-Fi 芯片提供商處獲得，而像 WinCE 和一系列實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)所需的其它驅(qū)動(dòng)程序則通過(guò)第三方提供。

Wi-Fi 器件操作的認(rèn)證不是強(qiáng)制性的，但如果器件沒(méi)有經(jīng)過(guò)認(rèn)證，則不能使用 Wi-Fi 標(biāo)志。由于使用擴(kuò)展的測(cè)試方法，因此相對(duì)于所討論的其他技術(shù)而言，認(rèn)證成本是較高的。（有關(guān) Wi-Fi 設(shè)計(jì)的詳細(xì)信息，請(qǐng)參見 Digi-Key 文庫(kù)文章“比較工業(yè)應(yīng)用中的 2.4 GHz 和 5 GHz 無(wú)線局域網(wǎng)”。）

權(quán)衡協(xié)議的可靠性與效率

本文的第 1 部分介紹了每種無(wú)線通信協(xié)議中開銷（例如，數(shù)據(jù)包 ID 和長(zhǎng)度、通道和校驗(yàn)和）與所傳輸信息（稱為“有效載荷”）的構(gòu)成。有效載荷/總數(shù)據(jù)包大小的比率決定了協(xié)議效率。

圖 3 顯示了低功耗藍(lán)牙數(shù)據(jù)包。該協(xié)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(qǐng)注意，這是遵循藍(lán)牙 4.0 版本的數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)。版本 4.1、4.2 和 5 的數(shù)據(jù)包有一些細(xì)微的變化，但這些變化并沒(méi)有顯著改變協(xié)議效率。

圖 3：低功耗藍(lán)牙數(shù)據(jù)包。最大有效載荷為 248 位時(shí)，協(xié)議效率為 76%。（圖片來(lái)源：藍(lán)牙 SIG）

圖 3 中的低功耗藍(lán)牙數(shù)據(jù)包包括：

• 前導(dǎo)碼 = 1 個(gè)八位字節(jié)（8 位）

• 存取地址 = 4 個(gè)八位字節(jié)（32 位）

• 報(bào)頭 = 1 個(gè)八位字節(jié)（8 位）

• 有效載荷長(zhǎng)度 = 1 個(gè)八位字節(jié)（8 位）

• 有效載荷 = 31 個(gè)八位字節(jié)（248 位）

• 循環(huán)冗余校驗(yàn) (CRC) = 3 個(gè)八位字節(jié)（24 位）

• 低功耗藍(lán)牙協(xié)議效率 = 有效載荷/總數(shù)據(jù)包大小

• 31/41 = 76%

設(shè)計(jì)人員確定入圍技術(shù)的協(xié)議效率是非常重要的，因?yàn)樗鼈冎苯佑绊懹脩趔w驗(yàn)。低功耗無(wú)線解決方案提供商熱衷于吹捧“原始數(shù)據(jù)”傳輸速度，但可能不太樂(lè)于透露有多少數(shù)據(jù)是有用的有效載荷。

從用戶角度來(lái)看，如果效率不高，那么具有出色原始數(shù)據(jù)速度的技術(shù)可能會(huì)顯得性能不佳。更糟糕的是，效率低下的協(xié)議會(huì)消耗大量能量來(lái)發(fā)送無(wú)用數(shù)據(jù)，從而縮短電池壽命（這是低功耗無(wú)線技術(shù)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)）。

不過(guò)，需要注意的是要在可靠性與效率之間作出權(quán)衡。例如，協(xié)議可以通過(guò)消除校驗(yàn)和或糾錯(cuò)來(lái)增加一些效率，但如果必須不斷地重新傳輸數(shù)據(jù)包（因?yàn)樗鼈冊(cè)诘竭_(dá)接收器時(shí)經(jīng)常被損壞），該效率增加會(huì)被迅速抵消。

在比較入圍技術(shù)時(shí)，建議設(shè)計(jì)人員與供應(yīng)商溝通，以確定理論上的協(xié)議效率（記住即使單個(gè)技術(shù)也可能有不同的版本，而每個(gè)版本都有獨(dú)特的數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)），然后測(cè)試多個(gè)使用實(shí)例的實(shí)際效率，通過(guò)分析傳輸找出成功傳輸數(shù)據(jù)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(wú)線電環(huán)境中也是如此。

制造低功耗無(wú)線設(shè)備的成本是多少？

與低功耗無(wú)線傳感器相關(guān)的主要成本是收發(fā)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(wěn)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(wú)線技術(shù)是相互獨(dú)立的，因此在比較表中省略了它們。此外，請(qǐng)注意這些數(shù)字是估計(jì)值，可能因供應(yīng)商而異。

無(wú)線技術(shù)CPU ($)無(wú)線電 ($/100)天線穩(wěn)壓器 ($)PCB 尺寸 (mm2)低功耗藍(lán)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(wěn)壓器。

2. 包括集成的穩(wěn)壓器。

3. 包括低功耗藍(lán)牙功能。

4. 包括 RFID。

表 1：與低功耗無(wú)線傳感器相關(guān)的主要成本是收發(fā)器和微處理器、天線、穩(wěn)壓器以及印刷電路板空間。（圖片來(lái)源：Digi-Key Electronics）

外部晶體可能在低功耗無(wú)線傳感器的成本中占有很大的比重，因?yàn)橥ǔＰ枰哔|(zhì)量器件才能滿足嚴(yán)格的監(jiān)管要求。器件的精度越高（即相對(duì)于標(biāo)稱頻率的百萬(wàn)分率 (ppm) 偏差較低），價(jià)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(wú)線電在分配的頻段運(yùn)行，而無(wú)需用于數(shù)據(jù)時(shí)鐘）

• 低功耗藍(lán)牙 = 250

• Nike+ = 60

• ANT = 50

• ZigBee/RF4CE= 40

能效

低功耗無(wú)線技術(shù)主要是為延長(zhǎng)電池壽命而設(shè)計(jì)的，但每種技術(shù)的性能都有相當(dāng)大的差異。

每種技術(shù)的一個(gè)主要使用實(shí)例就是在傳感器中。在最簡(jiǎn)單的示例中，此類傳感器可用于測(cè)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(shè)計(jì)，僅留有裝入小型電池的空間（例如，標(biāo)稱容量約為 225 mAh 的 3 V CR2032 紐扣電池）。

計(jì)算應(yīng)用中的電池壽命是一項(xiàng)復(fù)雜的任務(wù)，這具體取決于傳感器的硬件。例如，如果傳感器包含狀態(tài) LED，那么與沒(méi)有狀態(tài) LED 的器件相比，功耗會(huì)更高。同樣，峰值發(fā)射和接收電流、傳播時(shí)間、睡眠模式電流和其他一些因素都會(huì)影響電池壽命。

一些供應(yīng)商（如 ANT 開發(fā)商 Dynastream Innovations）在他們的網(wǎng)站上提供了便捷的功耗計(jì)算器，使開發(fā)人員能夠估算既定使用場(chǎng)景的電池壽命。

每種協(xié)議功率效率的一個(gè)良好基準(zhǔn)是考慮傳輸一比特所需的能量。這類計(jì)算說(shuō)明了一個(gè)事實(shí)，即與具有更適度吞吐量的協(xié)議相比，具有更大吞吐量的協(xié)議需要更短的傳播時(shí)間。（請(qǐng)注意，這些數(shù)字應(yīng)當(dāng)被視為一種粗略的指導(dǎo)；既定技術(shù)的每比特實(shí)際能量在芯片供應(yīng)商之間以及不同的應(yīng)用中存在明顯的差異。）

低功耗藍(lán)牙

Texas Instruments 發(fā)布了一份應(yīng)用說(shuō)明（參見參考 1），其中將典型應(yīng)用中低功耗藍(lán)牙的平均電流計(jì)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?cái)?shù)（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(jì)算如下：

• 功耗 = 61 μA x 3 V = 183 μW

• 每秒比特?cái)?shù)（在典型的原始數(shù)據(jù)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?cái)?shù)（在最大原始數(shù)據(jù)吞吐量下）= 250,000

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

IrDA

對(duì)紅外遙控器的測(cè)量顯示，該器件在以 121 bit/s 速率傳輸時(shí)消耗的電流為 1.948 mA。

• 功耗 = 1.95 mA x 3 V = 5.85 mW

• 每秒比特?cái)?shù) = 121

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

Nike+

有關(guān) Nike+ 電流消耗的信息很少，但 Nike 指出在典型的應(yīng)用中，CR2032 電池可以持續(xù)使用約 1000 小時(shí)，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?cái)?shù) = 272

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

Wi-Fi

Wi-Fi 設(shè)計(jì)的主要考慮是吞吐量，而不是功耗。即使不以最大吞吐量進(jìn)行傳輸，結(jié)果也是消耗較高的電流。但是，當(dāng)該技術(shù)全速運(yùn)行時(shí)，其功率效率與本文討論的其他技術(shù)相當(dāng)。

• 功耗 = 116 mA x 1.8 V = 0.210 W

• 每秒比特?cái)?shù) = 4000 萬(wàn)

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

我的電池壽命有多長(zhǎng)？

實(shí)際電池壽命主要取決于應(yīng)用，其次才取決于所選技術(shù)。如果設(shè)備持續(xù)進(jìn)行掃描和傳輸，則無(wú)論采用何種無(wú)線技術(shù)，都將消耗大量電流并迅速耗盡電池。

然而，大多數(shù)低功耗無(wú)線技術(shù)主要設(shè)計(jì)為通過(guò)以極低的占空比運(yùn)行來(lái)節(jié)省能量，這使它們?cè)趩拘选l(fā)送數(shù)據(jù)并快速返回休眠模式之前可以長(zhǎng)時(shí)間保持休眠模式，從而最大限度地減少在較高電流下運(yùn)行的時(shí)間。高帶寬技術(shù)可能是有利的，因?yàn)榕c低帶寬技術(shù)相比，它們可以在高電流消耗模式下（例如，傳輸或接收）花費(fèi)較少的時(shí)間來(lái)發(fā)送給定的數(shù)據(jù)量。

對(duì)于紐扣電池，其壽命最好通過(guò)估算給定應(yīng)用的低功耗無(wú)線傳感器所消耗的平均電流來(lái)計(jì)算。制造商的規(guī)格書通常會(huì)詳細(xì)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(dāng)前消耗和持續(xù)時(shí)間（圖 4）。

圖 4：低功耗藍(lán)牙連接事件包含多個(gè)電流水平和時(shí)間周期。（圖片來(lái)源：Texas Instruments）

通過(guò)查閱規(guī)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(shè)計(jì)人員可以確定目標(biāo)應(yīng)用的平均電流（表 2）。

狀態(tài)時(shí)間 (μs)電流 (mA)喚醒4006.0預(yù)處理3407.4預(yù)接收8011.0接收19017.5接收到發(fā)送1057.4發(fā)送11517.5后處理12807.4預(yù)休眠1604.1

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

休眠時(shí)間通常以毫微安 (nA) 為單位且較長(zhǎng)，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(nèi)。

例如，考慮一個(gè)配備 ANT 無(wú)線技術(shù)的傳感器實(shí)例。在一個(gè)傳感器應(yīng)用中，測(cè)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(shí)（約 53 天）。

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

峰值功耗對(duì)電池壽命的影響

根據(jù)傳感器的平均電流消耗計(jì)算電池壽命是一個(gè)非常有用的技巧，但這只是一個(gè)方面。紐扣電池的實(shí)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(guò) 15 mA 的重復(fù)電流峰值會(huì)大大降低電池壽命。例如，超過(guò) 30 mA 的峰值電流可能會(huì)將電池的容量限制到制造商標(biāo)稱值的 80% 以下。試圖消耗更高的電流可能會(huì)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(shù)相比，使用平均電流較高但峰值電流較低的技術(shù)，電池壽命通常會(huì)更長(zhǎng)。因此，了解各種無(wú)線技術(shù)的峰值電流消耗非常重要（表 3）。

無(wú)線技術(shù)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(lán)牙13.0是ANT/ANT+17.0是ZigBee/RF4CE30是（但可用容量將會(huì)減少）NFC50否Wi-Fi116（在 1.8 V 下）否

表 3：低功耗無(wú)線技術(shù)的峰值電流消耗。（表格來(lái)源：Digi-Key Electronics）

選擇具有低峰值電流的低功耗無(wú)線技術(shù)的另一個(gè)原因是因?yàn)樗c能量收集技術(shù)（特別是光伏 (PV) 電池）的兼容性得到了改進(jìn)。當(dāng)將環(huán)境光轉(zhuǎn)換成有用的電能時(shí)，PV 電池具有相對(duì)較低的效率。與 CR2032 (3 cm2) 尺寸相似的非晶硅太陽(yáng)能電池將產(chǎn)生的功耗為 1.5 V × 8 μA = 12 μW。要提供如此小的功耗，無(wú)線電滿足低峰值（和平均）電流需求至關(guān)重要。

目標(biāo)市場(chǎng)

本文所介紹的低功耗無(wú)線技術(shù)針對(duì)特定的細(xì)分市場(chǎng)，其中一些發(fā)生重疊（表 4）。這份清單不算全面，可能會(huì)隨著物聯(lián)網(wǎng)的成熟而擴(kuò)展。

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

細(xì)分領(lǐng)域BAA+Zi射頻WiNiIrNF遙控●●●●安全●●●●保健與健身●●●●智能電表●●●智能手機(jī)●●●●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(dòng)物標(biāo)簽●●●輔助生活●●●●

表 4：關(guān)鍵低功耗應(yīng)用和適用于它們的無(wú)線技術(shù)。（表格來(lái)源：Digi-Key Electronics）

總結(jié)

通過(guò)對(duì)各種低功耗無(wú)線技術(shù)進(jìn)行比較表明，各大廠商均在固件和開發(fā)套件方面為設(shè)計(jì)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(jìn)產(chǎn)品上市。但是，設(shè)計(jì)人員需要選擇合適的低功耗無(wú)線接口，同時(shí)要考慮這種接口對(duì)整體功耗和電池壽命的影響，以及最終 BOM 和目標(biāo)市場(chǎng)的需求。