低功耗无线技术之比较（第 2 部分）

编者按：此三部曲系列文章的第 1 部分探讨了常用无线技术的基本原理，包括频带、网络拓扑支持、吞吐量、范围和共存等主要属性。第 2 部分将介绍每种技术的基本设计原理，如芯片可用性、协议栈、应用软件、设计工具、天线要求以及功耗。第 3 部分将介绍因应物联网需求而兴起的新技术。

工程师在低功耗无线技术方面有很多选择，包括低功耗蓝牙、ANT、ZigBee、RF4CE、NFC 和 Nike+ 等基于射频的技术，以及红外数据协会 (IrDA) 所倡导的红外技术。本文是三部曲系列文章的第二部分，将讨论常用无线技术的技术基础和相对优势。

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，将详细探讨每种协议的功率效率和峰值电流消耗及其对电池寿命的影响。此外，还将提供物料清单 (BOM) 成本和目标市场分析。

设计采用低功耗蓝牙

当今的低功耗蓝牙 SoC 几乎完全基于 2.4 GHz 无线电，搭载 Arm^® Cortex^®-M0、M3、M4 和 M4F 嵌入式处理器，使用闪存和 RAM 来进行堆栈固件和应用软件的存储和运行。在推出单芯片硬件的同时，芯片供应商正努力为缺乏射频专业知识的工程师提供参考设计、应用说明和设计工具，来简化其无线产品的设计工作。

尽管像 Texas Instruments (TI) CC2640R2F 蓝牙 5 SoC 这样的 SoC 包含实现完整低功耗蓝牙解决方案的所有硬件（和固件），但仅将芯片焊接到印刷电路板并通电不太可能形成有效的解决方案。

与所有射频设计一样，功能完备的系统需要由无源器件组成附加电路，来构成匹配电路、电源和天线（图 1）。

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：Texas Instruments）

或者，有很多第三方公司提供围绕最新 SoC 构建的、通过测试和认证的模块，无需设计外部电路，但需要在增加成本和增加尺寸之间进行权衡。

这种工厂提供的经测试和验证的低功耗蓝牙堆栈满足无线协议要求，同时还有许多官方和开源库，提供经过验证的应用代码，用于最常见的低功耗蓝牙应用。此外，供应商和第三方开发套件 (DK) 和软件 DK (SDK) 的普及，结合应用广泛的用户友好型集成开发环境 (IDE)，使得合格工程师的新应用设计工作变得更加简单。

有关采用低功耗蓝牙设计的详细信息，请参见 Digi-Key 文库文章“兼容蓝牙 4.1、4.2 和 5 的低功耗蓝牙 SoC 和工具可应对物联网挑战（第 2 部分）”。

ZigBee 怎么样？

在很多方面，ZigBee 与低功耗蓝牙的设计定位类似，部分原因在于许多提供低功耗蓝牙芯片、参考设计和 DK/SDK 的公司也以相同的方式处理其 ZigBee 产品。集成收发器、微处理器和大容量闪存及 RAM 的 SoC 供应充足，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将收发器仅有的 ZigBee 芯片与其常用的 MCU 搭配使用。作此搭配的一个实例就是 Microchip 的 AT86RF232，它可以与 Microchip/Atmel AVR MCU 系列中的一个 MCU 配对。

NXP 的 JN516x 系列就是为基于 ZigBee 的项目提供的最新 SoC 的最佳实例。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。该 SoC 还包括一个 2.4 GHz 收发器和一个全面的模拟和数字外设组合。

由于 RF4CE 是 ZigBee 堆栈的定制应用，因此硬件设计与其他 ZigBee 应用相同。例如，NXP JN516 完全能够支持 RF4CE 应用。开发人员需要做的就是在 RF4CE 固件上构建其自己的应用，而不是使用标准的 ZigBee 堆栈。

与低功耗蓝牙类似，ZigBee 产品需要标准合规和监管认证才能带有该标准的徽标。

ANT 是一个很好的设计选项吗？

ANT 与低功耗蓝牙或 ZigBee 项目面临的开发挑战类似。可以采用双芯片（TI CC2570 和 MSP430F2 MCU）、SoC (Nordic Semiconductor nRF52832) 或模块化（Dynastream Innovations D52 ANT 模块）硬件解决方案。前两个选择需要额外的外设元器件来构成工作器件，而该模块是经过全面测试的硬件解决方案。

ANT 协议是作为一种自足式固件堆栈提供的，开发人员只需在软件方面开发应用代码。CC2570 的应用代码开发是使用所选 MCU 的开发工具完成的，而 nRF52832 SoC 和 D52 ANT 模块（基于 nRF52832）则使用软件架构将协议栈与应用代码完全分隔开，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 均提供 ANT DK 和 SDK 以支持应用代码开发。

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，则开发新的设备配置文件需要协议开发商 Dynastream Innovations 与 OEM 之间进行协作，以确保互操作性。这可能会延长开发时间。

IrDA 是如何实现的？

IrDA 根据应用提供多个版本的通信协议。这些简单的协议要求适当的 IR 收发器（如 Vishay 的 TFBS4711）提供服务。该器件在 1 米范围内的数据速率可达 115 Kb/s。当需要更高的数据速率时，复杂性会增加，因为需要繁琐的 IrDA 协议栈以及 16 位微处理器提供服务。

由于 IR 是一种视距技术，因此光学考量是非常重要的。例如，塑料 IR 透射窗口（可确保 IR 强度符合规范）是使用 IR 的最终产品的关键要求。标准合规性认证是强制性的，且需要在 IrDA 授权的测试实验室进行。

NFC 设计的关键挑战有哪些？

设计 NFC 系统最困难的部分或许是获得合适的天线。发射器和接收器的天线不仅需要耦合以传递数据，还需要电源。这使得设计比单独发射和接收数据更困难。好消息是，有许多来自主要供应商的应用说明和参考设计提供了关于天线设计的指导。

NFC 的固件基于一系列功能层，涵盖物理层到应用软件实现。物理层通常包括微控制器和相关基础设施、通信接口和无线电，在其之上为中间层，包括数据包装配、NFC 命令生成、逻辑链路控制协议 (LLCP) 和简单的 NDEP 交换协议。

更高层包括 NDEF 消息和 NDEF 记录，顶层为一个用户接口（图 2）。设计遵循类似于低功耗蓝牙和 ANT+ 等技术所采用的过程，开发人员将产品建立在工厂固件堆栈之上，并使用适当的开发工具为特定应用量身定制其自己的软件。

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 器件相连接的固件堆栈。（图片来源：Texas Instruments）

由于功率输出较低，NFC 的监管认证不是强制性的，但是必须执行标准的无线电发射测试，以确保传输仅限于 13.56 MHz 频段。不过，如果要求在最终产品中实现互操作性，则需要标准合规性认证计划。

Wi-Fi 很难实现吗？

在所有低功耗无线替代方案中，Wi-Fi 对于开发者来说是最复杂的技术。特别是硬件的设计必须具有紧公差，以确保实现无线电性能规范。

从头开始设计 Wi-Fi 解决方案需要高水平的千兆赫频率射频专业知识，使得预装配模块路由在希望加快产品上市速度的开发人员中深受欢迎。模块是经过测试、验证和合规性认证的无线产品，可快速整合到 Wi-Fi 解决方案中。

可以很容易地从多家芯片供应商处获得 IEEE 802.11n 模块和相关开发工具。它们通常集成了 WLAN 基带处理器以及支持 IEEE 802.11n a/b/n/g、功率放大器 (PA)、时钟、射频开关、滤波器、无源元件和电源管理的射频收发器。模块可以与单独的微处理器一起运行，也可以从嵌入式器件运行。与大多数其他射频硬件解决方案一样，开发人员可能必须指定通过受控阻抗印制线连接的 2.4 或 5 GHz 天线，以实现具有完全功能的射频电路（尽管有些模块化解决方案甚至扩展到这些元件）。

微处理器将需要运行像 Linux 或 Android 这样的高级操作系统 (OS)。驱动程序可从 Wi-Fi 芯片提供商处获得，而像 WinCE 和一系列实时操作系统所需的其它驱动程序则通过第三方提供。

Wi-Fi 器件操作的认证不是强制性的，但如果器件没有经过认证，则不能使用 Wi-Fi 标志。由于使用扩展的测试方法，因此相对于所讨论的其他技术而言，认证成本是较高的。（有关 Wi-Fi 设计的详细信息，请参见 Digi-Key 文库文章“比较工业应用中的 2.4 GHz 和 5 GHz 无线局域网”。）

权衡协议的可靠性与效率

本文的第 1 部分介绍了每种无线通信协议中开销（例如，数据包 ID 和长度、通道和校验和）与所传输信息（称为“有效载荷”）的构成。有效载荷/总数据包大小的比率决定了协议效率。

图 3 显示了低功耗蓝牙数据包。该协议允许用于各种有效载荷，本示例则展示了最大有效载荷的情况。请注意，这是遵循蓝牙 4.0 版本的数据包结构。版本 4.1、4.2 和 5 的数据包有一些细微的变化，但这些变化并没有显著改变协议效率。

图 3：低功耗蓝牙数据包。最大有效载荷为 248 位时，协议效率为 76%。（图片来源：蓝牙 SIG）

图 3 中的低功耗蓝牙数据包包括：

• 前导码 = 1 个八位字节（8 位）
• 存取地址 = 4 个八位字节（32 位）
• 报头 = 1 个八位字节（8 位）
• 有效载荷长度 = 1 个八位字节（8 位）
• 有效载荷 = 31 个八位字节（248 位）
• 循环冗余校验 (CRC) = 3 个八位字节（24 位）

• 低功耗蓝牙协议效率 = 有效载荷/总数据包大小

• 31/41 = 76%

设计人员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吹捧“原始数据”传输速度，但可能不太乐于透露有多少数据是有用的有效载荷。

从用户角度来看，如果效率不高，那么具有出色原始数据速度的技术可能会显得性能不佳。更糟糕的是，效率低下的协议会消耗大量能量来发送无用数据，从而缩短电池寿命（这是低功耗无线技术的关键设计参数）。

不过，需要注意的是要在可靠性与效率之间作出权衡。例如，协议可以通过消除校验和或纠错来增加一些效率，但如果必须不断地重新传输数据包（因为它们在到达接收器时经常被损坏），该效率增加会被迅速抵消。

在比较入围技术时，建议设计人员与供应商沟通，以确定理论上的协议效率（记住即使单个技术也可能有不同的版本，而每个版本都有独特的数据包结构），然后测试多个使用实例的实际效率，通过分析传输找出成功传输数据包的速率。该速率通常低于理论效率所指示的速率，即使在最佳无线电环境中也是如此。

制造低功耗无线设备的成本是多少？

与低功耗无线传感器相关的主要成本是收发器和微处理器（或者，如果这些元器件组合在一起，则为 SoC）、天线、稳压器和印刷电路板空间（表 1）。这里假定电池、电池连接器和传感器的成本与无线技术是相互独立的，因此在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。

表 1：与低功耗无线传感器相关的主要成本是收发器和微处理器、天线、稳压器以及印刷电路板空间。（图片来源：Digi-Key Electronics）

外部晶体可能在低功耗无线传感器的成本中占有很大的比重，因为通常需要高质量器件才能满足严格的监管要求。器件的精度越高（即相对于标称频率的百万分率 (ppm) 偏差较低），价格越高。

典型晶体容差（以 ppm 为单位）如下：

• NFC = 500（晶体只需保持无线电在分配的频段运行，而无需用于数据时钟）
• 低功耗蓝牙 = 250
• Nike+ = 60
• ANT = 50
• ZigBee/RF4CE= 40

能效

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。

每种技术的一个主要使用实例就是在传感器中。在最简单的示例中，此类传感器可用于测量和传输（例如，温度、湿度和压力）。典型的传感器采用轻便紧凑的设计，仅留有装入小型电池的空间（例如，标称容量约为 225 mAh 的 3 V CR2032 纽扣电池）。

计算应用中的电池寿命是一项复杂的任务，这具体取决于传感器的硬件。例如，如果传感器包含状态 LED，那么与没有状态 LED 的器件相比，功耗会更高。同样，峰值发射和接收电流、传播时间、睡眠模式电流和其他一些因素都会影响电池寿命。

一些供应商（如 ANT 开发商 Dynastream Innovations）在他们的网站上提供了便捷的功耗计算器，使开发人员能够估算既定使用场景的电池寿命。

每种协议功率效率的一个良好基准是考虑传输一比特所需的能量。这类计算说明了一个事实，即与具有更适度吞吐量的协议相比，具有更大吞吐量的协议需要更短的传播时间。（请注意，这些数字应当被视为一种粗略的指导；既定技术的每比特实际能量在芯片供应商之间以及不同的应用中存在明显的差异。）

低功耗蓝牙

Texas Instruments 发布了一份应用说明（参见参考 1），其中将典型应用中低功耗蓝牙的平均电流计算为 24 微安 (µA)（使用 3 V CR2032 纽扣电池）。

• 功耗 = 24 μA x 3 V = 72 微瓦 (µW)
• 每秒比特数（在典型的传感器操作中）= 960
• 每比特能量 = 72 µW/960 bit/s = 75 纳焦 (nJ)/bit

ANT

ANT 的类似计算如下：

• 功耗 = 61 μA x 3 V = 183 µW
• 每秒比特数（在典型的原始数据吞吐量下）= 256
• 每比特能量 = 183 µW/256 bit/s = 715 nJ/bit

ZigBee

在传输模式下，ZigBee 器件消耗 30 毫安 (mA)。

• 功耗 = 30 mA x 3 V = 90 毫瓦 (mW)
• 每秒比特数（在最大原始数据吞吐量下）= 250,000
• 每比特能量 = 90 mW/250,000 bit/s = 360 nJ/bit

IrDA

对红外遥控器的测量显示，该器件在以 121 bit/s 速率传输时消耗的电流为 1.948 mA。

• 功耗 = 1.95 mA x 3 V = 5.85 mW
• 每秒比特数 = 121
• 每比特能量 = 5.85 mW/121 bit/s = 48 μJ/bit

Nike+

有关 Nike+ 电流消耗的信息很少，但 Nike 指出在典型的应用中，CR2032 电池可以持续使用约 1000 小时，因此可以假定平均电流为 225 mAh/1000 = 225 µA

• 功耗 = 225 µA x 3 V= 675 µW
• 每秒比特数 = 272
• 每比特能量 = 675 µW/272 bit/s = 2.5 μJ/bit

Wi-Fi

Wi-Fi 设计的主要考虑是吞吐量，而不是功耗。即使不以最大吞吐量进行传输，结果也是消耗较高的电流。但是，当该技术全速运行时，其功率效率与本文讨论的其他技术相当。

• 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 Mb/s = 5.25 nJ/bit

我的电池寿命有多长？

实际电池寿命主要取决于应用，其次才取决于所选技术。如果设备持续进行扫描和传输，则无论采用何种无线技术，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设计为通过以极低的占空比运行来节省能量，这使它们在唤醒、发送数据并快速返回休眠模式之前可以长时间保持休眠模式，从而最大限度地减少在较高电流下运行的时间。高带宽技术可能是有利的，因为与低带宽技术相比，它们可以在高电流消耗模式下（例如，传输或接收）花费较少的时间来发送给定的数据量。

对于纽扣电池，其寿命最好通过估算给定应用的低功耗无线传感器所消耗的平均电流来计算。制造商的规格书通常会详细介绍“连接事件”（如唤醒、连接、传输/接收以及返回休眠模式）的当前消耗和持续时间（图 4）。

图 4：低功耗蓝牙连接事件包含多个电流水平和时间周期。（图片来源：Texas Instruments）

通过查阅规格书可以获得休眠期间的电流消耗，并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）。

表 2：了解连接事件和参数（以及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）

休眠时间通常以毫微安 (nA) 为单位且较长，而连接事件通常以毫安为单位且较短。平均电流消耗通常在微安 (µA) 范围内。

例如，考虑一个配备 ANT 无线技术的传感器实例。在一个传感器应用中，测得的平均电流为 175.5 μA。因此，225 mAh 纽扣电池的电池寿命将为 225 mAh/175.5 µA = 1,282 小时（约 53 天）。

在类似的传感器应用中，低功耗蓝牙技术消耗的平均电流为 49 μA，电池寿命为 225 mAh/49 μA = 4592 小时 = 191 天。

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非常有用的技巧，但这只是一个方面。纽扣电池的实际寿命不仅受平均电流幅值的影响，还受峰值电流的不利影响。超过 15 mA 的重复电流峰值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到制造商标称值的 80% 以下。试图消耗更高的电流可能会永久损坏纽扣电池。与平均电流较高且峰值电流较高的技术相比，使用平均电流较高但峰值电流较低的技术，电池寿命通常会更长。因此，了解各种无线技术的峰值电流消耗非常重要（表 3）。

表 3：低功耗无线技术的峰值电流消耗。（表格来源：Digi-Key Electronics）

选择具有低峰值电流的低功耗无线技术的另一个原因是因为它与能量收集技术（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 电池具有相对较低的效率。与 CR2032 (3 cm²) 尺寸相似的非晶硅太阳能电池将产生的功耗为 1.5 V × 8 μA = 12 μW。要提供如此小的功耗，无线电满足低峰值（和平均）电流需求至关重要。

目标市场

本文所介绍的低功耗无线技术针对特定的细分市场，其中一些发生重叠（表 4）。这份清单不算全面，可能会随着物联网的成熟而扩展。

B（低功耗蓝牙）；A (ANT)；A+ (ANT+)；Zi (ZigBee)；射频 (RF4CE)；
Wi (Wi-Fi)；Ni (Nike+)；Ir (IrDA)；NF (NFC)。

表 4：关键低功耗应用和适用于它们的无线技术。（表格来源：Digi-Key Electronics）

总结

通过对各种低功耗无线技术进行比较表明，各大厂商均在固件和开发套件方面为设计人员提供了所需的解决方案支持，帮助他们快速、有效地推进产品上市。但是，设计人员需要选择合适的低功耗无线接口，同时要考虑这种接口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。

参考资料：

1. “Bluetooth Low Energy Power Consumption”, Sandeep Kamath & Joakim Lindh, Texas Instruments, 2012.