隨著物聯(lián)網(wǎng)（IoT）逐漸普及，推出的家用電器讓消費(fèi)者得以控制其成本和時(shí)間，生產(chǎn)商也能獲得新的收益和服務(wù)模式。電器設(shè)計(jì)人員可在其產(chǎn)品中配備傳感器和顯示器以監(jiān)視其使用模式，并提供即時(shí)服務(wù)和專屬的購買商機(jī)。

當(dāng)IoT的預(yù)期部署量遠(yuǎn)多于智能手機(jī)時(shí)，將有數(shù)百億“事物”需要供電。電器設(shè)計(jì)人員希望降低或至少維持其目前的功耗水平，以便在增加IoT功能時(shí)也能符合政府法規(guī)。

為滿足這一需求，需要超低功耗單片機(jī)（MCU）和Bluetooth? Smart無線電。它們代表一種靈活且經(jīng)濟(jì)高效的方式，可在IoT的邊緣連接物體。讓我們一起探索低功耗IoT系統(tǒng)的這些領(lǐng)域吧。

定義IoT

IoT有許多種解讀，通常取決于您服務(wù)的市場，但維基百科中的一個(gè)定義（如圖1所示）恰當(dāng)?shù)馗爬舜烁拍睢?/p>

圖1——IoT定義

因此，將此定義應(yīng)用到電器后，IoT電器將成為惟一可識(shí)別、提供Bluetooth Smart或Wi-Fi?等高級(jí)連接功能且連接到現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施中的設(shè)備。

支持IoT功能的服務(wù)

針對(duì)消費(fèi)者和生產(chǎn)商，將電器連接到全新領(lǐng)域中的互聯(lián)網(wǎng)據(jù)點(diǎn)。這能夠讓消費(fèi)者更有效地控制成本和管理時(shí)間，同時(shí)還可讓生產(chǎn)商監(jiān)視電器的性能、主動(dòng)解決維護(hù)問題并提供收益產(chǎn)生結(jié)構(gòu)。

表1——最熱門的5個(gè)新電器服務(wù)示例

使能智能手機(jī)作為您的IoT網(wǎng)關(guān)

利用智能手機(jī)、低功耗MCU和Bluetooth Smart無線電，電器制造商能夠以最簡單的方式在其產(chǎn)品中添加IoT功能。智能手機(jī)現(xiàn)在都隨附集成Bluetooth Smart功能，可即時(shí)將網(wǎng)關(guān)提供給互聯(lián)網(wǎng)，并增加了簡化電器配對(duì)這一優(yōu)勢(shì)。智能手機(jī)應(yīng)用程序可控制用戶體驗(yàn)并管理與電器之間的數(shù)據(jù)傳輸。支持IoT功能的電器也可利用Wi-Fi提供恒定通道來傳送傳感器數(shù)據(jù)，但配對(duì)可能更具挑戰(zhàn)性。

Bluetooth Smart提供信標(biāo)功能，可大幅簡化配對(duì)過程。當(dāng)信標(biāo)在智能手機(jī)附近時(shí)，前者可向后者通告其位置。另一方面，Wi-Fi配對(duì)則需要按下路由器（通常位于另一個(gè)房間）上的Wi-Fi Direct按鈕。

產(chǎn)生有價(jià)值的數(shù)據(jù)

電器IoT連接的價(jià)值源于低功耗MCU與Bluetooth Smart無線電配對(duì)。MCU收集功耗或運(yùn)行小時(shí)數(shù)等傳感器數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)在電器中產(chǎn)生并以可使用的格式存儲(chǔ)。當(dāng)智能手機(jī)與電器連接時(shí)，將上傳并發(fā)送或顯示這些數(shù)據(jù)。低功耗MCU和無線電也可以提升連接能力而不增加可測量的功耗，從而一直符合政府法規(guī)。

Bluetooth入門

鑒于此系統(tǒng)非常簡單，我們來詳細(xì)探究一下元件。我們從Bluetooth開始。您很可能已經(jīng)以某種形式使用Bluetooth多年。您的手機(jī)可能擁有Bluetooth耳機(jī)，許多汽車可能配備Bluetooth來實(shí)現(xiàn)音頻流傳輸。但對(duì)于IoT電器，我們關(guān)注的Bluetooth技術(shù)是Bluetooth Smart。這是最近開發(fā)的新標(biāo)準(zhǔn)，只有Bluetooth SIG提供。此新標(biāo)準(zhǔn)支持低功耗運(yùn)行，非常適合IoT應(yīng)用。請(qǐng)查看表22，您會(huì)發(fā)現(xiàn)Bluetooth Classic提供更長的范圍和2.1 Mbps的吞吐量。但I(xiàn)oT電器之類的低數(shù)據(jù)速率應(yīng)用并不需要此速率。Bluetooth Smart的優(yōu)點(diǎn)是可快速連接、具有符合IoT需求的吞吐量，并可提供較低的功耗。

表2——Bluetooth比較

Bluetooth Smart專為IoT邊緣上的設(shè)備而設(shè)計(jì)?；仡橧oT設(shè)備的維基百科定義，它必須是惟一且可識(shí)別的。Bluetooth Smart具備該功能。例如，圖2描述了Bluetooth Smart醫(yī)療應(yīng)用的組織結(jié)構(gòu)。

圖2——Bluetooth配置文件層級(jí)

圖2中的層級(jí)顯示Bluetooth血壓配置文件。此配置文件配有相關(guān)服務(wù)，例如設(shè)備服務(wù)和血壓服務(wù)。您會(huì)看到配置文件包含UUID、惟一可識(shí)別信息（此示例中為制造商），這對(duì)IoT必不可少。這只是Bluetooth Smart GATT或一般屬性設(shè)定檔的其中一個(gè)示例。Bluetooth設(shè)備通常直接支持配置文件，如圖3所示。此外，還有適用于其他許多應(yīng)用的配置文件，包括自定義配置文件。自定義配置文件也適用于電器。

圖3——Bluetooth Smart模塊框圖

Bluetooth Smart節(jié)能

除了惟一可識(shí)別屬性，Bluetooth Smart無線電的功耗需求也使其特別適合IoT電器。無線電能夠維持與智能手機(jī)配對(duì)而無需持續(xù)連接；而且，由于連接需要功耗，這樣可實(shí)現(xiàn)節(jié)能。Bluetooth無線電的“連接間隔”和“從設(shè)備延時(shí)”功能可達(dá)到此目的。在圖4中，連接間隔是進(jìn)入低功耗狀態(tài)之前，從設(shè)備或“外設(shè)”傳輸?shù)街悄苁謾C(jī)或“中央設(shè)備”之間的時(shí)間段。這段時(shí)間在數(shù)毫秒到數(shù)秒之間變化，連接的規(guī)律由從設(shè)備延時(shí)決定。結(jié)合這些參數(shù)時(shí)，可以每7.5毫秒一次的頻率傳輸數(shù)據(jù)，或每33分鐘一次的頻率傳輸數(shù)據(jù)以最大程度節(jié)能。

圖4——Bluetooth Smart通信周期

由于Vin等于Vref且S3促成了單位增益反饋，因此Vo等于Vref。C1在放電或在復(fù)位之后首次放電。在任何情況下，這一階段確保了C1被充分放電之后再進(jìn)入到下一階段。在t1結(jié)束時(shí)，S1保持在打開狀態(tài)，S2保持關(guān)閉，S3被關(guān)閉，S4被打開，而RA0被配置成輸入引腳。這樣就得到了圖4中的等效電路。

低功耗MCU功能

當(dāng)然，功耗公式的另一半來自MCU。功耗主要由功耗模式狀態(tài)和時(shí)鐘速度決定。

功耗模式

許多新的低功耗MCU都包含功耗模式。這是在軟件控制下更改MCU配置的能力。典型示例有運(yùn)行、打盹、空閑、低電壓休眠和深度休眠。其中的每種模式都有影響功耗的重要特性。例如，PIC? MCU具有打盹和低電壓休眠模式。在打盹模式下，MCU可以比其片上外設(shè)更低的頻率運(yùn)行代碼。這可降低電流消耗，但仍可使UART等關(guān)鍵外設(shè)以適當(dāng)?shù)牟ㄌ芈释ㄐ?。低電壓休眠可關(guān)閉高性能片上穩(wěn)壓器以達(dá)到低電流穩(wěn)壓功能，僅使用幾百納安的電流來保留完整的MCU狀態(tài)。從運(yùn)行模式切換到低電壓休眠模式可減少99.9%的電流消耗。

時(shí)鐘切換

低功耗MCU還提供實(shí)時(shí)時(shí)鐘切換功能。這是根據(jù)任務(wù)來改變時(shí)鐘頻率的能力。如果您正在基于傳感器數(shù)據(jù)運(yùn)行數(shù)學(xué)密集型濾波算法，請(qǐng)以全速時(shí)鐘速度運(yùn)行。如果處于簡單循環(huán)并且正在等待中斷，請(qǐng)降低時(shí)鐘速度以節(jié)省電流。使用這些方法可將電流消耗從5毫安減少到26微安——節(jié)能達(dá)99%。結(jié)論：低功耗MCU可輕松節(jié)能。

向邊緣邁進(jìn)

針對(duì)各種電器設(shè)計(jì)加入IoT的邊緣相當(dāng)容易。借助低功耗MCU和Bluetooth無線電的內(nèi)置功能，現(xiàn)在可從符合能源法規(guī)的電器與IoT建立連接。此連接可收集和處理數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街悄苁謾C(jī)，這在幾年前是無法實(shí)現(xiàn)的。隨著智能手機(jī)日益普及，它們能夠讓您建立高價(jià)值應(yīng)用。消費(fèi)者十分重視這種連接能力，因?yàn)檫@能讓他們使用隨身攜帶的智能手機(jī)來管理忙碌的生活。制造商也能從洞悉產(chǎn)品性能和使用情況中受益，可利用現(xiàn)代化的市場營銷和服務(wù)技術(shù)來減少生命周期成本和增加收入，并深入了解新一代電器的開發(fā)。