讓W(xué)i-Fi實(shí)現(xiàn)真正的低功耗 Dialog進(jìn)軍家用電池聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品

　　王?瑩?（《電子產(chǎn)品世界》編輯）

　　市面上已有不少種類(lèi)的物聯(lián)網(wǎng)方案，例如藍(lán)牙、NB-IoT、ZigBee、4G、5G、Wi-Fi等，每種連接技術(shù)都會(huì)找到自己的位置?？蛻?hù)、消費(fèi)者選擇它們時(shí)主要考慮幾個(gè)因素：①性?xún)r(jià)比，②由整個(gè)大環(huán)境來(lái)決定，因?yàn)榛A(chǔ)設(shè)施的布設(shè)對(duì)于應(yīng)用的影響也很大。

　　Wi-Fi已有20多年的發(fā)展歷史，優(yōu)點(diǎn)是已經(jīng)普及到家庭生活中，相比其他無(wú)線(xiàn)連接的布局更加廣泛。但是自從Wi-Fi技術(shù)出來(lái)之后，陸陸續(xù)續(xù)地，一些新的聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也出現(xiàn)了，例如低功耗藍(lán)牙（BLE）、ZigBee等。為什么Wi-Fi無(wú)法完全覆蓋所有的應(yīng)用？因?yàn)閃i-Fi本身最致命的弱點(diǎn)是功耗較高。

　　Wi-Fi剛出現(xiàn)的時(shí)候，很多產(chǎn)品不是電池供電的，但現(xiàn)在很多產(chǎn)品需要電池供電，而且永遠(yuǎn)在線(xiàn)，這時(shí)很難用Wi-Fi，所以通常用ZigBee或藍(lán)牙等其他技術(shù)方案來(lái)代替。但是這樣的代替也有問(wèn)題，例如在大數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)候要花費(fèi)不少時(shí)間，連接需要通過(guò)網(wǎng)關(guān)等。

　　1 何為Wi-Fi真正的低功耗

　　很多公司推出了所謂的低功耗Wi-Fi，但不是真正的低功耗。①有的犧牲了Wi-Fi的一些功能或者規(guī)范，例如信號(hào)的發(fā)射強(qiáng)度或接收的范圍縮小等，使得它的功耗比較低了。②成本也要合理。2017—2018年期間，美國(guó)一家公司做出來(lái)了一款低功耗的Wi-Fi芯片，后來(lái)那家公司不見(jiàn)了（注：可能是合并了），因?yàn)樗恼麄€(gè)成本差不多是普通Wi-Fi的7~10倍。所以一款芯片盡管性能優(yōu)異，但如果滿(mǎn)足不了市場(chǎng)能承受的成本，也很難生存。③易于開(kāi)發(fā)應(yīng)用，以縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間。很多應(yīng)用例如智能門(mén)鎖，之前很少客戶(hù)用Wi-Fi，因此客戶(hù)面臨著Wi-Fi應(yīng)用的困擾，需要小到從Wi-Fi的設(shè)計(jì)到智能門(mén)鎖的云平臺(tái)連接的解決方案，以縮短開(kāi)發(fā)周期。

　　2 Wi-Fi低功耗的目標(biāo)應(yīng)用場(chǎng)景

　　如果把Wi-Fi的根本弱點(diǎn)解決掉了，真正的低功耗Wi-Fi芯片有望用于智能門(mén)鎖、家用攝像頭、溫控器、傳感器、智能手表和手環(huán)等應(yīng)用中（圖1）。這些應(yīng)用的特點(diǎn)是有的需要“保持聯(lián)網(wǎng)”，因?yàn)槿绻恍枰３致?lián)網(wǎng)狀態(tài)，其實(shí)以前的Wi-Fi芯片也是可以用的，但是有些Wi-Fi攝像頭或者門(mén)鎖等有關(guān)安防的部分需要永遠(yuǎn)在線(xiàn)；再一類(lèi)應(yīng)用場(chǎng)景是消費(fèi)者認(rèn)為花費(fèi)幾秒的時(shí)間來(lái)聯(lián)網(wǎng)下載數(shù)據(jù)太麻煩。

圖1 保持聯(lián)網(wǎng)、電池供電的IoT設(shè)備

　　● 門(mén)鎖組裝的時(shí)候電線(xiàn)拉進(jìn)來(lái)是很困難的，所以以前的智能門(mén)鎖大部分不會(huì)用到Wi-Fi，通常是用“BLE+AP（無(wú)線(xiàn)接入點(diǎn)）上的網(wǎng)關(guān)”，或者“ZigBee+網(wǎng)關(guān)”方式。如果用低功耗的Wi-Fi，智能門(mén)鎖聯(lián)網(wǎng)直接用家里的AP聯(lián)網(wǎng)就可以了。例如，三星的門(mén)鎖之前是用BLE來(lái)做聯(lián)網(wǎng)，后來(lái)用Dialog半導(dǎo)體公司的Wi-Fi芯片來(lái)聯(lián)網(wǎng)。

　　● Wi-Fi家用安防攝像頭。其使用場(chǎng)景是例如你在外面，想看看屋里或屋外的情況，你可以用手機(jī)聯(lián)網(wǎng)觀看；或者屋外有一些動(dòng)靜，攝像頭里的感應(yīng)器感應(yīng)到了并拍攝，傳給用戶(hù)的手機(jī)或者云平臺(tái)。一大挑戰(zhàn)是視頻拍攝之后，大容量的數(shù)據(jù)要傳出去時(shí)必須要用寬頻的聯(lián)網(wǎng)工具，這時(shí)最好的方式就是Wi-Fi。所以以前Wi-Fi攝像頭的充電電池的容量很大，或者經(jīng)常要充電或更換電池。

　　● 溫控器，或家用、辦公室用的溫度控制系統(tǒng)。如果用低功耗Wi-Fi，功耗可以做到和藍(lán)牙很接近，按照使用30次/天來(lái)看，可以有3年以上的電池續(xù)航能力。

　　● 各種傳感器。在持續(xù)保持聯(lián)網(wǎng)的情況之下，還要用一些小的電池來(lái)運(yùn)行，不用網(wǎng)關(guān)來(lái)跟AP連接。

　　● 智能手表和手環(huán)?，F(xiàn)在智能手表和手環(huán)的功能越來(lái)越復(fù)雜，要處理的數(shù)據(jù)量也越來(lái)越大，也經(jīng)常需要系統(tǒng)升級(jí)，若用藍(lán)牙BLE，往往需要花費(fèi)一定的時(shí)間來(lái)傳輸數(shù)據(jù)，但消費(fèi)者的心態(tài)是什么都要快。

　　● 智能電子筆。電子筆寫(xiě)字之后直接聯(lián)網(wǎng)，傳輸?shù)皆破脚_(tái)，可以廣泛用到教育、金融、媒體等行業(yè)。智能電子筆上通常放4G模塊或BLE的無(wú)線(xiàn)連接方案，現(xiàn)在可以用低功耗Wi-Fi來(lái)替換。

　　3 Dialog低功耗Wi-Fi芯片的應(yīng)用效果

　　2020年5月，Dialog在業(yè)界率先推出真正的低功耗Wi-Fi芯片——DA16200及模塊，Dialog半導(dǎo)體公司連接和音頻市場(chǎng)部市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)總監(jiān)崔南岫介紹了其突破性的性能改善。

Dialog半導(dǎo)體公司 連接和音頻市場(chǎng)部 市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)總監(jiān) 崔南岫

　　● 智能門(mén)鎖。除了聯(lián)網(wǎng)部分外，門(mén)鎖里的馬達(dá)等其他產(chǎn)品的功耗也很大。為了做智能門(mén)鎖的聯(lián)網(wǎng)，如果用一般的Wi-Fi，不到1個(gè)月就需要換電池或者做其他的操作。如果用了Dialog的DA16200解決方案：門(mén)鎖每天開(kāi)關(guān)20次的情況之下，4個(gè)5號(hào)(AA)干電池可以用到1年以上的時(shí)間，Dialog測(cè)試的實(shí)際數(shù)據(jù)是能持續(xù)使用14個(gè)月。

　　● 安防監(jiān)控?cái)z像頭。如果10 MB的HD（高清）視頻，在每天5次使用的情況下，4 000 mAh的電池可以持續(xù)用到1年以上的時(shí)間。

　　● 溫控器。若一天使用30次，可以有3年以上的電池續(xù)航能力。

　　● 溫/濕度傳感器。使用1 440次/天，即每分鐘采集1次，使用2個(gè)7號(hào)(AAA)干電池，可實(shí)現(xiàn)4年以上的電池續(xù)航能力。

　　4 DA16200超低功耗Wi-Fi芯片的性能分析

　　Dialog于2020年5月發(fā)布的新產(chǎn)品有兩類(lèi)：①超低功耗的Wi-Fi SoC芯片DA16200及模塊，②Wi-Fi與BLE二合一的模塊DA16600。其中芯片工藝是40 nm，8英寸晶圓。

　　DA16200芯片的主要特點(diǎn)有3個(gè)：①在保持聯(lián)網(wǎng)的狀態(tài)下，可以做到其他芯片做不到的低功耗。②完全符合Wi-Fi規(guī)范，且不是一個(gè)單獨(dú)承擔(dān)射頻的芯片，里面還有CPU、Wi-Fi協(xié)議。③高安全性。

　　1）低功耗。DA16200是專(zhuān)門(mén)針對(duì)使用電池供電的產(chǎn)品而開(kāi)發(fā)出來(lái)的。其專(zhuān)利技術(shù)叫VirtualZero?。

　　具體地，首先是睡眠的狀態(tài)有非常明顯的優(yōu)勢(shì)。在睡眠模式3“保持網(wǎng)絡(luò)的連接下”，也加載網(wǎng)絡(luò)證書(shū)和保持網(wǎng)絡(luò)在線(xiàn)，應(yīng)用、AP和云平臺(tái)三方一直能保持連接。Wi-Fi的特點(diǎn)是如果沒(méi)有工作，沒(méi)有給AP一個(gè)信號(hào)“我是活著的”，會(huì)把它踢掉。但是DA16200解決方案里不會(huì)讓它踢出去，能一直保持在線(xiàn)的連接，而且可以做到非常低的功耗（如圖2）。

　　在低功耗方面，除了睡眠模式的改進(jìn)，還有其他的改進(jìn)，例如射頻部分。

　　所以，Dialog稱(chēng)，新的DA16200在發(fā)射/接收信號(hào)時(shí)，以及聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)時(shí)，與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手芯片的低功耗做到的程度差距很大。

　　2）完整性。Dialog的DA16200芯片另外一個(gè)特點(diǎn)是完全集成的Wi-Fi SoC芯片，里面有CPU、SRAM，而且完全滿(mǎn)足了Wi-Fi 的整個(gè)規(guī)范，包括射頻的靈敏度、傳輸?shù)木嚯x等，甚至和市面上常規(guī)的Wi-Fi相比，Dialog的靈敏度和傳輸距離更有優(yōu)勢(shì)。

　　3）安全性。實(shí)際上，很多物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在低功耗模式下更加容易受到攻擊，因?yàn)樗P(guān)閉了一些重要模塊。DA16200在“睡眠模式3”的情況下會(huì)保持網(wǎng)絡(luò)連接、加載網(wǎng)絡(luò)證書(shū)，此時(shí)怎么保證安全性？崔南岫稱(chēng)，此時(shí)盡管該芯片的加密系統(tǒng)是暫時(shí)不工作了，但是它會(huì)聽(tīng)路由器是否有信息發(fā)送過(guò)來(lái)，保持一直在監(jiān)聽(tīng)的狀態(tài)；如果路由器發(fā)信息過(guò)來(lái)，會(huì)再次用加密系統(tǒng)來(lái)加密，并通過(guò)路由器跟服務(wù)器通訊。

　　值得一提的是，在加密方面，除了Wi-Fi規(guī)定的所有的安全措施部分外，在DA16200還有加密引擎；另外，有些廠商直接做了一些證書(shū)來(lái)與Wi-Fi芯片協(xié)議結(jié)合，Dialog的芯片都可以支持。

　　此外，DA16200還有如下特點(diǎn)。

　　DA16200是Dialog的第二代低功耗Wi-Fi芯片。之前Dialog有超低功耗的FC9000。新的DA16200的功耗只有上一代的1/3；處理器方面，上一代是Arm Cortext-M0，第二代用了Arm Cortext-M4F；芯片的尺寸也變小了，以前是7 mmx7 mm，現(xiàn)在的芯片QFN封裝是6 mmx6 mm（圖3），fcCSP封裝的是3.8 mmx3.8 mm。

　　5）低成本

　　BLE芯片通常很便宜，不到1美元。如果為了要換成Wi-Fi，需要5、6倍的成本的話(huà)，就沒(méi)有客戶(hù)想換了。不過(guò)，現(xiàn)在二者的差距不是很大，DA16200比“網(wǎng)關(guān)+BLE”的成本便宜很多。

　　6）兼容性。Wi-Fi的另一個(gè)困擾點(diǎn)是市面上有很多種類(lèi)的路由器，有些Wi-Fi和路由器不太匹配，功耗上也有變大的，而Dialog與眾多種類(lèi)的路由器做過(guò)測(cè)試，一些是客戶(hù)要求測(cè)的，一些是Dialog內(nèi)部累積下來(lái)的know-how（訣竅），所以Dialog在幾百種路由器上測(cè)試過(guò)。

　　7）易于開(kāi)發(fā)。Dialog為客戶(hù)提供整套參考設(shè)計(jì)，就像以前MTK做了整套手機(jī)方案給客戶(hù)一樣，之前沒(méi)有做過(guò)手機(jī)的公司可以不用很費(fèi)力也能快速做出來(lái)。

　　Dialog希望采取這種方式來(lái)服務(wù)客戶(hù)，因此把很多典型的應(yīng)用產(chǎn)品的整個(gè)解決方案提供給客戶(hù)。例如智能門(mén)鎖、攝像頭或者各類(lèi)傳感器，Dialog都直接給出整套的解決方案；但對(duì)于智能手表、手環(huán)等復(fù)雜系統(tǒng)，Dialog只提供Wi-Fi部分的解決方案。

　　5 “Wi-Fi +BLE”模塊

　　除了芯片外，Dialog還做了模塊。其中，①超低功耗的Wi-Fi模塊DA16200，基于DA16200芯片。②低功耗Wi-Fi與BLE二合一的模塊DA16600，是DA16200芯片與Dialog的BLE芯片DA14531集成的產(chǎn)品（圖4）。

　　關(guān)于“Wi-Fi +BLE”的組合模塊，什么場(chǎng)合既用Wi-Fi又用BLE？最常見(jiàn)的應(yīng)用是，消費(fèi)者買(mǎi)來(lái)一件產(chǎn)品之后，最先要做的是組網(wǎng)。組網(wǎng)時(shí)單獨(dú)用Wi-Fi也可以，但是一些消費(fèi)者也許對(duì)Wi-Fi的組網(wǎng)不太熟悉，而熟悉通過(guò)BLE與手機(jī)連接、直接組網(wǎng)。

　　另外，Wi-Fi本身的功用與藍(lán)牙有一些差別：BLE的功耗極低，但所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量小，在傳輸大量數(shù)據(jù)時(shí)，要花很長(zhǎng)時(shí)間等待；傳輸?shù)木嚯x也較近。所以針對(duì)某些應(yīng)用，這兩種用途的芯片可以組合在一起。

　　實(shí)際上，這兩款芯片在一起用的時(shí)候，還有技術(shù)上的門(mén)檻，相當(dāng)于是2個(gè)RF共存，實(shí)現(xiàn)硬件和軟件上的兼容有一定的門(mén)檻。但是該組合模塊已經(jīng)解決了這個(gè)問(wèn)題。

　　6 未來(lái)規(guī)劃

　　Wi-Fi低功耗是大勢(shì)所趨，Dialog正在準(zhǔn)備第三代、第四代的芯片。目標(biāo)簡(jiǎn)單明了：低功耗，不犧牲任何Wi-Fi的性能，低成本。

　　Dialog現(xiàn)在是2個(gè)芯片合在一起的模塊形式來(lái)為市場(chǎng)提供“Wi-Fi+BLE”整套方案，但是下一代的產(chǎn)品會(huì)有二合一的SoC芯片計(jì)劃。

　　2020年已出爐了Wi-Fi 6規(guī)范，但Dialog稱(chēng)兩三年內(nèi)，新的規(guī)范廣泛地用到市場(chǎng)上的可能性不大，因?yàn)檫@是整個(gè)應(yīng)用環(huán)境的問(wèn)題（為了滿(mǎn)足到新的規(guī)范，每個(gè)家庭里的路由器或連接到的云平臺(tái)等都要更新，成本較高），所以Dialog會(huì)慢慢一步步跟著市場(chǎng)的真正需求來(lái)推出產(chǎn)品。

（注：本文來(lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2020年第06期第18頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。）