零功耗的无线黑科技，物联网的救星？

张凯  17021211121

嵌牛导读：随着物联网的发展，传感器会越来越多地分布到日常生活中。传感器分布在各个角落，通常需要保证至少能不跟换电池使用一年以上（尤其是对于植入人体的传感器更是如此，因此更换电池需要做手术成本和安全性都有问题）；而且，出于传感器成本和尺寸的考虑，传感器内置电池的电量不可能太大。

嵌牛鼻子：超低功耗射频电路 通讯

嵌牛提问：零功耗的无线黑科技，物联网的救星？

随着物联网的发展，传感器会越来越多地分布到日常生活中。传感器分布在各个角落，通常需要保证至少能不跟换电池使用一年以上（尤其是对于植入人体的传感器更是如此，因此更换电池需要做手术成本和安全性都有问题）；而且，出于传感器成本和尺寸的考虑，传感器内置电池的电量不可能太大。

另一方面，为了能传递传感器收集到的信息，传感器通常需要使用无线连接来与中心节点通信。然而，传统射频集成电路的功耗都不低，会过快消耗电池电量。因此，为了进一步普及物联网传感器，需要设计新的超低功耗射频电路。

信号传递真的需要发射射频信号吗？

如何设计超低功耗射频电路？我们不妨分析物联网射频电路中的功耗。首先，作为物联网中的传感器节点，以发送信息为主，接受端主要是一些控制信息，因此发射端的使用频率更频繁；其次，目前的主流无线协议至少要求发射功率达到0dBm，即1 mW，考虑到发射机整体10%左右的效率，即需要至少10mW的整体功耗，这样的功耗在物联网传感器应用中就太大了，必须想办法减小。

那么，如何降低发射端的功耗呢？除了常规的电路优化提升效率之外，有没有办法可以降低功耗呢？我们不妨先看看信息传递的物理基础。根据信息论和物理学，传递一比特信息需要消耗的能量是kTln2，在常温下大约为27510-21焦耳，远小于无线传输中每比特数据传输消耗大约110-12焦耳能量的数字。因此，限制我们的并非物理学基本定律，而是工程学上信号传递方式的设计。

我们不妨再想一想，无线传递信号，真的需要传感器端发射射频信号吗？在日常生活中，确实存在着不需要自己消耗能量就传递信号的方法。例如，用在航海和野外探险中的日光信号镜，就是通过不同角度的反射太阳光来传递信息。在这里，信号的载体是太阳光，但是太阳光能量并非传递信号的人发射的，而是作为第三方的太阳提供的。所以，我们完全可以实现由第三方提供能量来实现信号传输。

阳光信息镜，使用第三方（太阳）提供的能量作为信息载体，传递信息的人本身无需提供信息传输能量
无源WiFi-接近零功耗实现无线传输

之前提到了使用太阳光可以无需提供能量就传输信号的例子。事实上，太阳光和我们常规无线通讯使用的都是电磁波，因此我们完全可以把阳光反射镜移植到无线通讯中。

最早这种方法使用在了卫星通讯中。由于卫星通讯中卫星和地面基站距离很远，信号衰减很大，因此需要非常强的信号发射功率，显然在地面发射大功率会比在卫星发射大功率要简单一些。因此，工程师们的解决办法就是在卫星上安装可以调制反射光的发射器（retro-reflector），而由地面来发射大功率信号（照射信号）。该发射器可以通过改变反射器角度来调制反射信号来传递信息。举例来说，当卫星完全反射地面发出的信号时表示1，而当完全没有反射时表示0，这样就可以实现卫星不发射无线信号的无线传输。在这里，地面的发射站就相当于日光反射镜例子里的太阳，而卫星上的反射器则相当于镜子。

随着物联网的普及，使用反射来传递信号的方法也开始进入了传感器领域。美国华盛顿大学计算机科学与工程系的教授Shyam GollakotaJoshua和R Smith提出了Interscatter的概念，并将结果发表在了SIGCOMM上。Interscatter的思路与之前提到的阳光信息镜以及卫星反射通信相同，也是通过反射来传递信息。一个典型的应用例子如下图，Interscatter芯片是植入体内的传感器或类似RFID的需要超低功耗的芯片，外界的设备（如手表，蓝牙耳机）发射射频信号（照射信号），Interscatter芯片通过改变天线的阻抗来调制反射信号，该反射信号由手机接收并解调得到Interscatter芯片传递的信息。在整个过程中，Interscatter芯片并不发射射频信号，需要做的仅仅是将比特流转换为对于天线阻抗的调制，因此功耗可以极低。

Interscatter芯片使用场景示意图，由外界设备发射射频信号而Interscatter芯片通过改变天线阻抗来调制反射信号完成信息传递。整个过程中Interscatter芯片并不产生射频信号。

在Interscatter之后，华盛顿大学的研究组更是将此概念扩展到了WiFi上，提出了无源WiFi，通过WiFi路由器来发射射频信号，而无源WiFi芯片只需要负责调制天线阻抗就能通过WiFi协议与路由器通信。由于省去了发射射频信号这一环节。芯片的功耗主要来源于频率综合器以及天线调制模块（见下图）。这样，无源WiFi可以实现高达11Mbps的通信速率，而其功耗仅仅只有50uW。 

无源WiFi

在电路系统设计上，passive wifi的基本过程是中心射频源（路由器等）发射射频信号至passive wifi芯片，因此需要精确控制波束方向，否则如果多个passive wifi芯片同时反射的话会造成互相干扰，因此在射频源的部分需要用到波束成形技术。 然而，由于波束不可能每次都对得非常准，于是另一个passive wifi系统的挑战是多路反射和环境反射。为了解决这个问题，UCLA电子工程系Frank Chang教授带领的实验室与NASA／JPL合作完成了一款芯片。这个项目实现了基于反射概念数据率高达54Mbps的芯片组（包括发射端和反射端）外，该芯片组同时还能使用equalization技术解决多路反射的问题。由此可见，无源WiFi不仅能实现低功耗通讯，在数据率方面与传统WiFi也不遑多让。 具体论文“A 58 GHz 54 Mb/s Backscatter Modulator for WLAN with Symbol Pre-Distortion and Transmit Pulse Shaping”发表在了IEEE Microwave Wireless Component Letters上。

UCLA与JPL合作实现的芯片组，包括发射端和反射端两部分芯片

当然，无源WiFi也存在自己的局限性。目前，无源WiFi最适合的场景是点对点通信，这样即可最大化照射信号的利用效率，也能减小不同无源WiFi反射的互相干扰。因此，在需要多节点同时通讯的场合下，无源WiFi并不是最好的选择 。另外，无源WiFi并不能减小接收机的功耗。综上所述，无源WiFi最适合的应用场景还是发射端站最主要部分，且无需节点之间通信的物联网传感器。在未来，为了能让多个节点同时通信，可以使用类似CDMA的技术。

从智能电灯到共享单车、从智能井盖到智慧农业，物联网的行业跨度非常大。毫不夸张的讲，所有行业都和物联网有关联。
应用场景分散化，技术集中化
物联网的应用场景，总结下来很一致：采集+传输+计算+展示（或反向）
物联网终端采集数据、把数据传输给服务器、服务器存储和处理数据、把数据展示给用户。
例如智能水表，水表采集到用水数据、无线传输给服务器、服务器存储并计算、展示给用户查询和缴费。
再例如共享单车，正向过程是：单车获取GPS位置数据、通过2G网络上报给服务器、服务器记录单车位置信息、用户在APP端查看单车位置。反向过程是：用户向服务器发出开锁的要求、服务器通过2G网络把开锁指令下发给单车，单车执行开锁指令。
大大小小的物联网应用，都是基于正向数据采集和反向指令控制这两个流程来实现的。
终端处理器的选择
物联网终端，主要是采集数据和执行指令。采集的数据如温湿度、位置、语音、图像视频等。执行的指令通常是开关和动作，如电机控制、内容显示等。
简单的数据指令，一般采用单片机。
语音图像视频和内容显示等复杂数据，一般采用多核ARM的Linux或Android处理器。
对于物联网行业初学者，可以先从单片机开始了解，像智能锁、水表、路灯控制、智能家居等清一色都是单片机内核的。
传输方式的选择
物联网，肯定要联网。联网方式有这些：
低功耗近距离，用BLE或Zigbee。
低功耗远距离，用NB-IOT或2G
大数据近距离，用WIFI
大数据远距离，用4G网络
网络布局上，远距离的网络直接连基站，无需自己布设网络节点。而近距离的网络都需要有一个网络节点，先把终端数据传给节点，节点再接入广域网。
远距离传输比近距离传输的价格更贵、功耗更高，合理利用远近搭配，能够有效降低物联网终端的成本。
例如原本的摩拜单车采用2G网络解锁，必须要保持数据长连接或使用下行短信开锁，功耗高费用大，而青桔单车抛弃了远程解锁，直接使用手机的蓝牙解锁单车，节省了数据流量、降低了功耗、还能提高开锁速度。
再例如农业物联网，在一个大范围内的农田中布设多个土壤传感器，如果都使用2G网络上报数据，也存在终端成本高、数据流量大的问题。而如果采用自组网的方式先构成局域网，再统一从一个2G数据节点和服务器对联，总体成本就会降低一些。
云服务的设计
物联网的云服务器和APP的设计，和互联网基本是一致的，JAVA、PHP、ASP都可以用来做物联网的后台处理。
移动互联网是“人--服务器--人”的架构，物联网是“物--服务器--人”的架构，两者本质是相同的，物联网终端设备也采用TCP、>