物联网

紧凑灵活的系统集i.MX处理器、Wi-Fi连接和安全性于一体,助力物联网产品快速上市

2018年2月27日—恩智浦半导体NXP Semiconductors N.V.(纳斯达克代码:NXPI)宣布推出全新的“物联网芯片”,极大地推进了边缘计算的发展,前景广阔。这个可扩展的产品系列将恩智浦基于ARM®的i.MX应用处理器、Wi-Fi和蓝牙集成到更小的尺寸空间中,赋予物联网设备丰富的功能、安全性和连接能力。

新款芯片有助于解决在尺寸极度受限的物联网设备中实现应用的设计难题。作为系统级小型化解决方案,“物联网芯片”提供了必备的性能、可扩展性和小尺寸,使开发人员能够快速将设计投入生产。

恩智浦工业与消费市场i.MX应用处理器副总裁Martyn Humphries表示:“作为从板上产品向未来‘物联网芯片’愿景演变的一个重要步骤,我们高度集成的解决方案彻底揭开了物联网的神秘面纱。恩智浦的前瞻性设计方式将为客户提供更高的跨系统效率,使他们能够加快产品上市时间,而不增加额外成本。”

恩智浦联合值得信赖的市场领军企业,提供面向未来的灵活解决方案

“物联网芯片”集恩智浦的i.MX应用处理器系列和Wi-Fi/蓝牙解决方案于一体,为开发人员提供针对工业和消费市场的成熟解决方案,能够快速构建紧凑型物联网产品。

产品主要特点:

• 高性能计算和连接

−Arm Cortex-A7应用处理器提供高性能和高功效

−高带宽双频802.11ac Wi-Fi和Bluetooth 4.2

−与Wi-Fi认证模块类似的解决方案,采用经过验证的Wi-Fi/BT软件协议栈

• 安全

−i.MX应用处理器提供了高级安全特性,如:安全启动、篡改检测与响应、以及高吞吐量加密

−为了提供额外的物理安全保护,“物联网芯片”可以通过定制化芯片间接口 (inter-chip interface) 进行扩展。在不增加芯片封装尺寸的前提下,集成安全芯片 (Security Element)。

• 紧密集成的小尺寸结构

−内置了应用处理器和Wi-Fi/BT的解决方案只有14mm x 14mm x 2.7mm的大小

−全新的封装设计使硬件设计人员可通过直通式电路板堆叠DDR存储器,简化了PCB设计并可额外节省空间

• 可扩展和模块化

−通过芯片间接口 (inter-chip interface),用户可以在同样的14x14的封装里,根据特定需要,获得不同级别的i.MX性能

−尺寸兼容的模块还提供了一系列不同的Wi-Fi/BT选项,以满足应用需要

上市情况

恩智浦首款基于i.MX 6ULL应用处理器的“物联网芯片”产品将于2018年下半年上市。i.MX 7和i.MX 8处理器配置将于2019年上市。

欲了解恩智浦参加本次展会的最新消息,请访问恩智浦2018年嵌入式系统展会新闻中心

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由于汽车电子、物联网等新需求浮现,2017年部份半导体生产链出现缺货情况,不仅上游硅晶圆及导线架等材料缺货,包括DRAM、NAND Flash、NOR Flash亦同步缺货,另微控制器(MCU)、金氧半场效电晶体(MOSFET)也因缺货而拉长交期或顺势涨价,供需失衡的景象难得一见。

2018年即将到来,硅晶圆及导线架仍供不应求,价格将持续调涨,DRAM、MOSFET缺货情况难获纾解,MCU交期虽然可望因进入淡季而缩短,但普遍来看交期仍长达3个月,比正常安全库存时期高出1~1.5个月。至于NAND/NOR Flash则因新产能开出,缺货压力将获得纾解。

以半导体硅晶圆来看,由于主要供应商近几年没有扩产,今年正好遇到半导体厂晶圆产能大量开出,2017年全年处于缺货情况,2018年也将供不应求;为确保2018年硅晶圆供货无虞,全球半导体大厂采预付订金方式确保明年货源,价格则每季调涨。法人看好环球晶圆、合晶、嘉晶、台胜科等硅晶圆供应商营运。 半导体导线架同样面临缺货问题。由于国际IDM厂全力抢攻汽车电子及物联网市场,对导线架需求大增,但主要供应商近年来持续整并,今年下半年供应已吃紧,明年上半年亦将小幅缺货,价格可望续涨,对于长华科、界霖等供应商十分有利。

存储器部份,DRAM下半年缺货严重,明年上半年将持续缺货,虽然业者有意提高产能,不过新产能开出时间将落在明年底及后年初,所以2018年上半年DRAM位元供给成长只能依靠1x纳米升级,整体来看还是供不应求,价格持续看涨,南亚科、华邦电、威刚等将持续受惠。

NAND Flash及NOR Flash明年上半年缺货情况则可获得纾解。包括三星、东芝、SK海力士、美光等下半年加快3D NAND产能及技术转换,良率已持续提升,明年产能开出后就可充足供货。NOR Flash同样因长江储存及中芯国际产能开出,加上力晶投入代工市场,明年上半年产能增加,需求端则进入传统淡季,市况可望趋于供需平衡。

至于MCU市场,由于汽车电子及物联网大量导入MCU架构,但包括意法、德仪、瑞萨等IDM厂产能不足因应需求,导致交期大幅拉长至3个月以上,部份缺货严重的料号交期更长达半年。随着终端需求明年上半年进入淡季,加上晶圆代工产能支援,交期可望缩小至3个月以内,但仍较安全交期的1~1.5个月长,盛群、新唐则受惠转单,明年上半年营运将淡季不淡。

国际IDM厂陆续淡出电脑及消费性电子的中低压MOSFET市场,产能移转至汽车电子中高压MOSFET市场,或是转向量产绝缘闸双极电晶体(IGBT)或超接面(Super Junction)元件,所以中低压MOSFET下半年严重缺货,明年上半年因无新产能支援,仍会维持供不应求情况,但缺货缺口会缩小,法人看好尼克森、大中、富鼎等营运表现。

来源: 中电网

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- 可编程模块化解决方案简化新智能电表、智能电网硬件、智能路灯、家庭控制器和工业控制器的设计和部署

2017年10月9日 – 意法半导体(STMicroelectronics,简称ST;纽约证券交易所代码:STM)推动全球电能使用和管理智能化浪潮,推出新的模块化电力线通信(PLC)调制解调器芯片组。新芯片组让设备厂商能够灵活地设计电表、智能电网节点、路灯、家庭控制器、工业控制器,目前这款新产品被三家世界一流的智能电表厂商用于设计新的解决方案。

ST电力线通信芯片组解决方案,为新智能电力基础设施的推出铺平道路

作为一个整体解决方案,新芯片组整合了数据封装和转换所需的协议处理功能,可以发送数据,具有通过电网发送数据所需的线路驱动功能,让客户能够研制高成本效益的电力线通信产品,既可以是新设计的内部组件,也可以是旧设备外接模块的内核,能够完美满足某些特定法规的要求。在这些应用场景中,ST PLC调制解调器芯片组用作外部通信模块,用于连接现有的或新的电表或控制器。此外,灵活的可编程功能让多个不同型号产品柯以共用同一个硬件平台,支持软件现场更新,从而进一步降低拥有成本。

意法半导体工业和转换产品部总经理 Domenico Arrigo表示:“从推出第一代数字电表开始,ST为世界一流的智能电表厂商提供服务,今天芯片组部署数量超过6000万颗,遍布欧洲、中国和美洲的家庭和楼宇。利用在初级阶段积累的经验,全球下一代智能电表和其它物联网计划提出了新的设计要求,而是我们的新芯片组是满足新要求的最佳解决方案。新芯片组是一个灵活且高成本效益的PLC连接解决方案,全编程功能可让其在全球部署变得更简单,而且支持不同的PLC标准。”

市场调研公司IHS Markit[1] 称,目前智能电表年销量超过1亿台,预计到2021年销量增长速度超8%。

技术说明

新芯片组由两颗芯片组成:ST8500可编程PLC引擎和STLD1线路驱动器。

ST8500是一个系统芯片(SoC),包括一个高性能的四核DSP处理器和一个ARM® Cortex®-M4F内核处理器,前者用于实时协议处理,后者用于高层处理及系统管理。每个处理器在芯片上都有各自的程序和数据SRAM存储器。该芯片还提供一套智能电表专用外设接口,其中包括AES加密引擎,还集成了用于连接STLD1线路驱动器的模拟前端(AFE)。

ST8500的接收功耗低于100mW,确保新智能电表具有超低功耗,满足最新的能效标准,最大限度降低电网负荷。STLD1线路驱动器通信可靠性很高,甚至能够在有噪声的线缆上通信,在单端18V或差分模式36V宽压输出范围内,具有低阻抗、高驱动能力和高线性。

芯片内置通过认证的G3-PLC和PRIME电力线协议栈,并符合CENELEC、FCC和ARIB频带法规。

新芯片组即日起量产上市。ST8500系统芯片采用7mm x 7mm x 1mm QFN56封装,STLD1采用4mm x 4mm x 1mm QFN24封装。有关价格信息和样片申请,请联系所在地的意法半导体销售处

产品详情访问 www.st.com/powerline

来源: ST社区

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成熟稳定、高度可裁剪的IoT OS可支持MCU及无线SoC厂商去简化物联网解决方案开发

RT-Thread暨上海睿赛德电子科技有限公司日前召开主题为“积识成睿 慧泽百川”的新产品暨合作伙伴计划发布会,推出了基于其十年技术积累的全新RT-Thread 3.0版本物联网操作系统(IoT OS),同时公布的RT-Thread多类别合作伙伴和开发者社区计划将进一步拓展其生态,将支持国内外微控制器(MCU)及无线系统级芯片(无线SoC)厂商去快速、完备地开发各种物联网应用解决方案。会上,来自国内外多家合作伙伴和芯片厂商的高管均发表演讲支持RT-Thread 3.0并介绍了双方的深度合作。

当前正值“智慧”与“物联”应用突破导入期,在各种广域与局域联网协议的最新版本、以及更加完善的云服务等联网技术和基础设施的支持下,进入全面应用的发展新阶段;与此同时,国产的MCU和无线SoC厂商也崭露头角,不断借其新产品在市场上攻城略地,为各种物联网应用提供了强劲的处理与联网能力。这两大趋势的背后,是对面向各种物联网应用的新一代操作系统的迫切需求。

新推出的RT-Thread 3.0 IoT OS就是针对各种物联网应用、处理内核及联网协议的新一代操作系统,它基于RT-Thread超十年的开源技术及应用经验积累,不仅高度成熟稳定、拥有完整丰富的中间层软件和IoT组件,而且具备资源占用低、高度可裁剪、二次开发便捷、商用支持所有主流芯片及CPU架构等特性。

“终端的联网趋势日趋明显,联网已经成为厂商创新的前提和基础。物联网终端不再是原有的孤立嵌入式设备,运用于这些设备上的OS,也不再仅仅是简单的内核,还需要包括完整的IoT支撑:网络协议栈、低功耗支持、文件系统和安全防护机制等,甚至还需要包括云连接SDK,以及智能化的AI交互。” RT-Thread创始人兼睿赛德电子科技总经理熊谱翔表示。“我们新推出的RT-Thread3.0 就是一款旨在构筑物联网技术基石的操作系统,它基于我们十年、多领域嵌入式应用迭代出的稳定性与经验,在充分考虑各种物联网应用场景后而打造,可通过充分发挥芯片的能力,使物联网端设备的开发变得简单快捷。”

睿赛德电子科技计划将RT-Thread3.0打造成为国内首选的、联网终端装机量超亿台的IoT OS,并力求通过这一款高质量、强大的IoT OS,加上专业的技术支持服务和持续的社群发展来使整个物联网产业大受脾益。睿赛德电子科技为此也在本次发布会上推出了其合作伙伴和开发者社区计划,成为本次活动的另外一个亮点。

该计划是基于RT-Thread平台的完备物联网产业生态发展计划,公司针对中国巨大的物联网市场、从芯片和设计公司到设备再到云的全系产业链、以及十年来一直在不断扩大的开发和应用社群,推出了涵盖协同开发、技术服务、软件授权、资源开放和开发者能力认证等多方面需求的全方位方案,使RT-Thread3.0的使用者可以得到睿赛德电子科技及其合作伙伴和开发者社区不同程度的支持。

“RT-Thread由睿赛德电子科技开发、维护、更新和运营,它既是一个已经验证的开源和极小体积的内核,也是深受欢迎并在不断扩大的开发者社区,同时还是一个各种中间件的平台;”睿赛德电子科技首席运营官邹诚表示。“我们的合作伙伴计划就是基于这种开源与开放的架构与体系, 新的RT-Thread 3.0 IoT OS将给合作伙伴和参与方都带来更大的机会。比如我们睿赛德电子科技通过为战略和高级伙伴提供一站式的服务,可使芯片商、方案商和制造商极大地缩短产品开发上市时间,提升终端软件整体质量,加快端云连接和应用服务的部署。”

RT-Thread的物联网操作系统已经得到了国内外芯片厂商和其他合作伙伴的广泛认同和积极参与,不久前中天微、富瀚微、君正、全志、灵动微、爱普特和华芯微特等企业与睿赛德电子科技签署了战略合作协议,将RT-Thread作为其原生操作系统之一,搭配其芯片推向市场。

此次发布会得到了物联网应用、芯片及IP厂商、开发者和其他合作伙伴的广泛关注和踊跃参与,超过200人的现场气氛热烈。发布会上,来自华强聚丰、机智云、南方硅谷、NXP及中天微的高管也介绍了他们与睿赛德电子科技的深度合作,均表示将共同促进其产品或服务与国人自主物联网操作系统协同发展。

RT-Thread 3.0 IoT OS具有以下特性:

● 稳定可靠

--10年技术积累,千万级装机量验证,在工业、新能源、电力、消费、家电、交通等各行业被广泛使用

● 简单易用

--架构清晰、Unix内核代码风格、调试方便、多个辅助工具、兼容性更好的POSIX接口支持、编译工具支持广泛

● 组件丰富

--包括虚拟文件系统、设备框架、低功耗管理框架、网络协议栈、TLS/DTLS、图形库、音频流媒体框架、固件远程升级FOTA等

● 高度可伸缩

--通过全新的配置工具和包管理工具,实现系统的易裁剪、易扩展,适用于不同档次的产品,大大增加软件的可复用性和灵活性,提升开发效率

● 跨芯片平台

--无论选择什么样的微控制器,使用RT-Thread接口编程的应用程序都可以高度复用,无需重新发明轮子

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随着物联网(IOT)、云计算等新一代信息技术广泛应用,及智慧城市节能与环境永续趋势带动,城市路灯开始加入传感器,具备连网、收集、分析周围环境、交通信息,转变成智能路灯。根据调研机构Northeast Group资料,2016年全球路灯市场规模约3.15亿盏,至2026年将成长达3.59亿盏路灯,而LED路灯与智能路灯市场规模将会高达695亿美元。另根据Philip市场调查,目前全球路灯安装系统只有1%具备联网功能,但平均每年复合成长率则达16%。

解决物联网布点及供电问题

智慧城市充分运用感测、移动网络与云计算等技术,整合城市关键信息并进行分析,以解决交通环境、公共安全、工商业服务等需求,因此需要一个信息收集、处理的物联网终端设备,而路灯具有位置优势及供电系统两大优势,可解决物联网设备的两个最大问题:布点及供电。

然而,智能路灯应用于户外照明,范围广、数量多,若采用ZigBee等短距离传输,受限覆盖范围小、需布署大量网关及设备维护成本,而以传统2G/3G/4G网络来做物联网M2M传输虽覆盖距离广,但也不满足IOT设备低功耗、低成本的要求。因此低功耗广域网(LPWA)技术应运而生,LPWA有远距离通信、低速率数据传输和低功耗3大特点,适合远距离传输、通信数据量很少、需电池供电的物联网应用。

目前已有LPWA应用于智能路灯案例,Telensa在英国埃塞克斯郡建立涵盖13万盏智能路灯、使用户外无线单灯控制系统的网络(PLANet),由于PLANet以LPWA传输数据,并根据多种因素灵活调节光照,达到节能省电,此外Telensa在路灯上也布有传感器可知车辆出入状况,驾驶人能利用此服务得知附近是否还有停车位,让路灯达到便利交通、节省能源,甚至协助警方办案,预估LPWA将逐渐应用于智能路灯。
 
另一个例子是思科在2014年与美国密苏里州堪萨斯市讨论规划10年、共1,500万美元的智慧城市基础建设计划,并于2016年正式启动第一阶段。思科于市中心安装125座智能路灯,可较传统路灯节能达8成,未来堪萨斯市可利用智能路灯等智慧城市基础建设增加营收,例如:在停车位地面安装智慧传感器,让智能路灯引导驾驶到空位,传感器会自动计时计费,驾驶亦可透过app在线付费。

对城市而言,建设智能路灯具有明显优点,包括覆盖广、节能省电、远程监控路况、侦测城市环境以及运用于交通、安全等应用,但许多城市将信息储存于云端,网络安全成为须考虑的问题,另外,越来越多传感器安装于智能路灯之上,如录像监控、声音传感器等,可能使民众隐私疑虑成为另外一个问题,因此厂商在设计时间就必须注意可能涉及的隐私议题。

此外,智能路灯的建置还需考虑经费来源和拥有权的结构、基础设施是否委外管理等因素,而不能一昧将各种传感器或额外功能加装于路灯之上,如让路灯身兼电动车充电站、免费无线上网热点、录像监控等。智慧城市在不同国家、不同应用场景的需求不一样,面临的问题也不一样,在建设智能路灯时,每座城市都必须个案评估,才能解决城市中的实际问题,也才能让智能路灯的效益发挥最大功效。

软硬整合发展产品转向服务

物联网装置生命周期往往很长,一旦购买安装之后,将长时间使用、不易汰旧换新,透过提供订制化和创新的服务发挥物联网价值,才能发挥更多的加值功能和应用,对于智能路灯业者而言,如何在保证分享到硬件销售收益外,也能在软件及服务方面有所收益,是必须思考的课题之一。

例如美商通用由硬件产品销售转向服务导向的商业模式发展,智能路灯不只是赚取设备费用,而是掌握透过路灯所收集的各种数据,而地方政府欲使用数据发展城市解决方案,还是要支付通用数据处理服务费用。此外,通用提供新创业者免费使用路灯相关数据60天,让他们研发智慧城市应用,如后续欲持续使用数据再进行收费,借此吸引各方参与、快速扩大用户基础与发展城市应用。

因此,智能路灯产业应思考借助软硬整合发展产品转向服务的商业模式,可与政府、学研与新创公司组成生态体系,利用路灯收集、分析数据与信息回馈,创造各种智慧服务达到多赢局面。

来源: NXP社区

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不知不觉,我们已经处于物联网的汪洋大海之中,大家公认的说法是,到2020年全球物联网设备接入总数将达到300-500亿。面对这海量的设备,维护变成一个繁重的任务,这就要求互联网设备可靠“皮实”的同时,功耗足够低,一块电池(或者使用能量收集技术)能撑足够久。因此“低功耗”三个字在物联网用户端设备的设计中,一直被摆在很高优先级的位置上。这也让开发者在元器件的选型上小心谨慎,铭记下面这些不得不守的“军规”。

死磕物联网低功耗设计,BOM中不得不知的五条“军规”
图1:物联网用户端设备系统框图

第一条:用一颗低功耗的MCU

从物联网设备的系统框图上来看,MCU处于核心的地位;而从功耗的角度来看,它也是耗电最大的“电老虎”。8-bit MCU功耗固然低,但毕竟性能有限,所以在物联网设备中32-bit MCU上位成了主角。目前在32-bit通用MCU领域,ARM Cortex-M系列架构的CPU内核占主流,从M0、M0+、M3、M4到M7,序号越大性能越高,功耗也越大。所以根据物联设备的应用场景,选择一颗功耗性能比“刚刚好”的CPU内核是首要准则。

不过决定MCU整体功耗的因素很多,除了CPU内核自身的功耗,至少还要考虑三个因素:是否有多样的电源管理模式设定,可以让CPU内核和无需工作的电路处于休眠状态;是否有灵活的时钟管理系统,按需对各个功能电路进行调度;是否有更智能而低功耗的外围电路,能够帮助CPU内核分担工作。其实这些因素核心的思路就是:无事休眠、按需激活、避免空耗。

要想全面了解MCU低功耗性能、做出正确判断,除了吃透器件的Datasheet、经验设计积累外,目前也有第三方的评测可供参考,比如EEMBC联盟为衡量嵌入式微控制器低功耗特性专门设计的ULPBench评分。虽然有人认为这一评分的结果值得商榷,但仍然不失为一把衡量MCU整体低功耗特性可参考的标尺。

死磕物联网低功耗设计,BOM中不得不知的五条“军规”
表1:ULPBench中业界主流MCU产品得分

第二条:考虑集成化的传感器

在传感器的选型上,开发者通常有两种选择:分立的传感器或集成化的传感器。单独来看,前者在成本和功耗上都更有优势,不过从系统整体功耗上看,集成传感器件不失为一种不错的选择。因为在集成传感器件中,通常会将信号调理电路(如ADC)整合进去,将预处理后的信号通过SPI或I2C等数据接口直接传给MCU,减少MCU数据处理的负荷。有些传感器件还会集成信号处理电路,如一个低功耗的CPU核,构成功能更完整的传感器中枢,简单的计算自己做,进一步减少对主MCU的“打扰”。这些策略都会对系统总体能耗的降低有帮助。

第三条:选择合适的无线互连协议

影响物联网产品功耗的另一个重要因素就是无线互连功能。目前市场上有太多的无线互连协议可供选择,从私有的Sub-GHz协议,到众所周知的Wi-Fi、BLE、ZigBee等开放标准,以及近年来快速发展的低功耗广域网LPWAN协议(如LoRa、Sigfox、NB-IoT等)。无线通信的功耗会与网络的规模、拓扑结构、可靠性、数据吞吐量等因素相关。通常来说,拓扑结构越复杂、数据吞吐量越大的网络,功耗也会更大,比如:星形WiFi网络要比点对点通信的Sub-GHz无线通信功耗要高很多;同样采用ZigBee协议,星形网络肯定比Mesh网络能耗更低。

因此物联网设备无线互连协议的选择与应用场景关联度极高,开发者需要从现实的需求以及未来的扩展性方面通盘考虑,确定适合的无线技术,在此基础之上再选择低功耗性能最优的元器件。

第四条:选用耗电少的电源管理器件

电源管理器件是物联网系统中必不可少的部分。不论是选用LDO线性稳压器还是DC-DC转化器,抑或是能够提供多轨电压输出的PMIC,高效率是当然的首选特性。此外,与物联网产品配套的电源管理器件,特别在与能量收集技术相关的应用中,自身还需要具备低静态电流的特性——如TI等公司相关产品标称的静态电流值可达到300nA左右——尽可能降低设备的待机功耗。

第五条:做好安全性功耗预算

2016年10月网络黑客劫持了摄像头等大量物联网终端设备,向北美网络发起了大规模DDoS攻击,这再次提醒人们物联网设备端的安全问题不容忽视。而对物联网设备来说,增强安全功能也意味着更大的功耗,比如如果MCU的内部或外部没有配置加密硬件,加解密工作就不得不耗费MCU的计算资源,产生更多的功耗。使用更可靠的非对称加密算法,与对称加密算法相比也需要更多的功耗。因此安全性关联的功耗预算,也是必须考量的部分。

将以上几个因素串联起来,我们才可以为物联网设备端的功耗描绘出一幅完整的图景。在此基础之上,锱铢必较,精心雕琢出禁得住市场和用户考研的低功耗产品。

死磕物联网低功耗设计,BOM中不得不知的五条“军规”
表2:主要无线互连协议比较

转自: 安富利

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作者:e络盟大中华区销售总监朱伟弟

从公共汽车站的标牌到联网的复杂工业系统,大部分电子系统的设计方式因互联网而发生了极大的改变。其中,最大的变化或许是引入了收集数据并将信息传递至云端的传感器系统。

这些小型“器件”通常无法连接主电源,这意味着它们必须通过电池或能量采集装置进行供电。

对于许多应用而言,能量采集装置是最可行的解决方案。如果设备设计成较低功耗,而能量采集装置可获取较多能量,则设备有可能实现无限期运行。

然而,由于有限的能源获取或过大的系统能源需求,许多应用不适用该方法。在这种情况下,需要通过电池来为系统供电。

遗憾的是,电池需要不断更换,而更换电池的成本往往比物联网设备的自身成本更高。因此,估算电池寿命至关重要。

影响电池寿命的因素

物联网设备的电池寿命可通过简单的计算来确定:电池容量除以平均放电速率。尽量降低设备使用的能量或增加电池容量将增加电池的使用寿命并降低产品的总体拥有成本。

电池通常是物联网传感器系统的最大组成部分,而工程师可以选择的范围很小。然而,采用大量的处理器、通信技术和软件算法,系统可以通过设计达到所需的使用寿命。

物联网处理器睡眠模式

为物联网应用而设计的处理器提供了各种超低功耗睡眠模式。

以TI CC2650MODA无线微控制器为例。图1显示了设备在不同工作状态下的电流消耗。从关机到主动运行有6个功耗级别。

物联网应用中的电池寿命计算

除非数据采样的频率非常低,否则关闭处理器几乎没有什么好处。而且需要额外的电路和代码来重新启动处理器,徒增成本和复杂性。此外,待机模式的电流消耗小于3μA,电池放电至少需要八年:比许多物联网设备的使用寿命更长,也几乎达到了CR2032电池的保存期限。因此,完全关闭处理器往往无益。

选择适当的待机模式很重要。最低功耗待机模式消耗的电流是最高功耗模式的三分之一左右,但只节省了极少的处理器空间。虽然某些物联网应用需要选择最低功耗的睡眠模式,但是多数应用会选择保留缓存,以减小处理活动模式所需要的周期。

活动模式下的处理工作需调节平衡。图1显示了由于该类型的物联网处理器使用的CMOS技术,功耗会随时钟频率呈线性增加。因此,更快的时钟速度似乎意味着更短的电池寿命,但是由于“基本”电流为1.45mA,所以在较快的时钟速度下运行相同算法需要较短的唤醒时间,意味着放慢时钟并不划算,实际上却缩短了电池寿命。

此外从一种模式切换到另一种模式的唤醒时间也是有限的:例如,CC2650MODA从待机切换到活动模式需要151μs。在48 MHz的最大时钟频率下,需要消耗超过7000个时钟周期的电量,来唤醒处理器。对于仅需要少量代码的应用,在唤醒期间减慢时钟来获取更长的代码执行时间以降低功耗,可以延长电池寿命。同样地,在返回待机模式之前尽量减少唤醒操作次数并执行尽可能多的任务也可以延长电池寿命。

现代物联网设备是非常复杂的产品,集成了许多外设,使单芯片解决方案能够满足不同的需求。然而,通常物联网设备—特别是简单的传感器—并不需要这些复杂的功能。

物联网应用中的电池寿命计算

图2显示了TI CC2650MODA系列中可用外设的功耗。尽管各种设备消耗的电流非常小—仅几十或几百微安的程度—但是禁用这些设备可能会产生重大影响。如果不需要进行串行连接,则可以节省总共318μA。虽然可能看起来不太多,但是这个电流变化会对电池寿命产生重大影响。

物联网通信技术

选择正确的通信技术通常取决于系统要求。电池供电的物联网系统,往往需要使用射频链路。

就无线通信而言,更大的范围或更快的数据传输速率通常需要消耗更多的能量,因此满足这些需求的最低功耗通信技术通常是明智的选择。

而对于物联网传感器,目前有几种主流技术。例如,LoRa技术可以构建覆盖数公里范围的低功耗、远距离广域网(WAN),而低功耗蓝牙(BLE)技术仅能在短距离通信,但是消耗的电量大幅度减少。另一个必须要做的决定是使用片上设备,还是选择单独的芯片来进行通信。

通信接口管理至关重要,因为即使是低功耗通信技术也会很快耗尽电池,并且处理要求通常高于射频阶段。

为了最大限度地利用通信电池的容量,许多物联网系统只有在积累了足够多的数据值得进行传输时才唤醒通信电路。

选择传感器以最大限度延长电池寿命

传感器可以对物联网系统的电池寿命产生重大影响。例如电阻温度检测器和热敏电阻可以随温度改变其电阻。精确度不高的简单应用可以使用分压器,但是高精度系统需要电流源,这需要更多的电量。对于许多应用来说,诸如TI LM35DZ的集成温度传感器是一个很好的解决方案:该设备在室温下精确到±0.25°C,仅消耗60μA。不论选择哪种传感器,都需保证只有在使用它们时才能获取电力。

用于物联网的电池技术

电池选择存在一个问题,许多电池的规格非常有限。除物理尺寸和输出电压之外,通常唯一指定的其他参数就是容量。电池容量显然非常关键,因为它决定了物联网设备可用的总电量。

电池质量对容量有重大影响。简单设定某一型号有可能冒着购入低容量便宜设备的风险。这又会缩短物联网应用的电池寿命,并带来昂贵的电池更换费用。也可能使用了不同化学物质构成的电池:而不同的化学成分会对电池寿命产生巨大的影响。

许多电池随附的简要数据表很容易让人轻信电池是非常简单的设备,电池的容量也是固定的,但事实并不如此。例如,如果负载需要更大电流,则寿命会显著缩短。更重要的是,对于某些应用来说随着温度的下降,电池的容量也会大大缩小。

物联网应用使用脉冲电流。处理器和传感器可以抽取几毫安的短脉冲电流,然后切换到低功耗模式并维持很长时间。使用脉冲电流会导致输出电压下降。图3显示即使2mA的脉冲负载也会使CR2032的输出从3V下降到2.2V左右。

物联网应用中的电池寿命计算

工程师们往往更重视电池的电量存储,而忽视其消耗。然而,物联网应用通常需要以单个电池运行多年,因此保质期非常关键。大部分电池只提供七至八年的保质期。

结论:最大限度延长电池寿命

开发由电池供电的物联网设备需要严谨的工程设计。虽然组件选择很重要,但是糟糕的设计会削弱低功耗处理器的优势。延长电池寿命的关键是确保处理器尽可能地处于低功耗待机模式,并尽可能减少使用无线通信。

在这一背景下,e络盟开发了一款计算器,帮助用户快速、轻松地预测物联网系统的电池寿命(图4)。用户只需输入其处理器、通信设备、传感器和电池的相关参数,以及软件操作的关键细节,该计算器就能预测出物联网设备的电池寿命。

物联网应用中的电池寿命计算

关于e络盟

e络盟是Premier Farnell 旗下系列业务之一。Premier Farnell是全球技术领导者,致力于科技产品和电子系统设计、生产、维护与维修解决方案的高质量服务分销已逾80年。作为 ‘电子与开发服务分销商’,Premier Farnell凭借其深厚的业界经验向电子爱好者、设计工程师、维修工程师和采购人员等广泛客户群提供强有力支持,同时与全球领先品牌和初创企业积极展开合作共同研发全新产品并推向市场。公司还全力协助推动行业的发展以期培养出一批优秀的当代和下一代工程师。

Premier Farnell隶属于安富利公司 (NYSE:AVT)旗下元件营运机构安富利电子元件(Avnet Electronics Marketing)。Premier Farnell在欧洲经营 Farnell element14 品牌,北美经营 Newark element14品牌,在亚太地区经营element14品牌。它拥有一个涵盖3,500多家供应商的全球性供应链,其广泛产品库存可以预测并满足各地区创新客户的需求。

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在物联网风潮的驱动下,恒温器已朝向联网与智慧化发展。微控制器(MCU)开发商遂推出低功耗,且具备段式LCD显示控制与Wi-Fi/蓝牙/ZigBee无线连结支援能力,以及256位元AES先进加密功能的新方案,助力智慧型恒温器应用发展。

目前,市场上涌现出越来越多的物联网(IoT)恒温器产品。本文阐述如何使用微控制器(MCU)打造IoT恒温器,并以爱特梅尔(Atmel)SMART SAM L22 MCU为例,同时也介绍此MCU作为段式液晶显示器(LCD)控制器平台实现恒温器应用的功能。该MCU内置一个主频32MHz的ARM Cortex-M0+处理器,拓展该公司现有的低功耗MCU系列。它专为本文描述的恒温器等人机介面(HMI)应用而设计,内置一个支持上至三百二十段的段式显示控制器、一个用于实现按键、滑块和滚轮的外接周边设备触摸控制器(PTC)以及USB、Timer、SERCOM等可配置为USART、SPI和I2C介面的其他众多外接的周边设备。 低功耗/通讯/安全性 IoT恒温器必备功能

IoT应用强调万物联网,因此IoT恒温器也须具备联网通讯功能,此外为因应设备功能与资料传输增多,其亦须符合低功耗、安全性和简易使用的人机介面等特性。

低功耗

与其他很多IoT应用一样,功耗是IoT恒温器的重要考虑因素。IoT应用通常是电池供电型,或者用户希望它们比之前型号在提供更多功能的同时,减少电量消耗。 SAM L22 MCU专为低功耗应用而设计。使用快闪记忆体进行EEMBC Coremark测试时,其工作模式下的功耗低于39μA/MHz,待机模式下的功耗仅为1.87μA(RTC处于工作状态时)。 此MCU之所以能实现上述低功耗,凭藉的是其独特设计和众多特性。例如功率级特性让其能为具体任务选择正确的性能。控制器能将内核电压从1.2伏特(V)迅速切换到0.9V。降低内核电压可大幅降低总功耗,因为中央处理器(CPU)的功耗随着频率和电压的升高而增加。当内核电压为0.9V时,CPU的最大频率为12MHz;而当内核电压为1.2V时,CPU的最大频率为32MHz。例如当内核电压为0.9V,频率为12MHz时,该MCU计算一次斐波那契数列须消耗28μA/MHz;当内核电压为1.2V,频率为32MHz时,同样计算却须消耗37μA/MHz。

除了一个低压差稳压器(LDO)之外,该款MCU还内置一个降压转换器。此前的功耗是采用降压转换器和3.3V电压测量。在此电压下,降压转换器的工作效率最高。这比LDO的效率高出很多,能实现低功耗。

此MCU的另一个优势是直接记忆体存取(DMA)和事件系统(Event System),它们能在无需CPU参与的情况下,实现资料通讯和控制外接的周边设备。各个外接的周边设备在独立执行任务或相互控制时,Cortex-M0+处理器可进入睡眠状态。

这款MCU的模拟功能也是专为此类低功耗应用而设计的。12位1MSPS类比数位转换器(ADC)可在10Ksps和单端模式下测量温度感测器,仅需60μA用于模数转换。

通讯

其次,IoT应用须通过射频(RF)与互联网、智慧手机、感测器、致动器或其他IoT设备通讯。此MCU提供多个输入/输出(I/O)介面,用于连接各种RF模组和其他外接的周边设备。它最多可配备六个片上SERCOM外接的周边设备,足够用于将更多元件连接至恒温器。每个SERCOM外接的周边设备可被配置为USART、UART、SPI或I2C。Atmel SmartConnect WINC3400 Wi-Fi/蓝牙组合解决方案或面向ZigBee设备的SAM R21都可以通过I2C或SPI连接该款MCU。内置USB可用于实现其他有线通讯。该USB是一个无石英的全速USB设备,这意味着无需精准的外部振荡器,从而降低应用的物料成本(BOM)。

安全性

所有IoT应用都必须有重要元件:安全性。为了实现安全的通讯,该款MCU配有一个256位元的先进加密标准(AES)外接的周边设备。它可以在不增加软体开支的情况下进行加密和解密。此外,它还支援多种模式,如密码段连结模式(Cipher Block Chaining)、伽罗瓦计数器模式(Galois Counter Mode)等等。

AES外接的周边设备内置抗差分功耗分析攻击(Differential Power Analysis Attacks)措施。通过差分功耗分析,攻击者能得知控制器的功耗,并利用这些资料探测出加解密金钥。

通过采用这种方法,AES外接的周边设备能随机增加加解密运算的周期,加大攻击者探测出金钥的难度。此MCU还内置一个真乱数产生器(TRNG)外接的周边设备,它能生成真乱数的所有八十四个周期。这个数对于加密至关重要,因为真乱数不能被预测,因此也不能通过数学方法被计算出来。乱数可用于通过IP网路进行身份验证。

加密金钥可保存在备份区暂存器、快闪记忆体或静态随机存取记忆体(SRAM)中。为了提高安全性,此MCU内置一个防篡改单元,它能检测出是否有人试图打开恒温器。防篡改引脚与恒温器的外壳相连。当攻击者通过机械方式打开恒温器的外壳时,防篡改线将断裂,从而检测到篡改攻击。

在这种情况下,防篡改单元将发起“事件”,内核则执行相应的软体功能,删除SRAM、串列电子抹除式可复写唯读记忆体(EEPROM)、快闪记忆体或其他外部记忆体中的加密金钥或其他资料。

为进一步增强安全性,该MCU还内置活动层防护(Active Layer Protection)功能。

讯号通过印刷电路板(PCB)/外壳发送到防篡改输入埠。程式将对该输入讯号与输出讯号进行对比,如果不匹配,则检测到篡改。如果攻击者在PCB上钻孔,并剪断PCB上的防篡改线,该功能也将检测到篡改,并发起“事件”。

人机介面

同样重要的是,IoT应用需有人机介面(HMI)或使用者介面。该IoT恒温器功能由最终用户通过智慧手机控制。但它须提供一个手动更改和监测温度的选项,因为智慧手机有可能发生故障或者丢失。

在这种情况下,内置的段式LCD显示器可向使用者显示温度和其他资讯。段式LCD控制器最多可控制三百二十个段,而且能从五十二个LCD I/O引脚中选择四十八个LCD引脚。设计人员还可选择未使用的LCD引脚,用于实现SERCOM等协助工具或模拟功能。

此外,SLCD控制器还支持各种用于降低功耗的功能。例如可通过DMA将资料从SRAM/快闪记忆体发送到显示器缓冲区。

硬体特征映射、自动位元映射(ABM)和闪烁(Blinking)功能能以极低的功耗改变段式LCD上显示的内容。这种改变无需大功率内核。很多恒温器在它们的显示器上显示当前时间。闪烁功能用于显示秒,同时也是段式LCD控制器的一个硬体功能。

除了能通过无线区域网路(WLAN)或蓝牙远端更改设置或温度之外,使用者还能在恒温器上执行这些任务。此MCU支援Atmel QTouch技术,其中包括采用互电容触控技术和自电容触控技术的按键、滑块和滚轮。该款MCU可为此类应用提供足够多的触控通道。借助Atmel技术,触控按键直接整合到段式LCD的铟锡氧化物(ITO)层上。触控输入可用于升降温度,或选择其他房间中的加热器或感测器。

智慧/触控控制 恒温器更聪明

该款恒温器藉由RF监测不同房间中的无线温度感测器,并控制其中的加热器。使用者可通过WLAN或低功耗蓝牙协议、家用网路或互联网,并使用智慧手机对其进行控制,或直接使用触控按键进行控制。

此MCU内置的ADC能测量恒温器周围的温度,其对来自温度感测器的外部数值进行数位化处理。内部温度感测器可用于控制外部数值,以便进行交叉核对。而MCU的内部温度感测器提供两点测量功能,精度为±1℃(0∼60℃)。

另一条ADC通道也可用于测量电池电压。欠压检测(BOD)功能可检测出较低的电压,并自动关闭系统,以防出现故障。

来源: 电子产品世界

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