低功耗Wi-Fi传感器网是物联网的未来吗?

作者:Narayanan Raman

众所周知,物联网的一大成功在于大量设备可以通过互联网连接到全世界各个地方。我们可以确定,无线通信将成为物联网重要支撑。不过问题在于,哪种技术才是最合适选择?选择种类可谓多种多样,且每一种都为物联网应用程序创建连接提供了不同方法。其中,当属Wi-Fi、蓝牙和蜂窝网络最为普及。

多种技术都为物联网应用程序创建连接提供了不同方法。其中,最为普遍的Wi-Fi、蓝牙和蜂窝网络可谓当下的三剑客。使用这三种技术要取决于应用程序、使用范围、数据吞吐量和电池寿命,甚至在必要的情况下,可以将这三种技术组合起来。

本文将集中对Wi-Fi进行探讨,剖析其如何成为智能/连接家居产品中最受欢迎的物联网技术。我们将看到不同的Wi-Fi应用程序在基于传感器网络中的使用,以及智能家居应用程序对Wi-Fi硅的要求。

低功耗Wi-Fi传感器网是物联网的未来吗?

从下图可以看出,Wi-Fi连接解决方案的身影可谓无处不在,预计到2021年,WiFi出货量将达到40亿。若单论物联网市场的应用,预计到2021年,WiFi出货量将达到5亿 (下图是低功率WiFi的市场出货量)。
低功耗Wi-Fi传感器网是物联网的未来吗?

使用低数据率、低功耗WiFi的主要领域是智能家居、可穿戴设备、医疗保健、商业和工业。其中,智能家居市场预计将占据最大份额。
低功耗Wi-Fi传感器网是物联网的未来吗?

智能家居和物联网

在智能家居应用中,Wi-Fi之所以能超越其他技术,独占鳌头,有以下几方面的原因:WiFi设置简单,获得了本地IP网络支持,具有网络管理工具优势,且人们对它的熟悉程度高。同时,与同类竞争产品相比,WiFi覆盖范围更大。

然而,传统上来说,Wi-Fi比其他技术功耗更大,因此,要确保物联网的实用性,必须采取措施确保Wi-Fi设计能节省功耗。

但对于物联网应用来说,WiFi硅的要求是什么呢?任何旨在满足物联网应用低功耗需求的硅IP,通常都具备以下特点:

• 物联网内核设计——低功耗指标
• 低模区和物料清单(BOM)——低成本方案
• 很容易集成至SoC中——灵活的分区和接口
• 鲁棒性能——达到或超过标准IEEE的要求
• 现场已证实的解决方案——通过Wi-Fi认证的互操作性和资格要求

智能家居的承诺——功耗将成为关键驱动因素

低功耗Wi-Fi传感器网是物联网的未来吗?

智能家居设备(控制设备)可以分为三类(从功耗的角度分类)

设备类型 功耗灵敏度
插排供电设备 低功率灵敏度
可再充电设备 中等功率灵敏度
电池供电设备 高功率灵敏度

由于电池驱动的设备具有高功率灵敏度,所以,Wi-Fi可能并非是明智之选。因此,为深入了解Wi-Fi的功耗,可以通过分析控制器和控制设备之间不同的信息交换,更深入地获悉不同的功耗情况。

下图采用了三种不同的使用场景:恒温器、烟雾报警器和智能门锁。

在这三种情况下,控制设备需要交换:
· 初始化/身份验证消息——电源接通时一次性的消息交换。
· “保持连接”的消息(k)——每30秒发送一次消息,以保持连接。

如果为节电而进行配置,则被控制的设备将有大部分时间处于“连接备用”状态。

· 设备将被定期唤醒(即延迟传输指示消息 DTIM ,接收信号)
· 设备只接收信号,再返回休眠状态。

低功耗Wi-Fi传感器网是物联网的未来吗?

处于激活状态的消息可能是另一种类型:
1.定期数据传输——恒温器每60分钟发送一次温度记录。
2.事件触发数据传输——烟雾报警器检测烟雾或火灾,并发出警报。
3.智能门锁——智能手机(控制器)通过应用程序发送命令来给门上锁/解锁。
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这些消息传送的流程图如下所示。
低功耗Wi-Fi传感器网是物联网的未来吗?

为保持最低功耗,延长电池使用寿命,不仅要优化功耗的传输和接收,还要优化连接备用功率(包括启动和睡眠状态下的功耗)。

一般而言,现有WiFi内核设计可以快速传输和接收大量的数据,但并未进行优化,以使功耗保持最低,从而延长电池供电设备的使用寿命。而这却是物联网应用所需的。相比之下,Imagination的Whisper无线通信内核已进行了此类优化,可以满足物联网的需求。

Whisper内核中有一些设计选项,如下:
· 以功率为中心的射频设计,交易噪音及降低传输功率,以达到低功耗目的;
· 降低物理层的时钟频率,降低数据路径的位宽,以此减少动态及漏电损耗。
· 通过轻薄、完整及完全嵌入的MAC模型,可以进行灵活的软件分区。

低功耗Wi-Fi传感器网是物联网的未来吗?

Whisper无线处理单元和功耗标准

Whisper在两个场景中的功耗如下图所示:
· 1.发送事件——烟雾报警器每天传送一次烟雾传感器的状态
· 2.接收事件——智能门锁每天接收一次锁门或解锁的命令

低功耗Wi-Fi传感器网是物联网的未来吗?

更多有关Whisper架构及其独特低功耗设计的资讯,请参照 先前发布的文章

总结

总而言之,我们认为,物联网应用将广泛采用Wi-Fi,而低功耗是主要驱动因素。然而,将现有的WiFi内核进行再利用并不是理想解决方案。Imagination的Ensigma无线通信内核为物联网提供了一个完整的端到端且低功耗的服务,接收功耗不过其他同类解决方案的一半。它提供了轻薄、完整且完全嵌入的MAC选项,并提供了硬体聚集的选项来简化集成。Ensigm针对物联网的Wi-Fi解决方案则进行了合规验证,且经实验验证具有充分的互操作性,这样就可以满足客户的需求,并使客户信心满满,大步迈向市场。

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原文链接:
https://www.imgtec.com/blog/how-low-powered-wi-fi-sensors-are-the-future...

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