讓Wi-Fi實現真正的低功耗 Dialog進軍家用電池聯網產品

　　王?瑩?（《電子產品世界》編輯）

　　市面上已有不少種類的物聯網方案，例如藍牙、NB-IoT、ZigBee、4G、5G、Wi-Fi等，每種連接技術都會找到自己的位置?？蛻?、消費者選擇它們時主要考慮幾個因素：①性價比，②由整個大環(huán)境來決定，因為基礎設施的布設對于應用的影響也很大。

　　Wi-Fi已有20多年的發(fā)展歷史，優(yōu)點是已經普及到家庭生活中，相比其他無線連接的布局更加廣泛。但是自從Wi-Fi技術出來之后，陸陸續(xù)續(xù)地，一些新的聯網技術也出現了，例如低功耗藍牙（BLE）、ZigBee等。為什么Wi-Fi無法完全覆蓋所有的應用？因為Wi-Fi本身最致命的弱點是功耗較高。

　　Wi-Fi剛出現的時候，很多產品不是電池供電的，但現在很多產品需要電池供電，而且永遠在線，這時很難用Wi-Fi，所以通常用ZigBee或藍牙等其他技術方案來代替。但是這樣的代替也有問題，例如在大數據傳輸的時候要花費不少時間，連接需要通過網關等。

　　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，例如信號的發(fā)射強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，美國一家公司做出來了一款低功耗的Wi-Fi芯片，后來那家公司不見了（注：可能是合并了），因為它的整個成本差不多是普通Wi-Fi的7~10倍。所以一款芯片盡管性能優(yōu)異，但如果滿足不了市場能承受的成本，也很難生存。③易于開發(fā)應用，以縮短開發(fā)時間。很多應用例如智能門鎖，之前很少客戶用Wi-Fi，因此客戶面臨著Wi-Fi應用的困擾，需要小到從Wi-Fi的設計到智能門鎖的云平臺連接的解決方案，以縮短開發(fā)周期。

　　2 Wi-Fi低功耗的目標應用場景

　　如果把Wi-Fi的根本弱點解決掉了，真正的低功耗Wi-Fi芯片有望用于智能門鎖、家用攝像頭、溫控器、傳感器、智能手表和手環(huán)等應用中（圖1）。這些應用的特點是有的需要“保持聯網”，因為如果不需要保持聯網狀態(tài)，其實以前的Wi-Fi芯片也是可以用的，但是有些Wi-Fi攝像頭或者門鎖等有關安防的部分需要永遠在線；再一類應用場景是消費者認為花費幾秒的時間來聯網下載數據太麻煩。

圖1 保持聯網、電池供電的IoT設備

　　● 門鎖組裝的時候電線拉進來是很困難的，所以以前的智能門鎖大部分不會用到Wi-Fi，通常是用“BLE+AP（無線接入點）上的網關”，或者“ZigBee+網關”方式。如果用低功耗的Wi-Fi，智能門鎖聯網直接用家里的AP聯網就可以了。例如，三星的門鎖之前是用BLE來做聯網，后來用Dialog半導體公司的Wi-Fi芯片來聯網。

　　● Wi-Fi家用安防攝像頭。其使用場景是例如你在外面，想看看屋里或屋外的情況，你可以用手機聯網觀看；或者屋外有一些動靜，攝像頭里的感應器感應到了并拍攝，傳給用戶的手機或者云平臺。一大挑戰(zhàn)是視頻拍攝之后，大容量的數據要傳出去時必須要用寬頻的聯網工具，這時最好的方式就是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，功耗可以做到和藍牙很接近，按照使用30次/天來看，可以有3年以上的電池續(xù)航能力。

　　● 各種傳感器。在持續(xù)保持聯網的情況之下，還要用一些小的電池來運行，不用網關來跟AP連接。

　　● 智能手表和手環(huán)?，F在智能手表和手環(huán)的功能越來越復雜，要處理的數據量也越來越大，也經常需要系統(tǒng)升級，若用藍牙BLE，往往需要花費一定的時間來傳輸數據，但消費者的心態(tài)是什么都要快。

　　● 智能電子筆。電子筆寫字之后直接聯網，傳輸到云平臺，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的無線連接方案，現在可以用低功耗Wi-Fi來替換。

　　3 Dialog低功耗Wi-Fi芯片的應用效果

　　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半導體公司連接和音頻市場部市場營銷總監(jiān)崔南岫介紹了其突破性的性能改善。

Dialog半導體公司 連接和音頻市場部 市場營銷總監(jiān) 崔南岫

　　● 智能門鎖。除了聯網部分外，門鎖里的馬達等其他產品的功耗也很大。為了做智能門鎖的聯網，如果用一般的Wi-Fi，不到1個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：門鎖每天開關20次的情況之下，4個5號(AA)干電池可以用到1年以上的時間，Dialog測試的實際數據是能持續(xù)使用14個月。

　　● 安防監(jiān)控攝像頭。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7號(AAA)干電池，可實現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)布的新產品有兩類：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芯片的主要特點有3個：①在保持聯網的狀態(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，且不是一個單獨承擔射頻的芯片，里面還有CPU、Wi-Fi協(xié)議。③高安全性。

　　1）低功耗。DA16200是專門針對使用電池供電的產品而開發(fā)出來的。其專利技術叫VirtualZero?。

　　具體地，首先是睡眠的狀態(tài)有非常明顯的優(yōu)勢。在睡眠模式3“保持網絡的連接下”，也加載網絡證書和保持網絡在線，應用、AP和云平臺三方一直能保持連接。Wi-Fi的特點是如果沒有工作，沒有給AP一個信號“我是活著的”，會把它踢掉。但是DA16200解決方案里不會讓它踢出去，能一直保持在線的連接，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，還有其他的改進，例如射頻部分。

　　所以，Dialog稱，新的DA16200在發(fā)射/接收信號時，以及聯網狀態(tài)時，與競爭對手芯片的低功耗做到的程度差距很大。

　　2）完整性。Dialog的DA16200芯片另外一個特點是完全集成的Wi-Fi SoC芯片，里面有CPU、SRAM，而且完全滿足了Wi-Fi 的整個規(guī)范，包括射頻的靈敏度、傳輸的距離等，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。

　　3）安全性。實際上，很多物聯網設備在低功耗模式下更加容易受到攻擊，因為它關閉了一些重要模塊。DA16200在“睡眠模式3”的情況下會保持網絡連接、加載網絡證書，此時怎么保證安全性？崔南岫稱，此時盡管該芯片的加密系統(tǒng)是暫時不工作了，但是它會聽路由器是否有信息發(fā)送過來，保持一直在監(jiān)聽的狀態(tài)；如果路由器發(fā)信息過來，會再次用加密系統(tǒng)來加密，并通過路由器跟服務器通訊。

　　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來與Wi-Fi芯片協(xié)議結合，Dialog的芯片都可以支持。

　　此外，DA16200還有如下特點。

　　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，就沒有客戶想換了。不過，現在二者的差距不是很大，DA16200比“網關+BLE”的成本便宜很多。

　　6）兼容性。Wi-Fi的另一個困擾點是市面上有很多種類的路由器，有些Wi-Fi和路由器不太匹配，功耗上也有變大的，而Dialog與眾多種類的路由器做過測試，一些是客戶要求測的，一些是Dialog內部累積下來的know-how（訣竅），所以Dialog在幾百種路由器上測試過。

　　7）易于開發(fā)。Dialog為客戶提供整套參考設計，就像以前MTK做了整套手機方案給客戶一樣，之前沒有做過手機的公司可以不用很費力也能快速做出來。

　　Dialog希望采取這種方式來服務客戶，因此把很多典型的應用產品的整個解決方案提供給客戶。例如智能門鎖、攝像頭或者各類傳感器，Dialog都直接給出整套的解決方案；但對于智能手表、手環(huán)等復雜系統(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集成的產品（圖4）。

　　關于“Wi-Fi +BLE”的組合模塊，什么場合既用Wi-Fi又用BLE？最常見的應用是，消費者買來一件產品之后，最先要做的是組網。組網時單獨用Wi-Fi也可以，但是一些消費者也許對Wi-Fi的組網不太熟悉，而熟悉通過BLE與手機連接、直接組網。

　　另外，Wi-Fi本身的功用與藍牙有一些差別：BLE的功耗極低，但所傳輸的數據量小，在傳輸大量數據時，要花很長時間等待；傳輸的距離也較近。所以針對某些應用，這兩種用途的芯片可以組合在一起。

　　實際上，這兩款芯片在一起用的時候，還有技術上的門檻，相當于是2個RF共存，實現硬件和軟件上的兼容有一定的門檻。但是該組合模塊已經解決了這個問題。

　　6 未來規(guī)劃

　　Wi-Fi低功耗是大勢所趨，Dialog正在準備第三代、第四代的芯片。目標簡單明了：低功耗，不犧牲任何Wi-Fi的性能，低成本。

　　Dialog現在是2個芯片合在一起的模塊形式來為市場提供“Wi-Fi+BLE”整套方案，但是下一代的產品會有二合一的SoC芯片計劃。

　　2020年已出爐了Wi-Fi 6規(guī)范，但Dialog稱兩三年內，新的規(guī)范廣泛地用到市場上的可能性不大，因為這是整個應用環(huán)境的問題（為了滿足到新的規(guī)范，每個家庭里的路由器或連接到的云平臺等都要更新，成本較高），所以Dialog會慢慢一步步跟著市場的真正需求來推出產品。

（注：本文來源于科技期刊《電子產品世界》2020年第06期第18頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。）