让Wi-Fi实现真正的低功耗 Dialog进军家用电池联网产品

　　王 莹 （《电子产品世界》编辑）

　　市面上已有不少种类的物联网方案，例如蓝牙、NB-IoT、ZigBee、4G、5G、Wi-Fi等，每种连接技术都会找到自己的位置。客户、消费者选择它们时主要考虑几个因素：①性价比，②由整个大环境来决定，因为基础设施的布设对于应用的影响也很大。

　　Wi-Fi已有20多年的发展历史，优点是已经普及到家庭生活中，相比其他无线连接的布局更加广泛。但是自从Wi-Fi技术出来之后，陆陆续续地，一些新的联网技术也出现了，例如低功耗蓝牙（BLE）、ZigBee等。为什么Wi-Fi无法完全覆盖所有的应用？因为Wi-Fi本身最致命的弱点是功耗较高。

　　Wi-Fi刚出现的时候，很多产品不是电池供电的，但现在很多产品需要电池供电，而且永远在线，这时很难用Wi-Fi，所以通常用ZigBee或蓝牙等其他技术方案来代替。但是这样的代替也有问题，例如在大数据传输的时候要花费不少时间，连接需要通过网关等。

　　1 何为Wi-Fi真正的低功耗

　　很多公司推出了所谓的低功耗Wi-Fi，但不是真正的低功耗。①有的牺牲了Wi-Fi的一些功能或者规范，例如信号的发射强度或接收的范围缩小等，使得它的功耗比较低了。②成本也要合理。2017—2018年期间，美国一家公司做出来了一款低功耗的Wi-Fi芯片，后来那家公司不见了（注：可能是合并了），因为它的整个成本差不多是普通Wi-Fi的7~10倍。所以一款芯片尽管性能优异，但如果满足不了市场能承受的成本，也很难生存。③易于开发应用，以缩短开发时间。很多应用例如智能门锁，之前很少客户用Wi-Fi，因此客户面临着Wi-Fi应用的困扰，需要小到从Wi-Fi的设计到智能门锁的云平台连接的解决方案，以缩短开发周期。

　　2 Wi-Fi低功耗的目标应用场景

　　如果把Wi-Fi的根本弱点解决掉了，真正的低功耗Wi-Fi芯片有望用于智能门锁、家用摄像头、温控器、传感器、智能手表和手环等应用中（图1）。这些应用的特点是有的需要“保持联网”，因为如果不需要保持联网状态，其实以前的Wi-Fi芯片也是可以用的，但是有些Wi-Fi摄像头或者门锁等有关安防的部分需要永远在线；再一类应用场景是消费者认为花费几秒的时间来联网下载数据太麻烦。

图1 保持联网、电池供电的IoT设备

　　● 门锁组装的时候电线拉进来是很困难的，所以以前的智能门锁大部分不会用到Wi-Fi，通常是用“BLE+AP（无线接入点）上的网关”，或者“ZigBee+网关”方式。如果用低功耗的Wi-Fi，智能门锁联网直接用家里的AP联网就可以了。例如，三星的门锁之前是用BLE来做联网，后来用Dialog半导体公司的Wi-Fi芯片来联网。

　　● Wi-Fi家用安防摄像头。其使用场景是例如你在外面，想看看屋里或屋外的情况，你可以用手机联网观看；或者屋外有一些动静，摄像头里的感应器感应到了并拍摄，传给用户的手机或者云平台。一大挑战是视频拍摄之后，大容量的数据要传出去时必须要用宽频的联网工具，这时最好的方式就是Wi-Fi。所以以前Wi-Fi摄像头的充电电池的容量很大，或者经常要充电或更换电池。

　　● 温控器，或家用、办公室用的温度控制系统。如果用低功耗Wi-Fi，功耗可以做到和蓝牙很接近，按照使用30次/天来看，可以有3年以上的电池续航能力。

　　● 各种传感器。在持续保持联网的情况之下，还要用一些小的电池来运行，不用网关来跟AP连接。

　　● 智能手表和手环。现在智能手表和手环的功能越来越复杂，要处理的数据量也越来越大，也经常需要系统升级，若用蓝牙BLE，往往需要花费一定的时间来传输数据，但消费者的心态是什么都要快。

　　● 智能电子笔。电子笔写字之后直接联网，传输到云平台，可以广泛用到教育、金融、媒体等行业。智能电子笔上通常放4G模块或BLE的无线连接方案，现在可以用低功耗Wi-Fi来替换。

　　3 Dialog低功耗Wi-Fi芯片的应用效果

　　2020年5月，Dialog在业界率先推出真正的低功耗Wi-Fi芯片——DA16200及模块，Dialog半导体公司连接和音频市场部市场营销总监崔南岫介绍了其突破性的性能改善。

Dialog半导体公司 连接和音频市场部 市场营销总监 崔南岫

　　● 智能门锁。除了联网部分外，门锁里的马达等其他产品的功耗也很大。为了做智能门锁的联网，如果用一般的Wi-Fi，不到1个月就需要换电池或者做其他的操作。如果用了Dialog的DA16200解决方案：门锁每天开关20次的情况之下，4个5号(AA)干电池可以用到1年以上的时间，Dialog测试的实际数据是能持续使用14个月。

　　● 安防监控摄像头。如果10 MB的HD（高清）视频，在每天5次使用的情况下，4 000 mAh的电池可以持续用到1年以上的时间。

　　● 温控器。若一天使用30次，可以有3年以上的电池续航能力。

　　● 温/湿度传感器。使用1 440次/天，即每分钟采集1次，使用2个7号(AAA)干电池，可实现4年以上的电池续航能力。

　　4 DA16200超低功耗Wi-Fi芯片的性能分析

　　Dialog于2020年5月发布的新产品有两类：①超低功耗的Wi-Fi SoC芯片DA16200及模块，②Wi-Fi与BLE二合一的模块DA16600。其中芯片工艺是40 nm，8英寸晶圆。

　　DA16200芯片的主要特点有3个：①在保持联网的状态下，可以做到其他芯片做不到的低功耗。②完全符合Wi-Fi规范，且不是一个单独承担射频的芯片，里面还有CPU、Wi-Fi协议。③高安全性。

　　1）低功耗。DA16200是专门针对使用电池供电的产品而开发出来的。其专利技术叫VirtualZero™。

　　具体地，首先是睡眠的状态有非常明显的优势。在睡眠模式3“保持网络的连接下”，也加载网络证书和保持网络在线，应用、AP和云平台三方一直能保持连接。Wi-Fi的特点是如果没有工作，没有给AP一个信号“我是活着的”，会把它踢掉。但是DA16200解决方案里不会让它踢出去，能一直保持在线的连接，而且可以做到非常低的功耗（如图2）。

　　在低功耗方面，除了睡眠模式的改进，还有其他的改进，例如射频部分。

　　所以，Dialog称，新的DA16200在发射/接收信号时，以及联网状态时，与竞争对手芯片的低功耗做到的程度差距很大。

　　2）完整性。Dialog的DA16200芯片另外一个特点是完全集成的Wi-Fi SoC芯片，里面有CPU、SRAM，而且完全满足了Wi-Fi 的整个规范，包括射频的灵敏度、传输的距离等，甚至和市面上常规的Wi-Fi相比，Dialog的灵敏度和传输距离更有优势。

　　3）安全性。实际上，很多物联网设备在低功耗模式下更加容易受到攻击，因为它关闭了一些重要模块。DA16200在“睡眠模式3”的情况下会保持网络连接、加载网络证书，此时怎么保证安全性？崔南岫称，此时尽管该芯片的加密系统是暂时不工作了，但是它会听路由器是否有信息发送过来，保持一直在监听的状态；如果路由器发信息过来，会再次用加密系统来加密，并通过路由器跟服务器通讯。

　　值得一提的是，在加密方面，除了Wi-Fi规定的所有的安全措施部分外，在DA16200还有加密引擎；另外，有些厂商直接做了一些证书来与Wi-Fi芯片协议结合，Dialog的芯片都可以支持。

　　此外，DA16200还有如下特点。

　　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；处理器方面，上一代是Arm Cortext-M0，第二代用了Arm Cortext-M4F；芯片的尺寸也变小了，以前是7 mmx7 mm，现在的芯片QFN封装是6 mmx6 mm（图3），fcCSP封装的是3.8 mmx3.8 mm。

　　5）低成本

　　BLE芯片通常很便宜，不到1美元。如果为了要换成Wi-Fi，需要5、6倍的成本的话，就没有客户想换了。不过，现在二者的差距不是很大，DA16200比“网关+BLE”的成本便宜很多。

　　6）兼容性。Wi-Fi的另一个困扰点是市面上有很多种类的路由器，有些Wi-Fi和路由器不太匹配，功耗上也有变大的，而Dialog与众多种类的路由器做过测试，一些是客户要求测的，一些是Dialog内部累积下来的know-how（诀窍），所以Dialog在几百种路由器上测试过。

　　7）易于开发。Dialog为客户提供整套参考设计，就像以前MTK做了整套手机方案给客户一样，之前没有做过手机的公司可以不用很费力也能快速做出来。

　　Dialog希望采取这种方式来服务客户，因此把很多典型的应用产品的整个解决方案提供给客户。例如智能门锁、摄像头或者各类传感器，Dialog都直接给出整套的解决方案；但对于智能手表、手环等复杂系统，Dialog只提供Wi-Fi部分的解决方案。

　　5 “Wi-Fi +BLE”模块

　　除了芯片外，Dialog还做了模块。其中，①超低功耗的Wi-Fi模块DA16200，基于DA16200芯片。②低功耗Wi-Fi与BLE二合一的模块DA16600，是DA16200芯片与Dialog的BLE芯片DA14531集成的产品（图4）。

　　关于“Wi-Fi +BLE”的组合模块，什么场合既用Wi-Fi又用BLE？最常见的应用是，消费者买来一件产品之后，最先要做的是组网。组网时单独用Wi-Fi也可以，但是一些消费者也许对Wi-Fi的组网不太熟悉，而熟悉通过BLE与手机连接、直接组网。

　　另外，Wi-Fi本身的功用与蓝牙有一些差别：BLE的功耗极低，但所传输的数据量小，在传输大量数据时，要花很长时间等待；传输的距离也较近。所以针对某些应用，这两种用途的芯片可以组合在一起。

　　实际上，这两款芯片在一起用的时候，还有技术上的门槛，相当于是2个RF共存，实现硬件和软件上的兼容有一定的门槛。但是该组合模块已经解决了这个问题。

　　6 未来规划

　　Wi-Fi低功耗是大势所趋，Dialog正在准备第三代、第四代的芯片。目标简单明了：低功耗，不牺牲任何Wi-Fi的性能，低成本。

　　Dialog现在是2个芯片合在一起的模块形式来为市场提供“Wi-Fi+BLE”整套方案，但是下一代的产品会有二合一的SoC芯片计划。

　　2020年已出炉了Wi-Fi 6规范，但Dialog称两三年内，新的规范广泛地用到市场上的可能性不大，因为这是整个应用环境的问题（为了满足到新的规范，每个家庭里的路由器或连接到的云平台等都要更新，成本较高），所以Dialog会慢慢一步步跟着市场的真正需求来推出产品。

（注：本文来源于科技期刊《电子产品世界》2020年第06期第18页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。）