說起物聯(lián)網(wǎng)的起源，就必須聊聊一只名為“特洛伊”的咖啡壺。

1991年，劍橋大學(xué)特洛伊計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們?cè)诠ぷ鲿r(shí)，需要下兩層樓梯到樓下去看咖啡煮好了沒有，但常?？帐侄鴼w。為了解決這個(gè)麻煩，他們編寫了一套程序，并在咖啡壺旁邊安裝了一個(gè)便攜式攝像機(jī)，鏡頭對(duì)準(zhǔn)咖啡壺，利用計(jì)算機(jī)圖像捕捉技術(shù)，以3幀/秒的速率傳遞到實(shí)驗(yàn)室的計(jì)算機(jī)上，以方便實(shí)驗(yàn)室人員隨時(shí)查看咖啡是否煮好，省去上上下下的麻煩。這就是名噪一時(shí)的“咖啡壺”網(wǎng)站。

1993年，這套簡(jiǎn)單的本地“咖啡觀測(cè)”系統(tǒng)又經(jīng)過其他同事的更新迭代，以1幀/秒的速率通過實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)站連接到了互聯(lián)網(wǎng)上。令人意外的是，這只小小的咖啡壺引來了上百萬吃瓜群眾的圍觀，僅僅為了窺探“咖啡煮好了沒有”，全世界互聯(lián)網(wǎng)用戶蜂擁而至，近240萬人點(diǎn)擊。這個(gè)世界上最富盛名的“特洛伊咖啡壺”，可以說是物聯(lián)網(wǎng)的雛形。

后來，數(shù)以萬計(jì)的電子郵件涌入劍橋大學(xué)旅游辦公室，希望能有機(jī)會(huì)親眼看看這個(gè)神奇的咖啡壺。最具戲劇效果的是，這只通過網(wǎng)絡(luò)而聞名的“特洛伊”咖啡壺，最終也通過網(wǎng)絡(luò)找到了歸宿：2001年8月，特洛伊咖啡壺在eBay拍賣網(wǎng)站以7300美元的價(jià)格賣出!

從1991年至今，近三十年，時(shí)代飛速發(fā)展，科技日新月異。云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、邊緣計(jì)算、區(qū)塊鏈、5G，各種新興技術(shù)接踵而至；人們的實(shí)際生活場(chǎng)景中，“萬物互聯(lián)”讓我們應(yīng)接不暇。智慧家居為生活帶來前所未有的便利；可穿戴設(shè)備變得小巧又強(qiáng)大，24小時(shí)監(jiān)測(cè)身體健康數(shù)據(jù)；智慧城市的落地應(yīng)用，諸如智能燈桿、智能井蓋等在物聯(lián)網(wǎng)的賦能下，大幅提升城市管理效率；智能制造將顛覆傳統(tǒng)制造的生產(chǎn)模式，重構(gòu)生產(chǎn)流程、再造商業(yè)模式。

從“特洛伊”咖啡壺開始，日常用品和經(jīng)典產(chǎn)品之所以能夠智能化，是因?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)模塊的支撐。目前的物聯(lián)網(wǎng)仍然主要由運(yùn)營商推動(dòng)，物聯(lián)網(wǎng)模塊需要使用標(biāo)準(zhǔn)蜂窩協(xié)議與基站通訊。基站需要覆蓋盡可能大的面積，這就對(duì)物聯(lián)網(wǎng)模塊的射頻發(fā)射功率和遠(yuǎn)距離通訊能力有了很高的要求；另一方面，物聯(lián)網(wǎng)模塊在無線通訊時(shí)，需要消耗高達(dá)30mA的電流，工作狀態(tài)需要配合較高容量的電池（如五號(hào)電池），因而物聯(lián)網(wǎng)模組的尺寸很難做到小巧。

為了能進(jìn)一步普及物聯(lián)網(wǎng)，必須克服功耗及尺寸的掣肘；在通訊協(xié)議方面，需使用更低功耗的自組網(wǎng)技術(shù)，類似BLE、Lora等；而在芯片選型和電路實(shí)現(xiàn)方面，降低功耗是重中之重。

能 量 獲 取 技 術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備近一步進(jìn)入拓展應(yīng)用場(chǎng)景的瓶頸在于電池的供電能力和尺寸。有沒有可能使用從環(huán)境中獲得能量來支持物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)工作呢？這就是“能量獲取”（energy harvesting）芯片。

目前最成熟的能量獲取系統(tǒng)是太陽能電池。傳統(tǒng)太陽能電池具有較好的能量獲取效率，卻難以集成到CMOS芯片上。近期，很多研究機(jī)構(gòu)致力于研發(fā)新型CMOS太陽能電池，將物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的其他模塊集成到同一顆芯片上，提高芯片集成度并減小模組尺寸。

除太陽能電池外，另一個(gè)思路就是從廣為人知的環(huán)境能量 — WiFi信號(hào)入手。正式認(rèn)識(shí)一下WiFi信號(hào)：WiFi的最大發(fā)射功率是30dBm（即1W），在簡(jiǎn)單的環(huán)境里（即無遮擋環(huán)境），信號(hào)功率隨著與發(fā)射設(shè)備的距離平方衰減，在距離3m左右的距離信號(hào)功率就衰減到了1uW（-30dBm）左右；如果有物體遮擋則會(huì)導(dǎo)致功率更小。如果芯片配合直徑為1.5cm的天線，在非常低的無線信號(hào)功率（-33dBm即500nW）下，也能工作并給電池充電，能量獲取效率在5-10%左右（即在距離發(fā)射源3m的情況下輸出功率在50nW左右）。因此，WiFi信號(hào)也可以在較近距離用來給物聯(lián)網(wǎng)模組提供能量，而節(jié)點(diǎn)端需要對(duì)功耗做深度優(yōu)化。

此外，機(jī)械能也可以作為物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的能量獲取來源。壓電效應(yīng)可以把機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，從而使用壓電材料（例如壓電MEMS）就能為物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)充電。使用壓電材料做能量源的典型應(yīng)用包括各種智能城市和工業(yè)應(yīng)用，例如當(dāng)有車壓過減速帶的時(shí)候，減速帶下的物聯(lián)網(wǎng)傳感器上的壓電材料可以利用車輛壓力的機(jī)械能給傳感器充電并喚醒傳感器，從而實(shí)現(xiàn)車輛數(shù)量統(tǒng)計(jì)等。

喚 醒 式 無 線 系 統(tǒng)

傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)無線收發(fā)系統(tǒng)使用的往往是周期性通訊或主動(dòng)事件驅(qū)動(dòng)通訊的方案。周期性通訊指的是物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)定期打開與中心節(jié)點(diǎn)通訊，并在其他時(shí)間休眠；事件驅(qū)動(dòng)通訊則是指物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)僅僅在傳感器監(jiān)測(cè)到特定事件時(shí)才與中心節(jié)點(diǎn)通訊，而其它時(shí)候都休眠。

在這兩種模式中，都需要物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)主動(dòng)與中心節(jié)點(diǎn)建立連接并通訊。然而，連接的過程非常消耗能量。因此，喚醒式無線系統(tǒng)的概念就應(yīng)運(yùn)而生。什么是喚醒式無線系統(tǒng)？就是系統(tǒng)在大多數(shù)情況休眠，僅當(dāng)主節(jié)點(diǎn)發(fā)射特定信號(hào)時(shí)才會(huì)喚醒無線系統(tǒng)。換句話說，連接的建立由中心節(jié)點(diǎn)發(fā)送喚醒信號(hào)完成，而非物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。

超 低 功 耗 傳 感?器

物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)最必不可少的功能就是傳感，超低功耗傳感器是功耗敏感設(shè)備的必需必要。目前，溫度、光照傳感器在經(jīng)過深度優(yōu)化后已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)nW-uW數(shù)量級(jí)的功耗，而在智能音響中得到廣泛應(yīng)用的聲音傳感器往往要消耗mW數(shù)量級(jí)甚至更高的功耗，很多科研機(jī)構(gòu)將此列為突破重點(diǎn)。

在聲音傳感器領(lǐng)域，最近的突破來自于壓電MEMS。傳統(tǒng)麥克風(fēng)讓整個(gè)系統(tǒng)（包括后端ADC和DSP）一直處于活動(dòng)待機(jī)狀態(tài)，以避免錯(cuò)過任何有用的聲音信號(hào)，造成近mW數(shù)量級(jí)的平均功耗。但在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中，這樣的系統(tǒng)造成很大的能量浪費(fèi)。解決方式是采用壓電MEMS來避免能量浪費(fèi)：當(dāng)沒有聲音信號(hào)時(shí)，壓電MEMS系統(tǒng)處于休眠狀態(tài)，僅僅前端壓電MEMS麥克風(fēng)在待命，而后端的ADC、DSP都處于休眠狀態(tài)，整體功耗在uW數(shù)量級(jí)。一旦有聲音信號(hào)出現(xiàn)并被壓電MEMS檢測(cè)到，則壓電MEMS麥克風(fēng)可以輸出喚醒信號(hào)將后面的ADC和DSP喚醒。這樣，在常規(guī)應(yīng)用場(chǎng)景下，整體聲音傳感器的平均功耗可以控制在uW數(shù)量級(jí)。

超 低 功 耗 微 控 制?器

微控制器是物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)端的靈魂，也是耗能大戶。那么，有一個(gè)“靈魂拷問”，如何降低微控制器的功耗？

MCU功耗一般分為靜態(tài)漏電和動(dòng)態(tài)功耗兩部分。為了減小靜態(tài)漏電，我們可以減小電源電壓，使用低漏電的標(biāo)準(zhǔn)單元設(shè)計(jì)。針對(duì)動(dòng)態(tài)功耗，可以通過減小電源電壓或者降低時(shí)鐘頻率達(dá)到降低功耗的目的。由此可見，降低電源電壓可以同時(shí)降低靜態(tài)漏電和動(dòng)態(tài)功耗，因此能將電源電壓降低的亞閾值電路設(shè)計(jì)就成了超低功耗MCU設(shè)計(jì)的必由之路。

基于arm內(nèi)核的很多微控制器都具備超低功耗特性，為泛在化的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)端應(yīng)用鋪平道路。