蔣宇

（無錫市新吳區(qū)人民政府，江蘇無錫214135）

典型處理芯片在物聯(lián)網(wǎng)應用中的價值分析

蔣宇

（無錫市新吳區(qū)人民政府，江蘇無錫214135）

物聯(lián)網(wǎng)的應用價值不言而喻，作為推動物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的根基技術(shù)——物聯(lián)網(wǎng)芯片的發(fā)展速度和穩(wěn)健程度，直接關系著我國物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的當前價值和后續(xù)動力。就典型處理芯片在物聯(lián)網(wǎng)應用中的價值體現(xiàn)問題展開研究，針對目前我國物聯(lián)網(wǎng)芯片發(fā)展中存在的自主產(chǎn)權(quán)和創(chuàng)新性問題，給出政策與創(chuàng)新的“組合拳”建議，通過分類分析目前主流物聯(lián)網(wǎng)芯片及其系統(tǒng)的功能、特征、應用價值和發(fā)展?jié)摿?，展望物?lián)網(wǎng)芯片發(fā)展的機遇。

物聯(lián)網(wǎng)；芯片；創(chuàng)新；應用價值

1 引言

隨著技術(shù)、需求的不斷更新，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展也日漸呈現(xiàn)出豐富性和專業(yè)化。在價值層面上，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展體現(xiàn)在其在應用領域的深入拓展，給應用者和社會帶來更高的使用價值；在應用層面上，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展則體現(xiàn)在各種核心技術(shù)、配套工藝的不斷進步，給設計者在思維上獲得更大的想象與發(fā)揮空間；在技術(shù)層面上，這種發(fā)展則體現(xiàn)在核心芯片的逐漸自主化和功能擴展?？梢姡锫?lián)網(wǎng)技術(shù)始終延續(xù)著“價值”驅(qū)動“應用”、“應用”驅(qū)動“技術(shù)”、“技術(shù)”驅(qū)動“核心芯片”的演化規(guī)律，典型的處理芯片在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的過程中始終扮演著中流砥柱的作用。

本文就典型處理芯片在物聯(lián)網(wǎng)應用中的價值體現(xiàn)問題展開研究，包含對當前發(fā)展現(xiàn)狀及其問題的剖析，對目前主流物聯(lián)網(wǎng)芯片功能、特征和應用進行分析對比，最后展望物聯(lián)網(wǎng)芯片發(fā)展的機遇。

2 物聯(lián)網(wǎng)芯片的現(xiàn)狀與問題

客觀上講，目前芯片市場從來都不缺乏冠名為“物聯(lián)網(wǎng)芯片”的產(chǎn)品，一方面包含傳統(tǒng)芯片廠商的代表產(chǎn)品，如英特爾、高通、TI等；另一方面，手機企業(yè)也開始紛紛戰(zhàn)略布局物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)，開始進軍超摩爾發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)時代。但對于我國的芯片發(fā)展而言，目前依然存在幾個問題需要引起重視。

其一，國產(chǎn)芯片供不應求，很大程度上依賴進口。中國是世界上使用物聯(lián)網(wǎng)最多的國家，與之不相符的是，目前國內(nèi)芯片研發(fā)設計能力相對有限，國內(nèi)芯片至今仍大量依賴進口，國內(nèi)芯片設計制造難以跟上物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展勢頭。

其二，國內(nèi)芯片產(chǎn)業(yè)人才缺乏。工信部電信研究院2014版《物聯(lián)網(wǎng)白皮書》中指出，在物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈涉及的其他核心技術(shù)層面，特別是物聯(lián)網(wǎng)基礎芯片領域，我國依然沒有布局中國物聯(lián)網(wǎng)“獨特的發(fā)展方式”，也讓未來物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展可能在整體上提速減慢。

其三，技術(shù)的發(fā)展面臨創(chuàng)新乏力的尷尬。核心的芯片技術(shù)被國外巨頭掌握，國內(nèi)企業(yè)常常只能在“邊緣”領域進行配套。只有具備自主核心技術(shù)的“中國芯”才能真正具備國內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的核心動力。

在我國芯片產(chǎn)業(yè)存在差距的背景下，創(chuàng)新研發(fā)與政策支持一個都不能少，以此改變國內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展依賴芯片進口的現(xiàn)狀，從而實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的實質(zhì)價值與成果，真正由國內(nèi)芯片制造商和民眾所享用。近年，從國家到各省市，從地方到區(qū)域，各種物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展專項資金對外開放并切實支持眾多的具有自主產(chǎn)權(quán)且具有本地化應用價值的項目。總之，創(chuàng)新研發(fā)需要快馬加鞭，政策支持需要形成有效的“拳頭效應”，只有這樣，國內(nèi)的物聯(lián)網(wǎng)芯片市場才能有實質(zhì)發(fā)展。

3 典型的物聯(lián)網(wǎng)芯片與應用價值

物聯(lián)網(wǎng)芯片是從應用的角度來定義的，客觀上講，任何一款芯片都可以適用于包含物聯(lián)網(wǎng)在內(nèi)的多種應用場景，所謂的物聯(lián)網(wǎng)芯片應該僅是確定最適合的場景在物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)，而非唯一的場景。因此，鑒于物聯(lián)網(wǎng)應用與無線通信環(huán)節(jié)的緊密關系，論文將以是否包含射頻功能、是否為高位處理器作為區(qū)分依據(jù)對物聯(lián)網(wǎng)芯片加以區(qū)分，并給出經(jīng)典的應用案例，參見表1。

表1 物聯(lián)網(wǎng)芯片基本性能表

3.1 獨立處理芯片

這類處理芯片并沒有集成無線射頻模塊，在物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)設計中，通過外加射頻、電源、存儲等模塊，同樣可以提供多種類的物聯(lián)網(wǎng)應用。由于未將射頻功能增加在芯片中，因此通常這類芯片可以專心地將處理性能、通道接口、存儲空間等做大做強；另一方面，也可以根據(jù)應用場合和要求的不同，選擇一種甚至是多種射頻配套作為解決方案。換言之，功能減少了但應用場景可以更加靈活。

獨立處理芯片由于需要外加射頻等功能模塊，無疑會提高節(jié)點整體能量的消耗，因此低功耗是這類芯片作為物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點核心處理器的基本條件。以德州儀器公司的MSP430[1]系列、INTEL公司的C8051系列為代表，該類芯片特點就在于具有超低功耗，較低的供電電壓（1.8～3.6 V），以及基本滿足需求的閃存（4 kB）和RAM容量，ADC轉(zhuǎn)換能力，通常輔助以nRF905、 nRF24L[2]、I4432等無線收發(fā)芯片以解決無線信號收發(fā)功能，經(jīng)常被選用在以電池供電為能量供給的各類物聯(lián)網(wǎng)應用場合中。此外，STC12C5A[3]系列、AT89*系列和S3C2440等MCU芯片，由于具備高速、低功耗、超強抗干擾等特點，通過與CC1101[4]等模塊合作，特別適合于電機控制、強干擾場合使用。

3.2 射頻+處理芯片

這種技術(shù)集成了射頻和處理功能為一體的芯片，成就了物聯(lián)網(wǎng)芯片的核心技術(shù)。這類芯片通常以“小身材”見長，功能上雖然不能和獨立的處理芯片相媲美，但是相對于物聯(lián)網(wǎng)小數(shù)據(jù)量、低數(shù)據(jù)速率的應用要求而言已是綽綽有余。由于增加了射頻環(huán)節(jié)，無疑會增加芯片整體功耗，但通過結(jié)合低功耗技術(shù)，眾多含射頻功能的處理芯片已經(jīng)能實現(xiàn)＜25 mV的輸出功率，進行低功耗的遠距離通信。

這類處理芯片常常被作為物聯(lián)網(wǎng)芯片的代表，主要原因在于此類芯片兼具了核心的處理計算與無線信號收發(fā)功能，基本囊括了物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點除“感知”以外的所有特色功能，雖然在應用的靈活性上無法和功能分離性的元器件相比，但在體積、便捷性上有著明顯的優(yōu)勢。

該類芯片目前業(yè)界的代表為TI公司的CC2530[5]系列芯片，該類芯片也是傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)的經(jīng)典代表Mica解決方案的首選芯片，它可提供用于2.4 GHz的IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE應用的真正的片上系統(tǒng)（SoC）解決方案，能以非常低的總材料成本建立大規(guī)模網(wǎng)絡。由于其技術(shù)的延續(xù)性較好和廣泛的應用，該類芯片的應用案例和教程也較為豐富，便于開發(fā)者上手和操作。

恩智浦半導體(NXP)也推出了JN5168[6]芯片，采用了256 kB閃存、32 kB RAM和4 kB EEPROM，以及同類產(chǎn)品中最佳的低功耗睡眠模式。最近，意法半導體 (STM)[7]公布了其物聯(lián)網(wǎng) (IoT)射頻收發(fā)器芯片S2-LP，讓智能物聯(lián)網(wǎng)硬件具有極高的能效，可連續(xù)工作長達10年而無需更換電池。

TI公司在今年推出了業(yè)界功耗最低的雙頻無線微控制器，這款芯片可以在單芯片上支持sub-1 GHz和Bluetooth低功耗連通性。這款全新的SimpleLink雙頻CC1350無線MCU能夠幫助開發(fā)人員利用一個衛(wèi)星單芯片，取代以往的3芯片解決方案，同時降低設計的復雜度，節(jié)省功耗、成本和電路板空間。

3.3 高位處理器

基于功能要求和成本考慮，傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)多采用8/16位的片上處理系統(tǒng)。但隨著眾多智能功能的加入及其應用場景的錯綜復雜性，使得人們對于物聯(lián)網(wǎng)核心處理機的速度和性能也提出了更高的要求。從早期普遍的主流8/16位機逐漸向32位處理芯片傾斜。其實，無論是8位還是32位，基本的選片原則——“可用性與可擴展性”一直保持不變。

ATMEL公司的 AVR單片機 ATmega32[8]和ATmega8，以其運行速度快、性能高、功耗低、指令先進、接口豐富且價格低廉的特點，適用于許多要求具有低成本和高靈活性的場合。慶科、MARVELL、REALTEK和CYPRESS等多家IC芯片原廠聯(lián)合推出了一款內(nèi)置MiCO操作系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)芯片MOC系列，以不同的配套射頻加以區(qū)分，MOC100包含單Wi-Fi，MOC200則兼有Wi-Fi和藍牙的combo，可以打造真正意義上的場景化應用。

近年來，INTEL公司推出開放型整合芯片組Curie，可讓物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)者應用在穿戴式設備、游戲機等各種設備上。三星研發(fā)了開放型芯片組Artik，將功能對照尺寸進行區(qū)別使用，可用于相機或智能手表等小型高階設備；此外還推出了健康醫(yī)療用途的物聯(lián)網(wǎng)生物芯片組Bio_Processor，可測量體脂肪、骨骼肌肉量、心跳與皮膚溫度等。高通公司則將物聯(lián)網(wǎng)芯片的應用鎖定于無人機與智能車等領域。

4 物聯(lián)網(wǎng)芯片的新機遇

在最近的新技術(shù)發(fā)展中，人們對于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的延伸要求也由“最后1米”精細化到“最后1厘米”，物聯(lián)網(wǎng)芯片可能需要被植入到生物體內(nèi)，對其進行實時的監(jiān)測，這些穿戴化、生物化的需求，對物聯(lián)網(wǎng)的核心樞紐——芯片提出了更高的挑戰(zhàn)。

新一代的物聯(lián)網(wǎng)核心芯片，不僅僅節(jié)能且性能優(yōu)異，甚至本身就具有良好的能量采集（Energy Harvest）功能；同時不僅僅能夠便利地穿戴和配置，并且造型更加微型，可以安全地植入各種活體之中。

此外，物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的建立、政府政策的引導與幫扶都將促進物聯(lián)網(wǎng)在各個領域應用的蓬勃發(fā)展，也推動著物聯(lián)網(wǎng)相關產(chǎn)業(yè)鏈上各類企業(yè)的創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)不斷涌現(xiàn)。這些新生力量無疑可以緩解我國物聯(lián)網(wǎng)芯片行業(yè)中自主原創(chuàng)匱乏的問題，激發(fā)科技人員更快、更好地推出新的技術(shù)和產(chǎn)品。

5 結(jié)束語

全球物聯(lián)網(wǎng)及傳感器產(chǎn)業(yè)保持活躍態(tài)勢，產(chǎn)業(yè)規(guī)模與市場空間不斷擴大，產(chǎn)業(yè)化應用逐步深化，技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)結(jié)盟的發(fā)展模式更加明顯。物聯(lián)網(wǎng)芯片技術(shù)的發(fā)展，依然是物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指示燈，其技術(shù)的應用價值也直接反映著行業(yè)發(fā)展的先進性、可靠性和創(chuàng)新性。論文通過對各種主流物聯(lián)網(wǎng)芯片和系統(tǒng)進行分類介紹和價值分析，以對比結(jié)論、圖表說明的方法分析物聯(lián)網(wǎng)芯片當前應用的價值和未來推動的前景。這將為進一步探索物聯(lián)網(wǎng)芯片發(fā)展的新方向，制定出既符合產(chǎn)業(yè)演化的一般規(guī)律又能彰顯政策價值的發(fā)展模式和扶持手段做出有益的積累。

[1]楊雪松.基于MSP430單片機的無線通信軟件編解碼[J].信息通信，2016，164(8):239-242.

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[3]彭倩，李紅巖.單片機和LabVIEW的多數(shù)據(jù)無線監(jiān)測系統(tǒng)設計[J].實驗室研究與探索，2016，35(7):127-130.

[4]謝紹霞，郭三化，曹麗娟，楊睿.基于單片機STC12C5 A60S2與無線模塊CC1101的電動溫控閥控制器設計[J].

[5]李建行，黎英，郭志偉.基于ZigBee的MSP430單片機無線升級技術(shù)[J].化工自動化儀表，2016，43(1):76-79,92.

[6]程坤，朱勇，趙劍楠，張來源.基于PIC單片機的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設計[J].無線電通信技術(shù)，2016，41(5):35-37.

[7]于雅楠，李靖，張曉蕊.基于STM32單片機的無線LED消

息顯示系統(tǒng)[J].實驗室研究與探索，2016，35(5):128，157. [8]駱舒萍.基于AVR單片機的智能無線溫控系統(tǒng)設計[J].

黎明職業(yè)大學學報，2016，90(1):81-84.

Value Analysis of Typical Processing Chips in IoT Applications

JIANG Yu

（The people's government of Wuxi Xinwu district,Wuxi214135,China）

The significance of IoT (Internet of Things)is evident.IoT chips,serving as a fundamental part of IoT industry,hold the lifeline of domestic IoT development.In the paper,the value of typical processing chip in IoT is studied and advice is given based on current problems of IP and innovativity during the development. A series of aspects of mainstream IoT chips,such as the functions,characteristics,applicability and potentials are discussed for an objective prospection of IoT.

Internet of things;chips;innovation;applicability

TN409

A

1681-1070（2017）04-0045-04

蔣 宇（1982—），男，江蘇無錫人，本科，工程師，主要從事物聯(lián)網(wǎng)體系方面的研究。

2016-12-28