典型處理芯片在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的價(jià)值分析

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(yīng)用中的價(jià)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(yīng)用價(jià)值不言而喻，作為推動(dòng)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(guān)系著我國(guó)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的當(dāng)前價(jià)值和后續(xù)動(dòng)力。就典型處理芯片在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的價(jià)值體現(xiàn)問題展開研究，針對(duì)目前我國(guó)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(yīng)用價(jià)值和發(fā)展?jié)摿?，展望物?lián)網(wǎng)芯片發(fā)展的機(jī)遇。

物聯(lián)網(wǎng)；芯片；創(chuàng)新；應(yīng)用價(jià)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(jià)值層面上，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展體現(xiàn)在其在應(yīng)用領(lǐng)域的深入拓展，給應(yīng)用者和社會(huì)帶來更高的使用價(jià)值；在應(yīng)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(jìn)步，給設(shè)計(jì)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(kuò)展。可見，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)始終延續(xù)著“價(jià)值”驅(qū)動(dòng)“應(yīng)用”、“應(yīng)用”驅(qū)動(dòng)“技術(shù)”、“技術(shù)”驅(qū)動(dòng)“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(yīng)用中的價(jià)值體現(xiàn)問題展開研究，包含對(duì)當(dāng)前發(fā)展現(xiàn)狀及其問題的剖析，對(duì)目前主流物聯(lián)網(wǎng)芯片功能、特征和應(yīng)用進(jìn)行分析對(duì)比，最后展望物聯(lián)網(wǎng)芯片發(fā)展的機(jī)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(chǎng)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(jī)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(jìn)軍超摩爾發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代。但對(duì)于我國(guó)的芯片發(fā)展而言，目前依然存在幾個(gè)問題需要引起重視。

其一，國(guó)產(chǎn)芯片供不應(yīng)求，很大程度上依賴進(jìn)口。中國(guó)是世界上使用物聯(lián)網(wǎng)最多的國(guó)家，與之不相符的是，目前國(guó)內(nèi)芯片研發(fā)設(shè)計(jì)能力相對(duì)有限，國(guó)內(nèi)芯片至今仍大量依賴進(jìn)口，國(guó)內(nèi)芯片設(shè)計(jì)制造難以跟上物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展勢(shì)頭。

其二，國(guó)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(chǔ)芯片領(lǐng)域，我國(guó)依然沒有布局中國(guó)物聯(lián)網(wǎng)“獨(dú)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(guó)外巨頭掌握，國(guó)內(nèi)企業(yè)常常只能在“邊緣”領(lǐng)域進(jìn)行配套。只有具備自主核心技術(shù)的“中國(guó)芯”才能真正具備國(guó)內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的核心動(dòng)力。

在我國(guó)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(gè)都不能少，以此改變國(guó)內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展依賴芯片進(jìn)口的現(xiàn)狀，從而實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的實(shí)質(zhì)價(jià)值與成果，真正由國(guó)內(nèi)芯片制造商和民眾所享用。近年，從國(guó)家到各省市，從地方到區(qū)域，各種物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展專項(xiàng)資金對(duì)外開放并切實(shí)支持眾多的具有自主產(chǎn)權(quán)且具有本地化應(yīng)用價(jià)值的項(xiàng)目?？傊?，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(yīng)”，只有這樣，國(guó)內(nèi)的物聯(lián)網(wǎng)芯片市場(chǎng)才能有實(shí)質(zhì)發(fā)展。

3 典型的物聯(lián)網(wǎng)芯片與應(yīng)用價(jià)值

物聯(lián)網(wǎng)芯片是從應(yīng)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(yīng)用場(chǎng)景，所謂的物聯(lián)網(wǎng)芯片應(yīng)該僅是確定最適合的場(chǎng)景在物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)，而非唯一的場(chǎng)景。因此，鑒于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用與無線通信環(huán)節(jié)的緊密關(guān)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(duì)物聯(lián)網(wǎng)芯片加以區(qū)分，并給出經(jīng)典的應(yīng)用案例，參見表1。

表1 物聯(lián)網(wǎng)芯片基本性能表

3.1 獨(dú)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(shè)計(jì)中，通過外加射頻、電源、存儲(chǔ)等模塊，同樣可以提供多種類的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)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(chǔ)空間等做大做強(qiáng)；另一方面，也可以根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)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(yīng)用場(chǎng)景可以更加靈活。

獨(dú)立處理芯片由于需要外加射頻等功能模塊，無疑會(huì)提高節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(hào)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(yīng)用場(chǎng)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(qiáng)抗干擾等特點(diǎn)，通過與CC1101[4]等模塊合作，特別適合于電機(jī)控制、強(qiáng)干擾場(chǎng)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(zhǎng)，功能上雖然不能和獨(dú)立的處理芯片相媲美，但是相對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)小數(shù)據(jù)量、低數(shù)據(jù)速率的應(yīng)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(huì)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(shí)現(xiàn)＜25 mV的輸出功率，進(jìn)行低功耗的遠(yuǎn)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(jì)算與無線信號(hào)收發(fā)功能，基本囊括了物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)除“感知”以外的所有特色功能，雖然在應(yīng)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(shì)。

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(luò)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(yīng)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(luò)。由于其技術(shù)的延續(xù)性較好和廣泛的應(yīng)用，該類芯片的應(yīng)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(dǎo)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(dǎo)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(zhǎng)達(dá)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(gè)衛(wèi)星單芯片，取代以往的3芯片解決方案，同時(shí)降低設(shè)計(jì)的復(fù)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(yīng)用場(chǎng)景的錯(cuò)綜復(fù)雜性，使得人們對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)核心處理機(jī)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(jī)逐漸向32位處理芯片傾斜。其實(shí)，無論是8位還是32位，基本的選片原則——“可用性與可擴(kuò)展性”一直保持不變。

ATMEL公司的 AVR單片機(jī) ATmega32[8]和ATmega8，以其運(yùn)行速度快、性能高、功耗低、指令先進(jìn)、接口豐富且價(jià)格低廉的特點(diǎn)，適用于許多要求具有低成本和高靈活性的場(chǎng)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(lán)牙的combo，可以打造真正意義上的場(chǎng)景化應(yīng)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(yīng)用在穿戴式設(shè)備、游戲機(jī)等各種設(shè)備上。三星研發(fā)了開放型芯片組Artik，將功能對(duì)照尺寸進(jìn)行區(qū)別使用，可用于相機(jī)或智能手表等小型高階設(shè)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(cè)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(yīng)用鎖定于無人機(jī)與智能車等領(lǐng)域。

4 物聯(lián)網(wǎng)芯片的新機(jī)遇

在最近的新技術(shù)發(fā)展中，人們對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的延伸要求也由“最后1米”精細(xì)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(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，這些穿戴化、生物化的需求，對(duì)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(shí)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(dǎo)與幫扶都將促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)在各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用的蓬勃發(fā)展，也推動(dòng)著物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)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(guó)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(shì)，產(chǎn)業(yè)規(guī)模與市場(chǎng)空間不斷擴(kuò)大，產(chǎn)業(yè)化應(yīng)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(yīng)用價(jià)值也直接反映著行業(yè)發(fā)展的先進(jìn)性、可靠性和創(chuàng)新性。論文通過對(duì)各種主流物聯(lián)網(wǎng)芯片和系統(tǒng)進(jìn)行分類介紹和價(jià)值分析，以對(duì)比結(jié)論、圖表說明的方法分析物聯(lián)網(wǎng)芯片當(dāng)前應(yīng)用的價(jià)值和未來推動(dòng)的前景。這將為進(jìn)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(jià)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(jī)的無線通信軟件編解碼[J].信息通信，2016，164(8):239-242.

[2]王娟.基于nRF24L01和單片機(jī)的無線煤氣檢測(cè)及報(bào)警系統(tǒng)[J].信息系統(tǒng)工程，2016，2（20）:92-94.

[3]彭倩，李紅巖.單片機(jī)和LabVIEW的多數(shù)據(jù)無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)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(jī)STC12C5 A60S2與無線模塊CC1101的電動(dòng)溫控閥控制器設(shè)計(jì)[J].

[5]李建行，黎英，郭志偉.基于ZigBee的MSP430單片機(jī)無線升級(jí)技術(shù)[J].化工自動(dòng)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(jī)的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)[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(jī)的無線LED消

息顯示系統(tǒng)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2016，35(5):128，157. [8]駱舒萍.基于AVR單片機(jī)的智能無線溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].

黎明職業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，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