典型处理芯片在物联网应用中的价值分析

蒋宇

（无锡市新吴区人民政府，江苏无锡214135）

典型处理芯片在物联网应用中的价值分析

蒋宇

（无锡市新吴区人民政府，江苏无锡214135）

物联网的应用价值不言而喻，作为推动物联网产业发展的根基技术——物联网芯片的发展速度和稳健程度，直接关系着我国物联网产业发展的当前价值和后续动力。就典型处理芯片在物联网应用中的价值体现问题展开研究，针对目前我国物联网芯片发展中存在的自主产权和创新性问题，给出政策与创新的“组合拳”建议，通过分类分析目前主流物联网芯片及其系统的功能、特征、应用价值和发展潜力，展望物联网芯片发展的机遇。

物联网；芯片；创新；应用价值

1 引言

随着技术、需求的不断更新，物联网技术的发展也日渐呈现出丰富性和专业化。在价值层面上，物联网技术的发展体现在其在应用领域的深入拓展，给应用者和社会带来更高的使用价值；在应用层面上，物联网技术的发展则体现在各种核心技术、配套工艺的不断进步，给设计者在思维上获得更大的想象与发挥空间；在技术层面上，这种发展则体现在核心芯片的逐渐自主化和功能扩展。可见，物联网技术始终延续着“价值”驱动“应用”、“应用”驱动“技术”、“技术”驱动“核心芯片”的演化规律，典型的处理芯片在物联网技术与产业发展的过程中始终扮演着中流砥柱的作用。

本文就典型处理芯片在物联网应用中的价值体现问题展开研究，包含对当前发展现状及其问题的剖析，对目前主流物联网芯片功能、特征和应用进行分析对比，最后展望物联网芯片发展的机遇。

2 物联网芯片的现状与问题

客观上讲，目前芯片市场从来都不缺乏冠名为“物联网芯片”的产品，一方面包含传统芯片厂商的代表产品，如英特尔、高通、TI等；另一方面，手机企业也开始纷纷战略布局物联网产业，开始进军超摩尔发展的物联网时代。但对于我国的芯片发展而言，目前依然存在几个问题需要引起重视。

其一，国产芯片供不应求，很大程度上依赖进口。中国是世界上使用物联网最多的国家，与之不相符的是，目前国内芯片研发设计能力相对有限，国内芯片至今仍大量依赖进口，国内芯片设计制造难以跟上物联网的发展势头。

其二，国内芯片产业人才缺乏。工信部电信研究院2014版《物联网白皮书》中指出，在物联网产业链涉及的其他核心技术层面，特别是物联网基础芯片领域，我国依然没有布局中国物联网“独特的发展方式”，也让未来物联网的发展可能在整体上提速减慢。

其三，技术的发展面临创新乏力的尴尬。核心的芯片技术被国外巨头掌握，国内企业常常只能在“边缘”领域进行配套。只有具备自主核心技术的“中国芯”才能真正具备国内物联网发展的核心动力。

在我国芯片产业存在差距的背景下，创新研发与政策支持一个都不能少，以此改变国内物联网产业发展依赖芯片进口的现状，从而实现物联网发展的实质价值与成果，真正由国内芯片制造商和民众所享用。近年，从国家到各省市，从地方到区域，各种物联网发展专项资金对外开放并切实支持众多的具有自主产权且具有本地化应用价值的项目。总之，创新研发需要快马加鞭，政策支持需要形成有效的“拳头效应”，只有这样，国内的物联网芯片市场才能有实质发展。

3 典型的物联网芯片与应用价值

物联网芯片是从应用的角度来定义的，客观上讲，任何一款芯片都可以适用于包含物联网在内的多种应用场景，所谓的物联网芯片应该仅是确定最适合的场景在物联网行业，而非唯一的场景。因此，鉴于物联网应用与无线通信环节的紧密关系，论文将以是否包含射频功能、是否为高位处理器作为区分依据对物联网芯片加以区分，并给出经典的应用案例，参见表1。

表1 物联网芯片基本性能表

3.1 独立处理芯片

这类处理芯片并没有集成无线射频模块，在物联网的系统设计中，通过外加射频、电源、存储等模块，同样可以提供多种类的物联网应用。由于未将射频功能增加在芯片中，因此通常这类芯片可以专心地将处理性能、通道接口、存储空间等做大做强；另一方面，也可以根据应用场合和要求的不同，选择一种甚至是多种射频配套作为解决方案。换言之，功能减少了但应用场景可以更加灵活。

独立处理芯片由于需要外加射频等功能模块，无疑会提高节点整体能量的消耗，因此低功耗是这类芯片作为物联网节点核心处理器的基本条件。以德州仪器公司的MSP430[1]系列、INTEL公司的C8051系列为代表，该类芯片特点就在于具有超低功耗，较低的供电电压（1.8～3.6 V），以及基本满足需求的闪存（4 kB）和RAM容量，ADC转换能力，通常辅助以nRF905、 nRF24L[2]、I4432等无线收发芯片以解决无线信号收发功能，经常被选用在以电池供电为能量供给的各类物联网应用场合中。此外，STC12C5A[3]系列、AT89*系列和S3C2440等MCU芯片，由于具备高速、低功耗、超强抗干扰等特点，通过与CC1101[4]等模块合作，特别适合于电机控制、强干扰场合使用。

3.2 射频+处理芯片

这种技术集成了射频和处理功能为一体的芯片，成就了物联网芯片的核心技术。这类芯片通常以“小身材”见长，功能上虽然不能和独立的处理芯片相媲美，但是相对于物联网小数据量、低数据速率的应用要求而言已是绰绰有余。由于增加了射频环节，无疑会增加芯片整体功耗，但通过结合低功耗技术，众多含射频功能的处理芯片已经能实现＜25 mV的输出功率，进行低功耗的远距离通信。

这类处理芯片常常被作为物联网芯片的代表，主要原因在于此类芯片兼具了核心的处理计算与无线信号收发功能，基本囊括了物联网节点除“感知”以外的所有特色功能，虽然在应用的灵活性上无法和功能分离性的元器件相比，但在体积、便捷性上有着明显的优势。

该类芯片目前业界的代表为TI公司的CC2530[5]系列芯片，该类芯片也是传感器网络系统的经典代表Mica解决方案的首选芯片，它可提供用于2.4 GHz的IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE应用的真正的片上系统（SoC）解决方案，能以非常低的总材料成本建立大规模网络。由于其技术的延续性较好和广泛的应用，该类芯片的应用案例和教程也较为丰富，便于开发者上手和操作。

恩智浦半导体(NXP)也推出了JN5168[6]芯片，采用了256 kB闪存、32 kB RAM和4 kB EEPROM，以及同类产品中最佳的低功耗睡眠模式。最近，意法半导体 (STM)[7]公布了其物联网 (IoT)射频收发器芯片S2-LP，让智能物联网硬件具有极高的能效，可连续工作长达10年而无需更换电池。

TI公司在今年推出了业界功耗最低的双频无线微控制器，这款芯片可以在单芯片上支持sub-1 GHz和Bluetooth低功耗连通性。这款全新的SimpleLink双频CC1350无线MCU能够帮助开发人员利用一个卫星单芯片，取代以往的3芯片解决方案，同时降低设计的复杂度，节省功耗、成本和电路板空间。

3.3 高位处理器

基于功能要求和成本考虑，传统物联网系统多采用8/16位的片上处理系统。但随着众多智能功能的加入及其应用场景的错综复杂性，使得人们对于物联网核心处理机的速度和性能也提出了更高的要求。从早期普遍的主流8/16位机逐渐向32位处理芯片倾斜。其实，无论是8位还是32位，基本的选片原则——“可用性与可扩展性”一直保持不变。

ATMEL公司的 AVR单片机 ATmega32[8]和ATmega8，以其运行速度快、性能高、功耗低、指令先进、接口丰富且价格低廉的特点，适用于许多要求具有低成本和高灵活性的场合。庆科、MARVELL、REALTEK和CYPRESS等多家IC芯片原厂联合推出了一款内置MiCO操作系统的物联网系统芯片MOC系列，以不同的配套射频加以区分，MOC100包含单Wi-Fi，MOC200则兼有Wi-Fi和蓝牙的combo，可以打造真正意义上的场景化应用。

近年来，INTEL公司推出开放型整合芯片组Curie，可让物联网开发者应用在穿戴式设备、游戏机等各种设备上。三星研发了开放型芯片组Artik，将功能对照尺寸进行区别使用，可用于相机或智能手表等小型高阶设备；此外还推出了健康医疗用途的物联网生物芯片组Bio_Processor，可测量体脂肪、骨骼肌肉量、心跳与皮肤温度等。高通公司则将物联网芯片的应用锁定于无人机与智能车等领域。

4 物联网芯片的新机遇

在最近的新技术发展中，人们对于物联网技术的延伸要求也由“最后1米”精细化到“最后1厘米”，物联网芯片可能需要被植入到生物体内，对其进行实时的监测，这些穿戴化、生物化的需求，对物联网的核心枢纽——芯片提出了更高的挑战。

新一代的物联网核心芯片，不仅仅节能且性能优异，甚至本身就具有良好的能量采集（Energy Harvest）功能；同时不仅仅能够便利地穿戴和配置，并且造型更加微型，可以安全地植入各种活体之中。

此外，物联网产业联盟的建立、政府政策的引导与帮扶都将促进物联网在各个领域应用的蓬勃发展，也推动着物联网相关产业链上各类企业的创新、创业不断涌现。这些新生力量无疑可以缓解我国物联网芯片行业中自主原创匮乏的问题，激发科技人员更快、更好地推出新的技术和产品。

5 结束语

全球物联网及传感器产业保持活跃态势，产业规模与市场空间不断扩大，产业化应用逐步深化，技术创新与产业结盟的发展模式更加明显。物联网芯片技术的发展，依然是物联网产业发展的指示灯，其技术的应用价值也直接反映着行业发展的先进性、可靠性和创新性。论文通过对各种主流物联网芯片和系统进行分类介绍和价值分析，以对比结论、图表说明的方法分析物联网芯片当前应用的价值和未来推动的前景。这将为进一步探索物联网芯片发展的新方向，制定出既符合产业演化的一般规律又能彰显政策价值的发展模式和扶持手段做出有益的积累。

[1]杨雪松.基于MSP430单片机的无线通信软件编解码[J].信息通信，2016，164(8):239-242.

[2]王娟.基于nRF24L01和单片机的无线煤气检测及报警系统[J].信息系统工程，2016，2（20）:92-94.

[3]彭倩，李红岩.单片机和LabVIEW的多数据无线监测系统设计[J].实验室研究与探索，2016，35(7):127-130.

[4]谢绍霞，郭三化，曹丽娟，杨睿.基于单片机STC12C5 A60S2与无线模块CC1101的电动温控阀控制器设计[J].

[5]李建行，黎英，郭志伟.基于ZigBee的MSP430单片机无线升级技术[J].化工自动化仪表，2016，43(1):76-79,92.

[6]程坤，朱勇，赵剑楠，张来源.基于PIC单片机的无线数据传输系统设计[J].无线电通信技术，2016，41(5):35-37.

[7]于雅楠，李靖，张晓蕊.基于STM32单片机的无线LED消

息显示系统[J].实验室研究与探索，2016，35(5):128，157. [8]骆舒萍.基于AVR单片机的智能无线温控系统设计[J].

黎明职业大学学报，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

蒋 宇（1982—），男，江苏无锡人，本科，工程师，主要从事物联网体系方面的研究。

2016-12-28