如何為可穿戴設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)選擇合適的局域網(wǎng)鏈路

個(gè)人局域網(wǎng)（PAN） 的真正部署階段尚未到來。我們正處于新一代可穿戴計(jì)算機(jī)、傳感器和外設(shè)的爆發(fā)點(diǎn)，這將使我們與機(jī)器的纏結(jié)進(jìn)入一個(gè)新的水平。

傳統(tǒng)上，一個(gè)PAN 會(huì)與一個(gè)無線語音鏈路關(guān)聯(lián)，如與無線耳機(jī)的藍(lán)牙連接。盡管這是一個(gè)有用的本地機(jī)器到機(jī)器（M2M） 個(gè)人鏈路，但遠(yuǎn)未達(dá)到低功耗RF 近場(chǎng)技術(shù)PAN 所能提供的實(shí)際潛力。

本文將探討我們有哪些選擇來通過我們的“個(gè)人電磁泡泡”產(chǎn)生和收發(fā)數(shù)據(jù)。文中將討論各種應(yīng)用中使用的低功耗級(jí)別和信號(hào)類型，范圍覆蓋可穿戴設(shè)備或簡(jiǎn)單的“深嵌”傳感器，到較復(fù)雜的高清視頻和用于實(shí)時(shí)3D 手勢(shì)識(shí)別的圖像處理。

我們將討論現(xiàn)今有哪些標(biāo)準(zhǔn)的芯片級(jí)解決方案，如IRDA、無線USB、藍(lán)牙、Z－Wave、ZigBee 和Wi－Fi，并從帶寬的角度深入研究，以確定預(yù)期可以看到的實(shí)際、可使用的吞吐量。同時(shí)我們還會(huì)討論對(duì)于不同功能哪些標(biāo)準(zhǔn)更好。本文件所引用的所有零件、規(guī)格書、指南和開發(fā)工具均可以在Digi－Key 網(wǎng)站找到。

并非都是RF

無線鏈路一般會(huì)使我們聯(lián)想到無線電概念，但并非所有無線鏈路都是基于RF 的。有些視線、近程和低帶寬通信可以用IR（紅外線）來取代。例如，用于設(shè)備或醫(yī)療程序遙控的兩件式力反饋手套。此時(shí)，象ROHM RPM973－H11E2A 這樣的IRDA 模塊做得更好（圖1）。這種收發(fā)器是超薄、自足式的，能夠以光學(xué)鏈路提供高達(dá)4 Mbits／s 的速度，且不會(huì)受任何來源的環(huán)境射頻噪聲干擾。它同時(shí)具有適合惡劣條件的堅(jiān)固結(jié)構(gòu)。

圖1：不要小看堅(jiān)固耐用的IR 在適度帶寬數(shù)據(jù)通信中作為視線鏈路的用處。有多種設(shè)計(jì)精良的低成本收發(fā)器供工程師們選擇。

盡管光學(xué)技術(shù)有其獨(dú)到之處，但到目前為止，新興PAN 應(yīng)用中用得最廣泛的通信技術(shù)還是RF。有趣的是，對(duì)較近程的低速鏈路，可以使用低成本的窄帶AM、FM、ASK、FSK、載波開／載波關(guān)和PSK 類型的RF。計(jì)算機(jī)鼠標(biāo)有1，200 bit／s 的數(shù)據(jù)速度就可以工作地很好。

Murata TR3000 使用433．92 MHz 的載波和ASK 或OOK 調(diào)制，支持高達(dá)115．2 Kbaud 的數(shù)據(jù)速率。它的工作電壓為2．7 到3．7 V，接收數(shù)據(jù)時(shí)電流只需3．8 mA，7．5 mA 的電流就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。其能耗就更出色了，可將較近程鏈路的能耗降低一個(gè)數(shù)量級(jí)，從而延長(zhǎng)電池續(xù)航時(shí)間（圖2）。

圖2：窄帶傳輸因?yàn)橄鄬?duì)低的數(shù)據(jù)速率而可使用較低的功率數(shù)。但是，噪聲源和擁擠的互動(dòng)環(huán)境會(huì)造成問題。

雖然可對(duì)窄帶AM 和FM 進(jìn)行功率限制，但會(huì)有太多的可能干擾源，因此當(dāng)出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，這類鏈路一般不會(huì)進(jìn)行仲裁、沖突檢測(cè)、沖突避免和自動(dòng)重發(fā)。此時(shí)使用數(shù)字無線電就比較好。

多個(gè)數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)正在角逐令人垂涎的較大規(guī)模PAN 市場(chǎng)，包括象藍(lán)牙、USB、ZigBee、Wi－Fi 或Z－Wave 這樣的一致可互操作標(biāo)準(zhǔn)，具體不一而足。

隨著多個(gè)IC 級(jí)的器件即將面市，無線USB 將提供某些保證。Cypress CYRF6936－40LTXC 是直接定序擴(kuò)頻無線2．4 GHz USB 收發(fā)器僅有的零件。1．8 至3．6 V 裝置的數(shù)據(jù)速度高達(dá)1 Mbit／s，使用4 MHz SPI 端口進(jìn)行設(shè)置和控制。這是一個(gè)采用裸焊盤的40 引腳零件，比窄帶解決方案稍大。其34 mA 發(fā)射（21．2 mA 接收）電流也明顯高一些。其實(shí)，許多應(yīng)用大多時(shí)間處于休眠狀態(tài)而非喚醒狀態(tài)，利用小電池就可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間突發(fā)通信，如果電池可以充電則尤為如此。

帶有嵌入式控制器的類似零件有Cypress CYRF89235－40LTXC，該零件提供一個(gè)高達(dá)24 MHz 的片載Harvard 架構(gòu)M8C RISC 處理器，以及一個(gè)仿真端口（圖3）。片載32 K 閃存可以存儲(chǔ)某些應(yīng)用的堆棧和用戶代碼?？梢酝ㄟ^8 位端口或通過I2C 或SPI 接口（同時(shí)都包括）在可編程I／O 上擴(kuò)充2 K RAM。

圖3：片上系統(tǒng)方式允許嵌入式微處理器完全運(yùn)行協(xié)議堆棧，同時(shí)提供嵌入式環(huán)境，既可以存儲(chǔ)您應(yīng)用特定的代碼，也可以建立您自己的定制接口。

不只是語音

藍(lán)牙語音未來最有可能統(tǒng)治耳機(jī)領(lǐng)域或用于個(gè)人語音鏈路，盡管它使用的功率遠(yuǎn)較其所需要的要多很多。對(duì)于大多數(shù)零件來說，藍(lán)牙器件連在一起會(huì)工作地很好，即使在擁擠的環(huán)境也是如此。網(wǎng)絡(luò)共享進(jìn)程會(huì)讓收發(fā)器成為簡(jiǎn)單的查詢鎖定類型，無需保持多個(gè)套接字和復(fù)雜的協(xié)議堆棧。

另一方面，低功耗藍(lán)牙非常適合用于象傳感器、致動(dòng)器和PAN 這樣的非語音應(yīng)用。類似于其它標(biāo)準(zhǔn)，已經(jīng)有人開始行動(dòng)，推出集成解決方案。值得注意的一個(gè)藍(lán)牙LE 解決方案來自CSR，即其TCSR1010A05－IQQM－R 單芯片藍(lán)牙LE 片上系統(tǒng)（SoC） 收發(fā)器（圖4）。作為CSR 的μEnergy 低功耗藍(lán)牙平臺(tái)的一部分，該器件同時(shí)包含一個(gè)嵌入式微控制器。在此實(shí)例中，則是一個(gè)運(yùn)行BT LE 堆棧、無線電、中斷和外部接口的16 位RISC 處理器。

圖4：嵌入式微處理器不僅可以包含數(shù)字無線電外設(shè)功能，而且還可以提供其它連接和外設(shè)接口，包括混合信號(hào)。

需要注意的是，這些零件有較多資源可用。閃存和RAM 容量均64 K 字節(jié)。此外，這些零件還包含一個(gè)10 位A／D、12 個(gè)可編程I／O、SPI、I2C、UART、PWM 和一個(gè)調(diào)試SPI 端口。就現(xiàn)今正在開發(fā)中的無線電來說，幾乎全部都有能量管理特性，并可以使用32 kHz 實(shí)時(shí)時(shí)鐘晶體，以節(jié)省更多的休眠功率。

這一領(lǐng)域的另一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)者是STMicroelectronics，該公司提供藍(lán)牙LE 無線網(wǎng)絡(luò)處理器BLUENRGQTR。它作為1 Mbit／s 兼容型主、從設(shè)備時(shí)也符合藍(lán)牙v4．0 規(guī)范要求。它可以使用32 kHz 時(shí)鐘或振蕩器，以便減少能耗或者運(yùn)行在更高的原生頻率上，進(jìn)行進(jìn)程密集型資料處理。本例中，頻率最高為32 MHz。

它基于ARM Cortex－M0 處理器（圖5），帶一個(gè)64 K 的程序閃存和12 K 的SRAM。它同時(shí)還有SPI、I2C、UART、串行程序和調(diào)試，以及AES 硬件。STMicroelectronics 視之為PAN 領(lǐng)域的潛在外設(shè)控制器，特別適合保健類應(yīng)用。該公司還針對(duì)藍(lán)牙LE 的保健應(yīng)用提供產(chǎn)品培訓(xùn)模塊。

圖5：不僅是8 位和16 位內(nèi)核可運(yùn)用到PAN 應(yīng)用中，而且這種32 位的Cortex－M0 也可以操作無線電鏈路，且對(duì)您的代碼具有巨大的處理能力。

與許多其他供應(yīng)商類似，STMicroelectronics 也支持堆棧并提供開發(fā)環(huán)境幫助您加快開發(fā)速度。本例中，該供應(yīng)商的STEVAL－IDB002V1 是一款有用的針對(duì)BlueNRG 低功耗網(wǎng)絡(luò)處理器的演示和評(píng)估板。

其它可能

其他無線玩家要想在新興的、處于爆發(fā)式增長(zhǎng)階段的PAN 市場(chǎng)分得一杯羹有許多障礙要克服。其中一個(gè)例子就是ZigBee。這是一個(gè)流行的標(biāo)準(zhǔn)，有多家設(shè)備和模塊制造商支持，適合家庭和樓宇自動(dòng)化應(yīng)用。

與藍(lán)牙不同，ZigBee 在智能電話、平板電腦和筆記本電腦上沒有原生支持。這就可能存在障礙。ZigBee 還需要一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的堆棧，意味著節(jié)點(diǎn)成本會(huì)較高。另一方面，ZigBee 具有架構(gòu)仲裁和識(shí)別能力，在成為大網(wǎng)眼的一部分方面具有優(yōu)勢(shì)。

Wi－Fi 也某些吸引人的地方，特別在推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)方面。它提供云基連接能力，其提供的芯片和模塊也是認(rèn)證就緒型的解決方案。盡管Wi－Fi 在智能電話、平板電腦和筆記本電腦上具有原生支持，但是功耗太大?？刂旗`活性方面可能使之不太適合PAN 應(yīng)用，所以它仍可能不是一個(gè)可行的解決方案，特別是在它每次進(jìn)入低功耗模式之后，在喚醒時(shí)需要重新建立連接，發(fā)現(xiàn)模式也占用很多時(shí)間和能耗。

還有其它潛在解決方案。Z－Wave、ANT＋、IOHomecontrol、W6LoPAN 和RF4CE 均在應(yīng)用特定和通用協(xié)議之列，值得了解。

總而言之，我們正在見證新一代物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)產(chǎn)品的快速發(fā)展，這將增強(qiáng)我們的能力和我們的自我意識(shí)力。在這個(gè)環(huán)境中，智能電話最有可能成為個(gè)人局域網(wǎng)的中樞，將象保健監(jiān)護(hù)儀、智能手表和顯示設(shè)備（如Google 眼鏡）以及各種各樣嵌入衣服和鞋子的傳感器之類可穿戴設(shè)備連接起來。本文探討了工程師們有哪些選擇來通過個(gè)人“電磁泡泡”產(chǎn)生和接收數(shù)據(jù)。我們還討論了許多可能的協(xié)議并回顧了有代表性的零件。