多種短程無(wú)線(xiàn)通信標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范所帶來(lái)的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

由于技術(shù)不斷創(chuàng)新，現(xiàn)在物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 應(yīng)用中存在多種不兼容的無(wú)線(xiàn)選擇。盡管有選擇總是一件好事，但是這也使無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的部署復(fù)雜化——特別是對(duì)于舊工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) （IIoT） 裝備，其中可能已經(jīng)部署了多個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，而現(xiàn)在需要在多個(gè)設(shè)施中加裝成百上千個(gè)傳感器。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，物聯(lián)網(wǎng)收發(fā)器制造商開(kāi)發(fā)了低成本、低功耗的片上系統(tǒng) （SoC） 解決方案，可在單個(gè)器件中跨多個(gè)射頻頻段支持多種協(xié)議。

本文簡(jiǎn)要介紹了廣泛使用多種短程無(wú)線(xiàn)通信標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范所帶來(lái)的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。隨后介紹可讓設(shè)計(jì)人員靈活應(yīng)對(duì)多種射頻接口的 NXP、Texas Instruments、Silicon Labs 和 Analog Devices 片上系統(tǒng) （SoC），并探索這些器件的功能及其支持的無(wú)線(xiàn)協(xié)議。

無(wú)線(xiàn)選擇挑戰(zhàn)

僅僅在幾年前，都很少有支持多種無(wú)線(xiàn)協(xié)議的物聯(lián)網(wǎng)收發(fā)器或微控制器 SoC，因此邊緣設(shè)備的制造商就會(huì)選擇一種協(xié)議，并在整個(gè)產(chǎn)品線(xiàn)中使用。例如，在家庭自動(dòng)化中，這是第一種有實(shí)際意義的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，一家“智能”照明產(chǎn)品制造商可能使用 Zigbee，另一家可能使用 Z-Wave，而又一家則可能使用 Wi-Fi，使本來(lái)就很復(fù)雜的新技術(shù)對(duì)消費(fèi)者而言更加令人困惑。

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)現(xiàn)在面臨著同樣的挑戰(zhàn)，但在規(guī)模上要大得多。與地理上界限明確的家庭不同，大型制造商的廠(chǎng)房設(shè)施可能遍布全球，需要支持各種設(shè)備和法規(guī)要求。多協(xié)議、多頻段收發(fā)器和微控制器 SoC 的出現(xiàn)，讓工程師能夠更輕松地部署此類(lèi)設(shè)備、系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。隨著這些 SoC 越來(lái)越多地用于邊緣設(shè)備，使用來(lái)自單個(gè)供應(yīng)商的 SoC 在邊緣設(shè)備中配置支持多種無(wú)線(xiàn)協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)將成為可能。

典型的物聯(lián)網(wǎng) SoC 特性

物聯(lián)網(wǎng)的典型 SoC 包括一個(gè)基帶和一個(gè)基于 IEEE 802.15.4 物理層 （PHY） 無(wú)線(xiàn)接口的射頻部分，用于低速率無(wú)線(xiàn)個(gè)人局域網(wǎng) （LR-WPAN）；一個(gè) Arm 主處理器和協(xié)處理器；某種程度的加密，例如 AES-128；以及一個(gè)真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器 （TRNG）。此外，還包括電源和傳感器管理電路、多個(gè)時(shí)鐘和計(jì)時(shí)器，以及多個(gè) I/O 選擇（圖 1）。由于 Zigbee 已成為工業(yè)應(yīng)用中非常流行的協(xié)議，因此在這些設(shè)備中幾乎得到普遍支持，這種情況還有類(lèi)似的低數(shù)據(jù)速率協(xié)議，例如 Thread。

圖 1：如框圖所示，Texas Instruments 的 CC26xx 系列 SimpleLink SoC 是無(wú)線(xiàn)物聯(lián)網(wǎng) SoC 的代表。主處理器是 Arm Cortex-M3，由 Arm Cortex-M0 協(xié)處理器支持。（圖片來(lái)源：Texas Instruments）

此實(shí)例中還包括低功耗藍(lán)牙（版本 4），并且越來(lái)越多的產(chǎn)品支持藍(lán)牙 5（版本 5.1）。在 5.1 版藍(lán)牙中采納了網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，使得成藍(lán)牙也成為大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)中的另一個(gè)有力競(jìng)爭(zhēng)者。但是，并非所有 SoC 都支持此版本，因此確定工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的備選器件是否支持 5.1 版本非常重要。

一些器件還支持 IPv6 低功耗無(wú)線(xiàn)個(gè)人局域網(wǎng) （6LoWPAN），這是互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組 （IETF） 基于 802.15.4 PHY 定義的開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)。6LoWPAN 加入了實(shí)現(xiàn) IPv6 所需的 IP 報(bào)頭壓縮 （IPHC）、802.15.4 PHY 和媒體訪(fǎng)問(wèn)控制 （MAC） 層上的標(biāo)準(zhǔn) TCP/UDP，并可在 900 兆赫 （MHz）（或更低）以及 2.45 GHz 的頻率下工作。

到互聯(lián)網(wǎng)的上行鏈路通過(guò) IPv6 邊緣路由器來(lái)處理，該路由器還連接了多臺(tái) PC 和服務(wù)器（圖 2）。6LoWPAN 網(wǎng)絡(luò)本身使用自己的邊緣路由器連接到 IPv6 網(wǎng)絡(luò)路由器。

圖 2：具有 6LoWPAN 網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的 IPv6 網(wǎng)絡(luò)。到互聯(lián)網(wǎng)的上行鏈路由充當(dāng) IPv6 路由器的接入點(diǎn)處理，接入點(diǎn)連接到 IPv6 邊緣路由器，而路由器還可能連接有多臺(tái) PC 和服務(wù)器。6LoWPAN 網(wǎng)絡(luò)使用邊緣路由器連接到 IPv6 網(wǎng)絡(luò)。（圖片來(lái)源：Texas Instruments）

6LoWPAN 與眾不同的一個(gè)特征是，它能夠在使用標(biāo)準(zhǔn)互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的任何地方提供端到端的數(shù)據(jù)包傳遞，這使得設(shè)計(jì)人員能夠在所有應(yīng)用中使用 MQTT、CoAP 和 HTTP 等高級(jí)消息傳輸協(xié)議。

像本文提到的其他協(xié)議一樣，除了 2.4 GHz，該協(xié)議也可在“次 1 GHz”無(wú)線(xiàn)電上運(yùn)行，因此具有良好的傳播特性。例如，6LoWPAN 的相關(guān)演示表明，使用射頻輸出功率為 +12 dBm 的收發(fā)器時(shí)，在 900 MHz 下的覆蓋距離長(zhǎng)達(dá)四英里。低頻率在室內(nèi)特別有用，因?yàn)樗鼈兙哂懈玫拇δ芰?。?jīng)過(guò)適當(dāng)配置并使用合適的網(wǎng)橋，6LoWPAN 可與任何其他 IP 網(wǎng)絡(luò)（例如以太網(wǎng)、Wi-Fi 或蜂窩數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)）互操作。

基本協(xié)議

目前，尚無(wú) SoC 支持物聯(lián)網(wǎng)中使用的所有無(wú)線(xiàn)協(xié)議。對(duì)于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)人員而言，這并不是特別重要，因?yàn)槟承﹨f(xié)議（例如 Thread 和 Z-Wave）已在消費(fèi)市場(chǎng)中被廣泛采用。這減少了 Zigbee（迄今為止工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的最流行協(xié)議），以及 6LoWPAN 和藍(lán)牙的競(jìng)爭(zhēng)者。這就是說(shuō)，任何支持 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)的 SoC 都應(yīng)能夠與 Zigbee、LPWAN、Thread，以及可在相同頻段工作的可能專(zhuān)有解決方案一起使用。

對(duì)于使用微型電池供電的低功耗邊緣設(shè)備應(yīng)用，多協(xié)議 SoC 通常不包含 Wi-Fi，因?yàn)槠涔妮^高。在物聯(lián)網(wǎng)中，Wi-Fi 的主要使用之處是功耗非關(guān)鍵因素的回程和網(wǎng)關(guān)到互聯(lián)網(wǎng)的接入。但是，由于具有高數(shù)據(jù)傳輸速率且?guī)缀鯚o(wú)處不在，因此當(dāng)城市升級(jí)照明、監(jiān)控和其他基礎(chǔ)設(shè)施時(shí)，Wi-Fi 是必不可少的。

對(duì)于這些應(yīng)用，片上 Wi-Fi SoC 已經(jīng)問(wèn)世了多年，并且由于該技術(shù)是眾多需要高數(shù)據(jù)速率的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中必不可少的一部分，因此其應(yīng)用正在不斷增長(zhǎng)。僅支持 Wi-Fi 的 SoC 之一是 Texas Instruments 的 CC3100R11MRGCR Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)處理器，它具有 2.4 GHz Wi-Fi 無(wú)線(xiàn)電和網(wǎng)絡(luò)處理器以及片上 Web 服務(wù)器和 TCP/IP 堆棧。與來(lái)自 TI 或任何制造商的微控制器結(jié)合使用時(shí)，該 SoC 可在兩個(gè)小型器件中形成完整的 Wi-Fi 解決方案。

即便如此，相當(dāng)多的 SoC 同時(shí)支持 Wi-Fi 和藍(lán)牙協(xié)議，因?yàn)檫@兩種協(xié)議非常流行且互補(bǔ)。例如，Texas Instruments 的 WiLink 8 Wi-Fi/藍(lán)牙組合模塊系列中的 WL1831MODGBMOCR 就支持藍(lán)牙和低功耗藍(lán)牙。對(duì)于 Wi-Fi，該產(chǎn)品包括 IEEE 802.11b/g/n（最大數(shù)據(jù)傳輸速率為每秒 100 兆比特 ［Mb/s］）以及 Wi-Fi Direct。該模塊具有 2 x 2 MIMO 能力，覆蓋范圍是單天線(xiàn)設(shè)備的 1.4 倍，并且在 Wi-Fi 模式下耗電量不到 800 微安 （μA）。藍(lán)牙功能符合藍(lán)牙 4.2 安全連接標(biāo)準(zhǔn)，還包含用于通過(guò) UART 傳輸藍(lán)牙數(shù)據(jù)的主機(jī)控制器接口，以及支持藍(lán)牙高級(jí)音頻分發(fā)規(guī)范 （A2DP） 子帶編解碼器的音頻處理器。

在 13.3 × 13.4 × 2 毫米 （mm） 的封裝中，包含了射頻功率放大器和開(kāi)關(guān)、濾波器和其他無(wú)源元器件，以及電源管理和其他資源，例如 4 位 SDIO 主機(jī)接口。

Silicon Labs 的 Mighty Gecko EFR32MG13P733F512GM48-D 多協(xié)議 SoC 采用了一種有趣的方法，將微控制器與在 169 MHz 和 2.450 GHz 之間的關(guān)鍵頻率下工作的收發(fā)器結(jié)合在一起。這使之兼容低功耗藍(lán)牙和藍(lán)牙 5.1、Zigbee、Thread，甚至是 802.15g。802.15g 是設(shè)計(jì)用于智能電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中超大型公用事業(yè)應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)變體，這種網(wǎng)絡(luò)可能在廣泛分散的區(qū)域中具有數(shù)百萬(wàn)個(gè)固定端點(diǎn)。

在 Mighty Gecko 系列中，某些器件支持在 1 GHz 以下工作的網(wǎng)絡(luò)，允許針對(duì)特定應(yīng)用進(jìn)行定制，從而支持各種調(diào)制方案，例如 OOK、整形 FSK、整形 OQPSK 和 DSSS 調(diào)制。

Texas Instruments 的 SimpleLink 平臺(tái)包括了多種硬件，支持低功耗藍(lán)牙和藍(lán)牙 5.1、Thread、W-Fi、Zigbee 和“次 1 GHz”解決方案（如 6LoWPAN），以及以太網(wǎng)、CAN 和 USB 等有線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)型號(hào)，此類(lèi)器件可支持兩種或三種無(wú)線(xiàn)協(xié)議。該系列中的每個(gè)型號(hào)均可在單個(gè)軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境中得到支持。

例如，CC2650F128RHBR SimpleLink 多標(biāo)準(zhǔn)無(wú)線(xiàn) MCU 包括對(duì)藍(lán)牙、Zigbee 和 6LoWPAN 的支持，以及對(duì) Zigbee 消費(fèi)電子射頻 （RF4CE） 等遠(yuǎn)程控制應(yīng)用的支持。后一種協(xié)議是 IEEE 802.15.4 的增強(qiáng)版，具有網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層來(lái)創(chuàng)建多供應(yīng)商可互操作解決方案。CC2650 使用 32 位 Arm Cortex-M3 作為主機(jī)處理器，用以搭配功率傳感器控制器使用，即使整個(gè)系統(tǒng)處于休眠模式，該傳感器也可以自主運(yùn)行。藍(lán)牙控制器和 802.15.4 MAC 使用單獨(dú)的 Arm Cortex-M0 處理器，從而釋放內(nèi)存以支持應(yīng)用。

NXP Semiconductors 的 MKW40Z160VHT4 SoC 支持低功耗藍(lán)牙及用于 Zigbee 和 Thread 的 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)，工作頻率在 2.36 GHz 和 2.48 GHz 之間，并采用 Arm Cortex-M0+ CPU、藍(lán)牙鏈路層硬件和 802.15.4 分組處理器。除了主要作為一個(gè)完整的子系統(tǒng)來(lái)使用外，該 SoC 還可充當(dāng)調(diào)制解調(diào)器，以將藍(lán)牙或 802.15.4 連接添加至現(xiàn)有的嵌入式控制器，或者在無(wú)需主機(jī)控制器的嵌入式應(yīng)用中用作獨(dú)立無(wú)線(xiàn)傳感器。

Analog Devices 的 LTC5800IWR-IPMA#PBF 多協(xié)議 SoC 同時(shí)支持前文所述基于 802.15.4 的協(xié)議，以及另一種擁有有趣歷史的協(xié)議，名為 SmartMesh。該協(xié)議由美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)教授 Kris Pister 在 1990 年代后期開(kāi)發(fā)，并得到了 DARPA 的 Smart Dust 項(xiàng)目的資助。該項(xiàng)目的目標(biāo)是創(chuàng)建一款可由電池或通過(guò)能量收集供電的微型、高度可靠的無(wú)線(xiàn)電設(shè)備。主要客戶(hù)將是廣泛分布的管道公用事業(yè)部門(mén)，工作環(huán)境條件通常非常惡劣。

為了使這項(xiàng)技術(shù)商業(yè)化，Pister 聯(lián)合創(chuàng)辦了 Dust Networks，以打造稱(chēng)為 SmartMesh 的網(wǎng)狀無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)。2011 年，該公司被 Linear Technology 收購(gòu)，Linear Technology 自身于 2017 年又被 Analog Devices 收購(gòu)，SmartMesh 便在這里存續(xù)下來(lái)，現(xiàn)在也應(yīng)用于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中。

SmartMesh 包含一個(gè)自我形成的多跳節(jié)點(diǎn)（稱(chēng)為塵埃）網(wǎng)，用于收集和中繼數(shù)據(jù)；以及一個(gè)網(wǎng)絡(luò)管理器，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)性能和安全并與主機(jī)應(yīng)用交換數(shù)據(jù)（圖 3）。由于可靠性是 DARPA 項(xiàng)目的核心要求之一，因此即使在惡劣的環(huán)境條件下，SmartMesh 仍能夠保持 99% 的正常運(yùn)行時(shí)間。其通信協(xié)議是一種擴(kuò)頻變體，稱(chēng)為時(shí)隙信道跳變 （TSCH），可將網(wǎng)絡(luò)中的所有塵埃同步到幾微秒內(nèi)。

圖 3：在 SmartMesh 網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都充當(dāng)一個(gè)路由器，因此可以在任何點(diǎn)連接新節(jié)點(diǎn)。該技術(shù)最多支持 50，000 個(gè)節(jié)點(diǎn)。（圖片來(lái)源：Analog Devices）

網(wǎng)絡(luò)中的所有塵埃能夠同步到不到 1 毫秒 （ms），并且電池壽命可以超過(guò) 10 年。僅需電源去耦、晶體和天線(xiàn)，即可創(chuàng)建一個(gè)完整的無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)。當(dāng)使用全向 2 dBi 增益天線(xiàn)時(shí)，LTC5800-IPM 的典型覆蓋范圍為室外 300 米 （m） 和室內(nèi) 100 m。

總結(jié)

由于無(wú)線(xiàn)協(xié)議有很多變型版本，再加上還有一些遺留系統(tǒng)可能需要支持，因此在部署工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)時(shí)很難選擇到合適的無(wú)線(xiàn)接口和協(xié)議。如上所述，跨多個(gè)射頻頻段支持多個(gè)短程無(wú)線(xiàn)協(xié)議的物聯(lián)網(wǎng) SoC 通過(guò)為設(shè)計(jì)人員帶來(lái)更大的靈活性，而大幅簡(jiǎn)化了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的部署。