一個(gè)將Wi-Fi和藍(lán)牙連接組合在單個(gè)器件中的無(wú)線模塊

在設(shè)計(jì)電子產(chǎn)品項(xiàng)目或產(chǎn)品時(shí)，電子產(chǎn)品經(jīng)常需要能夠與其他設(shè)備進(jìn)行通信。它們需要傳輸各種各樣的數(shù)據(jù)，從天氣信息、醫(yī)療數(shù)據(jù)到可操作的控制命令。我們擁有大量的通信標(biāo)準(zhǔn)可供選擇，它們可在使用或不使用線纜的情況下傳輸信息，我們可以利用這些標(biāo)準(zhǔn)，讓設(shè)備具備相互通信的能力。我們并不總能輕松在長(zhǎng)距離范圍內(nèi)連接多個(gè)設(shè)備，因而距離可能成為一個(gè)限制因素。在這種情況下，使用線纜連接設(shè)備可能昂貴而復(fù)雜。相反，無(wú)線通信提供了更為靈活的解決方案，能夠降低開發(fā)成本并簡(jiǎn)化安裝。

無(wú)線通信通常指使用無(wú)線電波進(jìn)行通信，從幾米的短距離到數(shù)千公里的長(zhǎng)距離，而在深入宇宙的無(wú)線電通信中，距離甚至達(dá)到數(shù)百萬(wàn)公里。無(wú)線通信技術(shù)還包括光通信、聲波通信和電磁感應(yīng)方法。

無(wú)線通信還涉及到多種拓?fù)?。另外，還有使用藍(lán)牙 3.0 及更低版本的點(diǎn)到點(diǎn)設(shè)備，它們只與智能手機(jī)和藍(lán)牙耳機(jī)等其他設(shè)備進(jìn)行一對(duì)一直接通信。智能手機(jī)通常必須與耳機(jī)斷開連接，才能與另一部藍(lán)牙設(shè)備進(jìn)行通信。還有點(diǎn)到多點(diǎn)的通信，將主設(shè)備與多個(gè)其他設(shè)備連接。Wi-Fi 和藍(lán)牙 4.0 及更高版本是點(diǎn)到多點(diǎn)連接的實(shí)例。

在選擇無(wú)線通信拓?fù)鋾r(shí)，需要考慮多個(gè)問(wèn)題。

認(rèn)證

與有線通信技術(shù)類似，無(wú)線技術(shù)也必須符合當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)。由于無(wú)線技術(shù)的合規(guī)條件更為嚴(yán)格，因此通過(guò)認(rèn)證的難度更大。無(wú)線電合規(guī)性基于幾個(gè)基本概念。設(shè)備只能在分配給該無(wú)線電技術(shù)的特定頻率下工作。它不應(yīng)干擾該頻率之外的其他設(shè)備，也不應(yīng)被在其他頻率范圍內(nèi)工作的其他設(shè)備干擾。美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì) (FCC) 法規(guī)第 15 部分對(duì)此做出了詳細(xì)規(guī)定。另外還有關(guān)于最大發(fā)射功率 (EIRP) 的規(guī)定，每個(gè)頻率范圍的這項(xiàng)指標(biāo)都是唯一的。

FCC 是美國(guó)的獨(dú)立機(jī)構(gòu)，負(fù)責(zé)監(jiān)管產(chǎn)品通信。如果要銷售某種產(chǎn)品，該產(chǎn)品必須符合 FCC 標(biāo)準(zhǔn)，并在產(chǎn)品和包裝上顯示唯一的 FCC ID。這種情況與歐洲略有不同。自行認(rèn)證 CE 標(biāo)志表示產(chǎn)品通過(guò)了認(rèn)證，包含多種統(tǒng)合標(biāo)準(zhǔn)。無(wú)線電設(shè)備指令 (RED) 就是以前的 R&TTE，該歐洲指令對(duì)所有產(chǎn)品使用的頻譜做出了規(guī)定。與 FCC 合規(guī)性類似，CE 標(biāo)志必須顯示在產(chǎn)品上，作為產(chǎn)品符合歐洲市場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)要求的證據(jù)。

FCC 和 CE 只是兩種主要認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)。加拿大、澳大利亞、新西蘭、中國(guó)香港、日本、韓國(guó)、亞太區(qū)、非洲和南美都有自己的標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)品必須符合這些標(biāo)準(zhǔn)，才能在這些地區(qū)合法銷售。

對(duì)于制造商而言，遵守不同的地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)，讓每種產(chǎn)品獲得我們所說(shuō)的“型式認(rèn)可”，會(huì)在設(shè)計(jì)和測(cè)試方面產(chǎn)生沉重負(fù)擔(dān)。要開發(fā)一種分立無(wú)線收發(fā)器設(shè)計(jì)，就需要專業(yè)的無(wú)線電設(shè)計(jì)專業(yè)知識(shí)，還需要在無(wú)線電測(cè)試設(shè)備方面進(jìn)行投資，這會(huì)大幅增加開發(fā)新產(chǎn)品的成本和時(shí)間。出于這個(gè)原因，很多工程團(tuán)隊(duì)選擇了使用更簡(jiǎn)單的方法來(lái)提供無(wú)線連接，既無(wú)需應(yīng)對(duì)高速數(shù)字電路帶來(lái)的電磁干擾挑戰(zhàn)，也無(wú)需滿足嚴(yán)格的 EMC 產(chǎn)品法規(guī)。

鑒于這一點(diǎn)，在早期產(chǎn)品開發(fā)過(guò)程中，選擇經(jīng)過(guò)預(yù)先認(rèn)證的無(wú)線模塊通常是一種可取的做法。這樣可以確保合理的產(chǎn)品上市速度，不會(huì)因?yàn)闊o(wú)線電合規(guī)性而造成嚴(yán)重延遲。市場(chǎng)上提供的模塊可能是可編程的，或者需要外部微控制器/微處理器才能正常工作。很多現(xiàn)成模塊還包括嵌入式或板載天線，從而減少了未知因素和可能出現(xiàn)的認(rèn)證問(wèn)題。

在開發(fā)后期階段，通常在接近批量生產(chǎn)時(shí)，我們才可能嘗試開發(fā)定制無(wú)線解決方案。雖然開發(fā)產(chǎn)品和獲取相關(guān)認(rèn)證的成本可能非常高，但由于產(chǎn)品是大批量生產(chǎn)的，因此成本可以大幅降低。這樣還能確保滿足初始生產(chǎn)期限，并在做出進(jìn)一步投資之前，在市場(chǎng)上推出和測(cè)試產(chǎn)品。

選擇無(wú)線技術(shù)

市場(chǎng)上有很多不同的無(wú)線通信方法。每種方法都有自身的優(yōu)勢(shì)和缺點(diǎn)。在選擇可能的模塊之前，必須分清哪些技術(shù)能夠滿足正在開發(fā)中的產(chǎn)品的需求。下面列出了在選擇無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)時(shí)必須考慮的要點(diǎn)：

• 帶寬

• 距離

• 安全

• 功率

• 頻率

帶寬

帶寬主要關(guān)系到發(fā)送多少數(shù)據(jù)，以及發(fā)送數(shù)據(jù)的頻次。Wi-Fi 提供始終在線連接，數(shù)據(jù)速率在 11 Mbps (802.11b) 至 1.3 Gbps (802.11ac) 之間。藍(lán)牙 3.0 和 4.0 在全功率下提供最高 25 Mbps 的速率，傳輸距離最長(zhǎng)達(dá)到 60 米，但不是始終連接。相反，Sigfox 和 LoRa 每 10 分鐘僅能傳輸 12 字節(jié)數(shù)據(jù)，從而降低功耗，最大限度提高電池壽命。

距離

距離涉及發(fā)射器和接收器之間的最大距離。有些技術(shù)在短距離內(nèi)性能出色，例如智能藍(lán)牙（以前的低功耗藍(lán)牙）。GPS 等其他技術(shù)則可接收數(shù)千公里之遙的行星軌道衛(wèi)星的信號(hào)。

安全

在物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 和其他任何無(wú)線設(shè)備中，安全都是一大熱點(diǎn)話題。通過(guò)無(wú)線方式將數(shù)據(jù)從一個(gè)點(diǎn)發(fā)送至另一個(gè)點(diǎn)，會(huì)產(chǎn)生安全問(wèn)題。有些無(wú)線技術(shù)利用強(qiáng)大的加密功能解決了這個(gè)問(wèn)題，但會(huì)縮短電池壽命，還可能減少帶寬。監(jiān)控設(shè)備僅捕捉非?；镜臄?shù)據(jù)，例如溫度或濕度，也許不值得進(jìn)行保護(hù)。但是，它們也可能成為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的薄弱環(huán)節(jié)，為入侵其他更安全設(shè)備提供可乘之機(jī)。敏感數(shù)據(jù)，例如信用卡信息，需要更強(qiáng)大的加密。要考慮的重要因素包括：數(shù)據(jù)的敏感度、同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上的其他設(shè)備以及無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)提供的加密。

功率

在為產(chǎn)品選擇合適的模塊時(shí)，功率也是最重要的因素之一。能效要盡可能的高永遠(yuǎn)是不二法則，不僅是為了節(jié)省電能，還是因?yàn)闇p少發(fā)熱而延長(zhǎng)產(chǎn)品壽命。電池供電型設(shè)備與始終連接墻壁插座的設(shè)備之間的差異可以顯著改變?cè)O(shè)備工作方式。對(duì)于始終通過(guò)墻壁插座供電的設(shè)備，它們的設(shè)計(jì)要簡(jiǎn)單得多。而對(duì)于電池供電的無(wú)線產(chǎn)品，必須考慮到充電、更換或設(shè)計(jì)較長(zhǎng)使用壽命的電源。最初，更換電池似乎只是舉手之勞，但如果客戶有幾千部設(shè)備，例如部署在遠(yuǎn)程位置的物聯(lián)網(wǎng)傳感器，那么需要的資源和后續(xù)成本將是巨大的。

頻率

雖然頻率非常重要，但在選擇無(wú)線模塊時(shí)，它不一定是主要選擇標(biāo)準(zhǔn)。但是，在某些特定情況下，特定的頻帶可能出現(xiàn)飽和，或者產(chǎn)品在特定頻帶中工作是不合法的。對(duì)于本文所述的無(wú)線模塊，分配的頻率都已經(jīng)明確定義。

GSM、GPRS、EDGE、3G、HSDPA、HSPA+ 和 4G LTE

在數(shù)字蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，我們?cè)谑謾C(jī)等移動(dòng)設(shè)備上使用過(guò)多種不同的名稱和技術(shù)。我們應(yīng)該明白，所有技術(shù)都是在其他技術(shù)基礎(chǔ)上演變過(guò)來(lái)的。通用分組無(wú)線服務(wù) (GPRS) 和增強(qiáng)型數(shù)據(jù)速率 GSM 演進(jìn) (EDGE) 是第二代技術(shù)，也稱為 2G。它們的下載速度分別為 114 Kbps 和 384 Kbps。3G 是第三代無(wú)線通信技術(shù)，高速下行分組接入 (HSDPA) 則是 3G 的增強(qiáng)技術(shù)，3G 的下載速度為 3.1 Mbps，HSDPA 的下載速度為 14 Mbps。增強(qiáng)型高速分組接入 (HSPA+) 是第四代技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高達(dá) 168 Mbps 的速度。4G 長(zhǎng)期演進(jìn) (LTE) 技術(shù)支持高清流媒體傳輸，下載速度高達(dá) 299.6 Mbps。

在選擇任何 GSM 模塊時(shí)，要注意的一個(gè)關(guān)鍵是它能否確保產(chǎn)品不過(guò)時(shí)。Sierra Wireless 和 U-blox 都提供了一系列的引腳兼容模塊，支持 2G、3G 和 4G 技術(shù)。這意味著開發(fā)人員只需設(shè)計(jì)一個(gè) PCB，然后插入所需的模塊，即可輕松地集成要在任何地區(qū)或無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中部署的語(yǔ)音和數(shù)據(jù)連接。隨著網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商升級(jí)基礎(chǔ)設(shè)施，他們最終將會(huì)決定停止支持 2G 和 3G 等舊技術(shù)，只保持像 4G 和即將問(wèn)世的 5G 這樣的網(wǎng)絡(luò)。

U-blox 提供的 LARA-R204 就是一個(gè)蜂窩模塊實(shí)例。該模塊能夠在 4 和 13 頻段工作，專為在 Verizon LTE 網(wǎng)絡(luò)上使用而設(shè)計(jì)，它只是能夠支持所有 LTE 網(wǎng)絡(luò)頻段的 LARA-R2 產(chǎn)品系列的一個(gè)成員。它能夠在單?；蚨嗄Ｅ渲孟鹿ぷ?，采用緊湊型 LGA 100 引腳外形尺寸封裝，提供多個(gè)外設(shè)接口選擇。圖 1 是 LARA-R2 系列的功能框圖，其中突出顯示了基帶處理器上的可用接口、收發(fā)器、射頻前端和電源管理功能。

圖 1：U-blox LARA-R2 功能框圖

如果要將任何無(wú)線模塊集成到產(chǎn)品中時(shí)，就必須了解它與主機(jī)建立通信的方式，這一點(diǎn)非常重要。UART 和 I2C 是常用的接口方法，但通常需要有額外的可用 IO 端口（例如 GPIO 和 USB），才能添加其他傳感器和設(shè)備。應(yīng)該考慮的其他功能包括模塊是否支持所需的通信協(xié)議（FTP、HTTP 等），以及模塊是否具備無(wú)線升級(jí)固件 (FOTA) 的能力，對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)而言，這種功能變得日益重要。安全功能（例如加密身份驗(yàn)證和加密技術(shù)）是搭建安全通信鏈路的關(guān)鍵，這一點(diǎn)毋須多言。

這種蜂窩模塊的另一個(gè)特點(diǎn)是提供兩個(gè)天線插座和專用收發(fā)器前端?？刂埔_讓主機(jī)應(yīng)用能夠?qū)崿F(xiàn)天線分集功能，基帶處理器通過(guò)這種功能，確定哪個(gè)天線可為特定鏈路提供最佳蜂窩信號(hào)強(qiáng)度和質(zhì)量。

所有模塊功能的配置和控制都通過(guò)連接的主機(jī)進(jìn)行，使用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)“AT”指令集。該模塊還提供一個(gè)全面的參考手冊(cè)，在這里可以找到在 U-blox 蜂窩模塊上使用“AT”指令的詳細(xì)說(shuō)明。

Wi-Fi 和藍(lán)牙模塊

Wi-Fi 和藍(lán)牙是目前最常用的兩種無(wú)線技術(shù)。作為一種將用戶連接到局域網(wǎng)和/或訪問(wèn)互聯(lián)網(wǎng)的方法，Wi-Fi 在幾乎每個(gè)家庭和企業(yè)中都會(huì)使用。藍(lán)牙則用于各種各樣的低功耗設(shè)備，從免提式耳機(jī)到無(wú)線揚(yáng)聲器、鼠標(biāo)、鍵盤、打印機(jī)等眾多設(shè)備。Wi-Fi 適用于局域網(wǎng)上的高速通信，藍(lán)牙則適用于便攜式設(shè)備。它們通常是互為補(bǔ)充的技術(shù)，很多模塊同時(shí)具備 Wi-Fi 和藍(lán)牙功能。

Silicon Labs 的 WF111 系列就是經(jīng)過(guò)認(rèn)證的符合 802.11 b/g/n 標(biāo)準(zhǔn)的緊湊型 Wi-Fi 模塊的例子，適合廣泛的商業(yè)、工業(yè)和消費(fèi)應(yīng)用。該模塊能夠達(dá)到最高 72.2 Mbps 的位數(shù)據(jù)速率，可為 WEP、WPA 和 WPA2 加密提供硬件支持，還配備了 SDIO 和 CSPI 主機(jī)外設(shè)接口。該模塊帶有內(nèi)部芯片天線或用于外部天線的 U.FL 連接器，具備藍(lán)牙共存功能，允許藍(lán)牙模塊與 Wi-Fi 器件同地協(xié)作。此功能可確保每個(gè)模塊能夠相互感知，幫助避免同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，因?yàn)檫@樣很可能降低鏈路性能。

Texas Instruments 的 WL1831 是另一個(gè)將 Wi-Fi 和藍(lán)牙連接組合在單個(gè)器件中的無(wú)線模塊（圖 2）。對(duì)于同時(shí)需要兩種通信方法的設(shè)計(jì)，這款節(jié)省空間的緊湊型模塊的外形尺寸僅為 13.3 x 13.4 x 2 mm，并集成了射頻收發(fā)器、前端濾波器、射頻開關(guān)以及全面的電源管理功能。它提供兩個(gè)天線插座，其中一個(gè)在 Wi-Fi 和藍(lán)牙收發(fā)器之間切換。

圖 2：組合了 Wi-Fi 和藍(lán)牙無(wú)線模塊的 Texas Instruments WL1831。

在電池供電型設(shè)計(jì)中，特別是要使用 Wi-Fi 時(shí)，功耗是我們關(guān)注的主要問(wèn)題，WL1831 提供低于 800 μA 的連接待機(jī)功耗，從而解決了這個(gè)難題。

LoRa/Sigfox 模塊

LoRa 和 Sigfox 是兩種相似的無(wú)線技術(shù)，同時(shí)工作在 868 MHz（歐盟）和 902 - 928 MHz（美國(guó)）頻段。它們之間并無(wú)激烈競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，但都是在相同的頻率下，以相似的方式工作。它們都作為低功耗廣域網(wǎng) (LPWAN) 方式工作，適用于數(shù)據(jù)速率較低的廣泛網(wǎng)絡(luò)，這一特點(diǎn)使得它們成為物聯(lián)網(wǎng)的理想之選。Sigfox 是作為超窄帶技術(shù)設(shè)計(jì)的，在 30 - 50 公里的距離上，每十分鐘傳輸 12 字節(jié)數(shù)據(jù)，每天能夠接收最多四條消息。相反，LoRa 更多是針對(duì)命令和控制場(chǎng)景設(shè)計(jì)的。它的數(shù)據(jù)包大小仍然非常小，但可由用戶定義。接收數(shù)據(jù)不受限制，但范圍減小為 15 - 20 公里。

越來(lái)越多的供應(yīng)商針對(duì)這些協(xié)議提供收發(fā)器模塊。Multi-Tech Systems 的 MultiConnect xDot 模塊就是一個(gè)例子。這款 LGA 封裝器件非常適合歐洲地區(qū)的很多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。它的深度休眠電流小于 2 μA，預(yù)期電池壽命能夠達(dá)到 10 年甚至更長(zhǎng)。此外，通過(guò)使用引腳復(fù)用，可提供功能全面的外設(shè)集（圖 3）?？梢酝ㄟ^(guò)使用標(biāo)準(zhǔn)“AT”命令集來(lái)實(shí)現(xiàn)模塊控制，在這種情況下，無(wú)需再進(jìn)行更多編程，或者也可以使用 ARM mbed 開發(fā)庫(kù)。

圖 3：復(fù)用引腳外設(shè)功能的 MultiConnect xDot LoRa 模塊。

Sigfox 和 LoRa 同時(shí)工作在工業(yè)、科研和醫(yī)療 (ISM) 無(wú)線電頻段，這些頻段通常是為除電信之外的其他用途保留的。也就是說(shuō)，仍然有一些模塊是為在 ISM 頻段中使用而開發(fā)的。這些模塊通常使用它們自身專有的通信協(xié)議。這些頻段的最常見頻率為 433 MHz、863 MHz 至 870 MHz (EU)、902 至 928 MHz (US)、2.4 GHz 至 2.5 GHz。

網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)

值得注意的是，某些無(wú)線網(wǎng)絡(luò)不一定在點(diǎn)到點(diǎn)、點(diǎn)到多點(diǎn)系統(tǒng)上工作。有些無(wú)線技術(shù)，例如 ZigBee、WiMAX 和 Bluetooth Mesh，在多對(duì)多網(wǎng)絡(luò)上工作。這意味著設(shè)備不一定必須位于與其通信的設(shè)備的傳輸范圍之內(nèi)，而是可以通過(guò)由相似設(shè)備構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)來(lái)傳輸信號(hào)，從而到達(dá)更遠(yuǎn)的最終設(shè)備。有些器件非常適合搭建 ZigBee 網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，例如 Microchip 的 ATSAMR21G18。除了必需的 2.4 GHz 收發(fā)器模塊之外，該器件還具備一些全面的加密身份驗(yàn)證功能，最大工作頻率為 48 MHz，提供最多 17 個(gè)外部 GPIO 引腳。

總結(jié)

預(yù)先合規(guī)模塊確定能夠?yàn)殚_發(fā)和合規(guī)性測(cè)試節(jié)省可觀的成本。但是，在將新產(chǎn)品投放到市場(chǎng)之前，仍然需要進(jìn)一步測(cè)試，當(dāng)然這種測(cè)試不會(huì)到分立設(shè)計(jì)的程度。雖然模塊本身預(yù)先經(jīng)過(guò)了合規(guī)性認(rèn)證，但一旦添加到另一個(gè)系統(tǒng)或產(chǎn)品上，它的特性可能受到影響。

為了幫助完成選擇過(guò)程，Digi-Key 在其網(wǎng)站上提供了無(wú)線開發(fā)工具產(chǎn)品選型表、物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品選型指南和無(wú)線參考設(shè)計(jì)庫(kù)。