無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)開(kāi)發(fā)套件及硬件解決方案

產(chǎn)品開(kāi)發(fā)在過(guò)去較為簡(jiǎn)單。 設(shè)備以往是自足式的，大多數(shù)都沒(méi)有智能和連接功能。 隨著物聯(lián)網(wǎng)的全力發(fā)展，過(guò)去簡(jiǎn)單的日子一去不復(fù)返了。 無(wú)論是煙霧和 CO2 檢測(cè)器，還是咖啡壺、冰箱，一切能夠想到的設(shè)備都紛紛連接到互聯(lián)網(wǎng)。 這使得不熟悉射頻細(xì)微差別的系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員不得不將某種形式的無(wú)線技術(shù)集成到設(shè)計(jì)中。

這對(duì)硬件和軟件都提出了挑戰(zhàn)，使設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)難以決定是選擇自建無(wú)線電來(lái)增加差異性并嘗試降低成本，還是購(gòu)買(mǎi)和集成射頻模塊。

如果決定購(gòu)買(mǎi)，那么 Wi-Fi、藍(lán)牙和 ZigBee 模塊是三大首選的無(wú)線協(xié)議，它們已經(jīng)可用于幾乎所有可能的設(shè)備中。 雖然高效，但集成這些模塊仍需要掌握相關(guān)軟件和射頻特性細(xì)微差別的高水平專(zhuān)業(yè)知識(shí)，這恰恰可能是許多開(kāi)發(fā)人員所不具備的。

自建與購(gòu)買(mǎi)

雖然工程師可能傾向于自建定制的無(wú)線電模塊，但真正開(kāi)始前必須考慮眾多因素。

從頭開(kāi)發(fā)任何無(wú)線電模塊，無(wú)論是采用 Wi-Fi、低功耗藍(lán)牙技術(shù) (BLE)、ZigBee，還是其他標(biāo)準(zhǔn)無(wú)線電，都將花費(fèi)大量時(shí)間。 此外，如果無(wú)線電認(rèn)證機(jī)構(gòu)用于測(cè)試和數(shù)據(jù)審查的周期較長(zhǎng)，則可能出現(xiàn)延遲。 這段時(shí)間本可專(zhuān)注于設(shè)計(jì)的其他方面，但關(guān)鍵的資源卻被占用，這對(duì)于小型企業(yè)或初創(chuàng)企業(yè)來(lái)說(shuō)無(wú)疑是一個(gè)巨大的風(fēng)險(xiǎn)。

從頭開(kāi)發(fā)無(wú)線電模塊不僅給開(kāi)發(fā)周期增加潛在的延遲，還帶來(lái)與認(rèn)證相關(guān)的額外成本。 使用預(yù)認(rèn)證的無(wú)線電模塊，可以使認(rèn)證成本忽略不計(jì)。 另一方面，認(rèn)證模塊需要初始資本投資，通過(guò)認(rèn)證后，還需持續(xù)進(jìn)行維護(hù)并滿足合規(guī)要求。

如果團(tuán)隊(duì)正構(gòu)建大批量產(chǎn)品或者此產(chǎn)品的衍生品也將采用相同模塊，那么對(duì)于他們而言設(shè)計(jì)模塊很有必要。 批量生產(chǎn)定制模塊將花費(fèi) 5 美元至 10 美元，而購(gòu)買(mǎi)預(yù)認(rèn)證模塊的價(jià)格為 15 美元至 40 美元，具體取決于模塊的類(lèi)型。 對(duì)于需要快速上市的小批量產(chǎn)品，可以采用預(yù)認(rèn)證模塊。 對(duì)于設(shè)計(jì)周期更靈活的大批量項(xiàng)目，定制的方案可能更具有經(jīng)濟(jì)效益。

盡管如此，在大批量應(yīng)用中也可采用預(yù)認(rèn)證方案。 舉例來(lái)說(shuō)，就小批量而言，Digi XBEE? SX 模塊價(jià)格為 35 美元（圖 1）。 開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)如果只考慮硬件成本，可能認(rèn)為每個(gè)裝置 35 美元過(guò)于昂貴，因此選擇自己設(shè)計(jì)模塊，但這是極其錯(cuò)誤的。

Digi XBEE? SX 模塊集成了 ZigBee 堆棧、各種開(kāi)發(fā)工具和軟件，開(kāi)發(fā)費(fèi)用可能多達(dá)數(shù)十萬(wàn)美元。 如果考慮到軟件堆棧開(kāi)發(fā)成本，特別是對(duì)于合理實(shí)施協(xié)議特征的穩(wěn)健軟件堆棧，構(gòu)建模塊將提升到完全不同的開(kāi)發(fā)專(zhuān)業(yè)水平。

圖 1： 像 Digi XBEE? SX 這樣的長(zhǎng)距離模塊對(duì)于小批量應(yīng)用來(lái)說(shuō)價(jià)格富有競(jìng)爭(zhēng)力，其通信范圍可達(dá) 9 到 65 英里。 （圖片來(lái)源： Digi International）

使用預(yù)認(rèn)證模塊簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)

借助預(yù)認(rèn)證的無(wú)線模塊，開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)能夠降低總開(kāi)發(fā)成本，并加快上市速度。 雖然此類(lèi)技術(shù)無(wú)處不在，但實(shí)施過(guò)程極其復(fù)雜，需要特殊的專(zhuān)業(yè)知識(shí)來(lái)提供利用協(xié)議特征的簡(jiǎn)單接口。 預(yù)認(rèn)證模塊肯定能簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、縮短上市時(shí)間，但并非所有的預(yù)認(rèn)證模塊都完全相同。

在選擇無(wú)線模塊時(shí)，功能集的可擴(kuò)展性是要尋找的關(guān)鍵功能。 隨著產(chǎn)品不斷演進(jìn)，如果從核心功能集過(guò)于局限的部分開(kāi)始設(shè)計(jì)，那么當(dāng)需要更多的特征和復(fù)雜性時(shí)，整體設(shè)計(jì)會(huì)受到限制。 ZigBee 可擴(kuò)展解決方案的一個(gè)典范，就是 Digi XBEE? 解決方案。 開(kāi)發(fā)人員可在此獲取能傳輸距離從幾百英尺到最遠(yuǎn) 65 英里的模塊，而無(wú)需或只需少量開(kāi)發(fā)開(kāi)銷(xiāo)。

在設(shè)計(jì)中應(yīng)優(yōu)先考慮的另一個(gè)特征是物理尺寸。 與集成或定制的解決方案相比，某些預(yù)認(rèn)證模塊可能尺寸大、占據(jù)較大空間。 由于許多工業(yè)設(shè)計(jì)師想要?jiǎng)?chuàng)造出外觀流暢、輕薄且富有吸引力的設(shè)備，因此應(yīng)避免采用占據(jù)大量空間的龐大模塊。 Texas Instruments CC2564MODNCMOET 藍(lán)牙模塊尺寸為 7.1 mm×7.1 mm×1.4 mm，十分時(shí)尚小巧，并已通過(guò) FCC 和 CE 合規(guī)性的預(yù)認(rèn)證（圖 2）。

圖 2： Texas Instruments 的 CC256MODN 藍(lán)牙 4.1 雙模 HCI 模塊已獲得全面認(rèn)證，具備低功耗藍(lán)牙特性。 （圖片來(lái)源： Texas Instruments）

一旦選擇了預(yù)認(rèn)證的模塊，必須注意確保其正確安裝到 PCB 上。 例如，對(duì)于包含板載天線的模塊，天線下方或制造商規(guī)格書(shū)中指定的禁區(qū)內(nèi)不得有任何接地層或金屬， 否則可能會(huì)影響天線的阻抗，并可能造成天線失諧，使通信變得非常不穩(wěn)定。 由于金屬會(huì)影響天線性能，因此還須確保設(shè)備外殼設(shè)計(jì)合理。

對(duì)用于啟動(dòng)并運(yùn)行模塊的軟件開(kāi)發(fā)工具和堆棧，需要進(jìn)行仔細(xì)的考量。 一些模塊在運(yùn)行時(shí)需要大量外部軟件進(jìn)行設(shè)置和配置。 如果這些軟件堆棧不是由制造商提供，則開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)可能需要寫(xiě)數(shù)千行代碼，才能保證預(yù)認(rèn)證模塊正常工作。 在此類(lèi)情況下，制造商必須提供具有良好硬件抽象層的微控制器代碼示例，以實(shí)現(xiàn)便攜性。

優(yōu)選模塊在啟動(dòng)時(shí)最多需要一個(gè)基本配置命令，隨后在 UART 上僅需透明傳輸和串行數(shù)據(jù)接收。

混合解決方案能結(jié)合以上兩種解決方案的優(yōu)勢(shì)

幸運(yùn)的是，開(kāi)發(fā)人員在尋求無(wú)線解決方案時(shí)，不只有自建或購(gòu)買(mǎi)這兩種選擇。 他們還有第三個(gè)可行的解決方案，即混合方法。 通過(guò)使用無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，如 Silicon Labs Gecko 無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)（圖 3），他們可以選擇將兩種解決方案的優(yōu)勢(shì)部分相結(jié)合，或選擇帶有集成無(wú)線前端的微控制器。 在這兩種情況下，開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)都需要尋找一些參數(shù)，以確保成功。

圖 3： Silicon Labs Blue Gecko 無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)開(kāi)發(fā)套件開(kāi)箱即用，可直接連接微控制器、藍(lán)牙和軟件堆棧。 （圖片來(lái)源： Silicon Labs）

首先，無(wú)線產(chǎn)品中使用的任何平臺(tái)或微控制器都必須具有高能效。 雖然物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備可由電池和電網(wǎng)供電，但部署數(shù)十億的設(shè)備而不考慮能耗是絕對(duì)不行的。 選擇低功耗微控制器，如 STMicroelectronics STM32L0 或 NXP Kinetis-L 81，可幫助確保與該產(chǎn)品相關(guān)的主控制器具有高能效。 由于這些微控制器還支持各種預(yù)建驅(qū)動(dòng)程序和軟件開(kāi)發(fā)工具，開(kāi)發(fā)人員能快速啟動(dòng)并實(shí)施無(wú)線解決方案。

其次，專(zhuān)門(mén)針對(duì)無(wú)線解決方案的微控制器將無(wú)線收發(fā)器內(nèi)置于微控制器中，可減少零件數(shù)量、加速認(rèn)證過(guò)程，進(jìn)而節(jié)省時(shí)間和成本。 一個(gè)完美的例子是 Silicon Labs EFR32FG1P132F64GM32-C0，它含有一個(gè)板載藍(lán)牙收發(fā)器。 此微控制器設(shè)計(jì)為低功耗 MCU，并得到軟件庫(kù)的支持，可操作藍(lán)牙堆棧。

集成解決方案為開(kāi)發(fā)人員提供了綜合選項(xiàng)，實(shí)現(xiàn)從頭開(kāi)始自建與購(gòu)買(mǎi)預(yù)認(rèn)證模塊之間的平衡。 很多時(shí)候，有一些經(jīng)認(rèn)證的參考設(shè)計(jì)，如果遵循這些設(shè)計(jì)，能大幅縮減開(kāi)發(fā)和認(rèn)證時(shí)間。 開(kāi)發(fā)人員需認(rèn)識(shí)到，內(nèi)置有無(wú)線收發(fā)器的微控制器將用部分處理時(shí)間管理無(wú)線堆棧，這會(huì)略微降低其整體性能。 開(kāi)發(fā)人員需確保小心編寫(xiě)軟件，以免 CPU 過(guò)載或錯(cuò)過(guò)任何實(shí)時(shí)調(diào)度額定截止時(shí)間。

另一個(gè)潛在的問(wèn)題是集成收發(fā)器仍需外部天線元件。 開(kāi)發(fā)人員需仔細(xì)遵循其參考設(shè)計(jì)，如果其傳輸線路設(shè)計(jì)不合理，可能會(huì)將項(xiàng)目延遲數(shù)月。 在大多數(shù)情況下，IC 供應(yīng)商非常樂(lè)意審查任何設(shè)計(jì)，并提供意見(jiàn)和建議，以確保過(guò)程順利進(jìn)行。

結(jié)論

決定自建、購(gòu)買(mǎi)還是集成無(wú)線功能，是讓人相當(dāng)困惑的設(shè)計(jì)問(wèn)題。 一般而言，開(kāi)發(fā)人員只會(huì)關(guān)注與舊無(wú)線技術(shù)相關(guān)的硬件設(shè)計(jì)和制造成本。 這種方法的問(wèn)題在于今天的無(wú)線通信不再是簡(jiǎn)單的硬件解決方案，而需要一組復(fù)雜的軟件堆棧和工具才能使模塊正常工作。 雖然在設(shè)計(jì)之初，自建模塊極具吸引力，但這存在眾多風(fēng)險(xiǎn)和潛在障礙，而采用預(yù)認(rèn)證模塊或利用集成解決方案的風(fēng)險(xiǎn)則要低得多。