通過射頻技術(shù)為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用增加連接功能

沒有射頻技術(shù)就不可能有物聯(lián)網(wǎng)。自 19世紀(jì)末以來，電磁能量的調(diào)制、傳輸和接收中采用的工藝和技術(shù)已經(jīng)獲得巨大發(fā)展，從開始的微不足道演變?yōu)橐环N全球普遍使用的技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)就是歷史的最新篇章。

關(guān)于使用射頻技術(shù)的立法也發(fā)生了重大變化，但當(dāng)今有許多免授權(quán)解決方案正在影響著現(xiàn)代生活的各個方面。遵循一定的限制，任何人都可以使用現(xiàn)成器件實(shí)現(xiàn)無線電“網(wǎng)絡(luò)”，而這將改變工商業(yè)的面貌。

雖然原理相同，但調(diào)制技術(shù)已發(fā)生了很大變化，這很大程度上得益于數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展。針對 IoT 的無線解決方案的需求現(xiàn)在推動了個人局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)技術(shù)的創(chuàng)新。在遵守區(qū)域限制、觀察和應(yīng)對安全威脅以及確保網(wǎng)絡(luò)中的兼容性方面，無線技術(shù)的使用具有自己的要求。硅片級別的協(xié)議及其實(shí)施正在竭力解決這些問題。

逐漸普及的藍(lán)牙 5

在個人局域網(wǎng) (PAN) 方面，沒有一種技術(shù)比藍(lán)牙更普及，隨著藍(lán)牙 5 的出現(xiàn)，其吸引力將不斷增強(qiáng)。最新版本的規(guī)格發(fā)生了重大升級，因?yàn)樗▽W(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的支持，這種拓?fù)湓试S在各個設(shè)備之間建立直接連接，而無需中央集線器。這將導(dǎo)致藍(lán)牙 PAN 在其尺寸和設(shè)備數(shù)量方面不受約束，這在 IoT 中具有明顯優(yōu)勢。

其他積極的改進(jìn)包括范圍、有效載荷的大小以及功耗，所有這些都將提高藍(lán)牙的適用性，從而增加服務(wù)設(shè)備的數(shù)量。Dialog Semiconductor的DA14586是首批支持藍(lán)牙 5 的集成器件之一。這種高度集成的 SoC 具有三個處理器： 用于應(yīng)用代碼的 ARM? Cortex?-M0 內(nèi)核、用于鏈路層的專用處理器和 AES 128 位加密處理器。它還集成了一個支持單線天線的 2.4 GHz 無線電收發(fā)器。

諸如 DA14586 的器件尺寸小巧、集成度高且對功耗要求較低，是可穿戴設(shè)備的理想之選。在此類應(yīng)用中，將可能在 PCB 上實(shí)施天線，以進(jìn)一步減少 BOM 和總系統(tǒng)基底面。一般來說，這是理想的用例，但與任何射頻設(shè)計(jì)一樣，應(yīng)采取一些預(yù)防措施。

例如，該器件需要一個使用盡可能多通孔進(jìn)行連接的良好且堅(jiān)固的接地平面，以及一個整體緊湊的基底面，以最大限度地減少在較高頻率下工作的元件之間的交叉耦合。通過使用多層 PCB 來幫助實(shí)施最常見的天線格式（即倒 F 天線 (IFA)），可以非常容易地實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。當(dāng)應(yīng)用于藍(lán)牙鏈路時，可以使用折疊的 IFA 格式（相對于展開式 IFA）將所需的 PCB 面積減少一半，但仍可提供可接受的帶寬。圖 1a 和 1b 分別顯示了在 DG14586 的多層 PCB 頂層實(shí)施的全尺寸印刷及以縮減尺寸印刷的 IFA。

圖 1a： 在 1 mm 基底上全尺寸印刷的 IFA。

圖 1b： 在 1 mm 基底上以縮減尺寸印刷的 IFA。

需要注意的是，匹配網(wǎng)絡(luò)將取決于所使用的基底和整體 PCB 厚度。當(dāng)然，天線也應(yīng)該具有足夠的凈空以防任何形式的干擾，通常建議在天線周圍的水平和垂直方向上均保持至少 5 mm 的凈空，并且避免在外殼中使用金屬。

使用 DA14586，還可以在單層 PCB 上實(shí)施天線，但是在沒有連續(xù)接地平面的情況下，IFA 設(shè)計(jì)通常會用印刷偶極天線來代替。但是，由于需要一個平衡不平衡轉(zhuǎn)換器，這可能會增加成本。

多協(xié)議解決方案

雖然藍(lán)牙非常普及的，但它并不是 IoT 中唯一使用的無線協(xié)議。任何單一協(xié)議都不太可能滿足所有應(yīng)用的要求，因此對在 2.4 GHz ISM 頻段實(shí)施多協(xié)議共存的需求將會持續(xù)一段時間。

為此，一些制造商現(xiàn)推出可以在同一設(shè)備中實(shí)施多種無線協(xié)議的器件，這為制造商和消費(fèi)者提供了最大的選擇空間。一個最好的例子就是Silicon Labs的Mighty Gecko 多協(xié)議無線 SoC 系列。

由具有 DSP 擴(kuò)展功能的高性能 ARM Cortex-M4 提供動力，EFR32MG12 可支持 ZigBee、Thread、藍(lán)牙 5 和專有協(xié)議。它還集成了許多適用于 IoT 應(yīng)用的 Silicon Labs 外設(shè)，例如，其低能量傳感器接口 (LESENSE) 和多通道電容感應(yīng)接口 (CSEN)。圖 2 顯示了完全集成且靈活的無線電收發(fā)器，包括一個片上平衡不平衡轉(zhuǎn)換器。憑借 RFSENSE 塊，器件可以在接收到射頻信號時進(jìn)行喚醒，并自主解調(diào)該信號（無需喚醒 MCU），該功能旨在最大限度地延長由電池或所收集能量供電的應(yīng)用的壽命。

圖 2： EFR32MG12 中完全集成的射頻收發(fā)器。

EFR32 系列非常適用于從太陽能、熱能或振動等可再生能源收集能量的應(yīng)用。甚至可以在工業(yè)應(yīng)用中通過從 4-20 mA 電流環(huán)路收集的能量來運(yùn)行 EFR32。圖 3 展示了低功耗工作的 EFR32 如何使設(shè)備通過收集的能量來運(yùn)行。

圖 3： 低功耗模式可以幫助實(shí)現(xiàn)僅通過收集的能量來運(yùn)行的 IoT 應(yīng)用。

高效管理在能量收集應(yīng)用中非常重要，其中包括存儲任何不立即使用的能量?？梢詫?shí)施諸如電解電容器、超級電容器或小型充電電池的能量庫。由于在啟動時存在電流浪涌，還可能需要包括在能量庫充足電之前抑制 SoC 上電的方法。圖 4 是如何實(shí)施這種電壓控制電源開關(guān)的概念圖。應(yīng)在開關(guān)中設(shè)計(jì)滯后，以防止在啟動期間電壓電平降至欠壓水平時 MCU 掉電。

圖 4： 實(shí)施電壓控制電源開關(guān)。

另外值得一提的是，EFM32 系列中的能源模式 4 需要重置，因此應(yīng)在能量收集設(shè)計(jì)中謹(jǐn)慎使用。Silicon Labs 建議盡可能使用睡眠模式 EM1 至 EM3。

低功耗 WAN

由于無線通信不僅限于 PAN，因此可以通過無線 WAN 實(shí)施 IoT 應(yīng)用，從而在更遠(yuǎn)距離范圍內(nèi)提供通信。現(xiàn)在有大量面向電池供電應(yīng)用的低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)，如 LoRaWAN、Weightless、Sigfox，甚至 LTE。

在覆蓋范圍方面，Sigfox 的視距長達(dá) 1000 km，令人印象特別深刻。它使用一種在專有網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行的超窄帶無線電技術(shù)和一種無需在傳輸之前建立連接的簡單協(xié)議來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。

低功率 WAN 的實(shí)施與 PAN 不同，但連接并不難。例如，Microchip的ATA8520D是 Sigfox 網(wǎng)絡(luò)的單芯片收發(fā)器。應(yīng)用示例如圖 5 所示。

圖 5： 如何使用 ATA8520D Sigfox 收發(fā)器的示例。

雖然運(yùn)行 Sigfox 協(xié)議和驅(qū)動集成射頻前端所需的所有固件都在器件的 CPU 上嵌入和執(zhí)行，但對發(fā)送和接收功能的控制仍由主機(jī)處理器通過 SPI 來啟動。

器件將保持關(guān)閉狀態(tài)，直到主機(jī)處理器將其“喚醒”，在 25°C 時的電流消耗通常小于 5 nA。在典型應(yīng)用中，TX/RX 周期將從喚醒開始，然后是一系列指令：獲取狀態(tài)；寫入 TX 緩沖區(qū)；發(fā)送/接收幀；獲取狀態(tài)；讀取 RX 緩沖區(qū)。在讀取指令之后，還可以通過 SPI 發(fā)送關(guān)閉指令，以將器件置于省電模式。

總結(jié)

IoT 將由無線技術(shù)提供支持，但不太可能由單一解決方案主導(dǎo)。能夠?qū)嵤┒喾N無線協(xié)議的單芯片器件的可用性表明碎片化將不會抑制 IoT 的擴(kuò)展。

實(shí)施無線連接的成本在減少，設(shè)計(jì)復(fù)雜性也在不斷降低。全集成 SoC 在低功耗解決方案中嵌入了協(xié)議棧和射頻前端以及強(qiáng)大 MCU，該 SoC 的開發(fā)將在未來促使更多設(shè)備接入物聯(lián)網(wǎng)。

然而，為給定應(yīng)用選擇合適的無線協(xié)議變得愈發(fā)困難。隨著功能之間重疊的不斷增加，協(xié)議的選擇不再那么直觀（或許變得不那么重要）。致力于制造多協(xié)議器件可以盡快解決這一問題。

有一點(diǎn)是毋庸置疑的。PAN 和 WAN 級別的無線連接正在不斷增加，這為每個垂直行業(yè)帶來了更大的靈活性、可控性和整體功能。