推動個人局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)技術的解決方案

沒有射頻技術就不可能有物聯(lián)網(wǎng)。自 19 世紀末以來，電磁能量的調制、傳輸和接收中采用的工藝和技術已經獲得巨大發(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。物聯(lián)網(wǎng)就是歷史的最新篇章。

關于使用射頻技術的立法也發(fā)生了重大變化，但當今有許多免授權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)成器件實現(xiàn)無線電“網(wǎng)絡”，而這將改變工商業(yè)的面貌。

雖然原理相同，但調制技術已發(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)技術的創(chuàng)新。在遵守區(qū)域限制、觀察和應對安全威脅以及確保網(wǎng)絡中的兼容性方面，無線技術的使用具有自己的要求。硅片級別的協(xié)議及其實施正在竭力解決這些問題。

逐漸普及的藍牙 5

在個人局域網(wǎng) (PAN) 方面，沒有一種技術比藍牙更普及，隨著藍牙 5 的出現(xiàn)，其吸引力將不斷增強。最新版本的規(guī)格發(fā)生了重大升級，因為它包括對網(wǎng)狀網(wǎng)絡的支持，這種拓撲允許在各個設備之間建立直接連接，而無需中央集線器。這將導致藍牙 PAN 在其尺寸和設備數(shù)量方面不受約束，這在 IoT 中具有明顯優(yōu)勢。

其他積極的改進包括范圍、有效載荷的大小以及功耗，所有這些都將提高藍牙的適用性，從而增加服務設備的數(shù)量。Dialog Semiconductor 的 DA14586 是首批支持藍牙 5 的集成器件之一。這種高度集成的 SoC 具有三個處理器： 用于應用代碼的 ARM? Cortex?-M0 內核、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，是可穿戴設備的理想之選。在此類應用中，將可能在 PCB 上實施天線，以進一步減少 BOM 和總系統(tǒng)基底面。一般來說，這是理想的用例，但與任何射頻設計一樣，應采取一些預防措施。

例如，該器件需要一個使用盡可能多通孔進行連接的良好且堅固的接地平面，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 來幫助實施最常見的天線格式（即倒 F 天線 (IFA)），可以非常容易地實現(xiàn)這一點。當應用于藍牙鏈路時，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)絡將取決于所使用的基底和整體 PCB 厚度。當然，天線也應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 上實施天線，但是在沒有連續(xù)接地平面的情況下，IFA 設計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換器，這可能會增加成本。

多協(xié)議解決方案

雖然藍牙非常普及的，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用的要求，因此對在 2.4 GHz ISM 頻段實施多協(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)推出可以在同一設備中實施多種無線協(xié)議的器件，這為制造商和消費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 擴展功能的高性能 ARM Cortex-M4 提供動力，EFR32MG12 可支持 ZigBee、Thread、藍牙 5 和專有協(xié)議。它還集成了許多適用于 IoT 應用的 Silicon Labs 外設，例如，其低能量傳感器接口 (LESENSE) 和多通道電容感應接口 (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換器。憑借 RFSENSE 塊，器件可以在接收到射頻信號時進行喚醒，并自主解調該信號（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用。甚至可以在工業(yè)應用中通過從 4-20 mA 電流環(huán)路收集的能量來運行 EFR32。圖 3 展示了低功耗工作的 EFR32 如何使設備通過收集的能量來運行。

圖 3： 低功耗模式可以幫助實現(xiàn)僅通過收集的能量來運行的 IoT 應用。

高效管理在能量收集應用中非常重要，其中包括存儲任何不立即使用的能量?？梢詫嵤┲T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 是如何實施這種電壓控制電源開關的概念圖。應在開關中設計滯后，以防止在啟動期間電壓電平降至欠壓水平時 MCU 掉電。

圖 4： 實施電壓控制電源開關。

另外值得一提的是，EFM32 系列中的能源模式 4 需要重置，因此應在能量收集設計中謹慎使用。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 實施 IoT 應用，從而在更遠距離范圍內提供通信?，F(xiàn)在有大量面向電池供電應用的低功耗廣域網(wǎng)技術，如 LoRaWAN、Weightless、Sigfox，甚至 LTE。

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

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

圖 5： 如何使用 ATA8520D Sigfox 收發(fā)器的示例。

雖然運行 Sigfox 協(xié)議和驅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處理器通過 SPI 來啟動。

器件將保持關閉狀態(tài)，直到主機處理器將其“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)送關閉指令，以將器件置于省電模式。

總結

IoT 將由無線技術提供支持，但不太可能由單一解決方案主導。能夠實施多種無線協(xié)議的單芯片器件的可用性表明碎片化將不會抑制 IoT 的擴展。

實施無線連接的成本在減少，設計復雜性也在不斷降低。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大 MCU，該 SoC 的開發(fā)將在未來促使更多設備接入物聯(lián)網(wǎng)。

然而，為給定應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。