如何實施無線診斷工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)

　　世界各地有許多不同的未授權頻段用于無線操作，每個頻段對于收集工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 的診斷數(shù)據(jù)具有不同的含義。某些頻段（例如 2.4 GHz）具有標準化協(xié)議，例如 ZigBee、藍牙和 Wi-Fi，可用于收集來自工業(yè)設備的數(shù)據(jù)和有關工業(yè)設備的數(shù)據(jù)，以及訪問有關網(wǎng)絡的診斷數(shù)據(jù)。1其他 sub-GHz 頻段雖然可能成本更低、范圍更遠，但不提供這些功能。

　　圖 1：全球未經(jīng)許可的無線頻段。

　　申請要求也很重要。與流式視頻或文件傳輸相比，用于診斷的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用需要的數(shù)據(jù)更少，因此設計人員有更多選擇。網(wǎng)絡的規(guī)模和定位也很重要。更高的頻段提供更多的通道和更多的帶寬，因此可以服務于更大的網(wǎng)絡并推動更多的數(shù)據(jù)吞吐量。低頻無線電波比高頻傳播得更好，因此可以達到更好的范圍，尤其是在建筑物內(nèi)。

　　這些頻段中的每一個也有不同的優(yōu)化和處理要求。2.4 GHz 頻段協(xié)議的更高性能要求對無線收發(fā)器的設計和功耗產(chǎn)生了重大影響。然而，德州儀器等公司的硅設計不斷發(fā)展，不斷更新技術，通過更高水平的數(shù)字和模擬組件集成來降低成本和功耗。

　　拓撲

　　無線網(wǎng)絡也可以按節(jié)點的連接方式進行分類。拓撲結構各不相同，從所有節(jié)點都連接到一個中央節(jié)點（通常是 Internet 的網(wǎng)關）的星型到每個節(jié)點都可以連接到多個其他節(jié)點的網(wǎng)格，其中一個節(jié)點可以用作 Internet 網(wǎng)關。

　　圖 2：針對范圍、吞吐量和網(wǎng)絡拓撲表征不同的無線協(xié)議。

　　星形拓撲的一個流行示例是 Wi-Fi 網(wǎng)絡，其中一個中心節(jié)點作為接入點 （AP），其他節(jié)點作為站點。藍牙也可以是一個以智能手機或平板電腦為中心節(jié)點的星型網(wǎng)絡。

　　網(wǎng)狀網(wǎng)絡的一個示例是 ZigBee Light Link 網(wǎng)絡，其中多個照明設備形成網(wǎng)狀網(wǎng)絡，以擴展大型建筑物中的網(wǎng)絡覆蓋范圍。其中一個 ZigBee 節(jié)點稱為協(xié)調(diào)器，它通常也用作 Internet 網(wǎng)關。

　　然而，與星形網(wǎng)絡相比，網(wǎng)狀網(wǎng)絡的設計更復雜，并且通過網(wǎng)狀網(wǎng)絡從遠程節(jié)點路由消息的延遲可能更長。網(wǎng)狀拓撲的好處是它可以通過多跳擴展網(wǎng)絡范圍，同時保持低無線電傳輸功率。如果一個節(jié)點發(fā)生故障，它們還可以通過啟用多個路徑通過網(wǎng)絡中繼消息來實現(xiàn)更好的可靠性。

　　網(wǎng)絡的規(guī)模也是一個重要的考慮因素。例如，藍牙支持多達 20 個連接，盡管它正在通過網(wǎng)狀網(wǎng)絡功能進行擴展。ZigBee 等其他協(xié)議可以支持數(shù)千個連接。

　　星型和網(wǎng)狀拓撲均已在協(xié)議中標準化，主要運行在 2.4 GHz，盡管 ZigBee 也可用于 sub-GHz 頻段。在這里，數(shù)據(jù)帶寬被換成更長的范圍，非常適合診斷數(shù)據(jù)。

　　Sub-GHz 頻段

　　全球不同地區(qū)的 sub-GHz 頻段從 315 MHz 到 915 MHz 不等。通過擁有靈活的射頻前端，可以生產(chǎn)出具有成本效益的片上系統(tǒng)，該片上系統(tǒng)可以在所有不同的頻段上運行。這允許使用 CC1310DK-KIT-ND 等模塊輕松設置低數(shù)據(jù)速率診斷鏈路。

　　圖 3：無線模塊簡化了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)診斷數(shù)據(jù)的采集。

　　這些模塊使用 CC1310，這是低于 1GHz 的經(jīng)濟高效、超低功耗無線 MCU 系列中的第一款。CC1310在支持多個物理層和射頻標準的平臺中結合了靈活、極低功耗的射頻收發(fā)器和強大的 48 MHz Cortex-M3 微控制器。

　　該架構的一個關鍵部分是專用無線電控制器（使用 Cortex-M0 內(nèi)核），它處理存儲在 ROM 或 RAM 中的低級 RF 協(xié)議命令，從而確保超低功耗和靈活性以支持不同頻段和不同的專有物理層協(xié)議。

　　對于診斷應用，傳感器可以通過專用的自主超低功耗控制器塊以非常低的功耗方式處理，該控制器塊可以配置為處理模擬和數(shù)字傳感器。這允許主 Cortex-M3 內(nèi)核在最長的時間內(nèi)保持睡眠模式以降低功耗。

　　電源和時鐘管理以及無線電系統(tǒng)需要通過軟件進行特定配置和處理才能正確運行，這已在 TI 實時操作系統(tǒng) （RTOS） 中實現(xiàn)。完整的 TI-RTOS 和設備驅(qū)動程序以源代碼的形式免費提供。

　　ZigBee 基于 IEEE 802.15.4 鏈路層標準，是一種低吞吐量、低功耗和低成本的技術，可在 2.4 GHz ISM 頻段提供高達 250 kbit/s 的速率，盡管該規(guī)范還支持 868 MHz和 915 MHz ISM 頻段。它還能夠保持非常長的睡眠間隔和低工作占空比，由紐扣電池供電數(shù)年。

　　該標準在 802.15.4 鏈路層之上定義了更高的網(wǎng)絡層，并且各種應用程序配置文件支持可互操作的實施，CC1130 的性能可以支持這些協(xié)議用于 sub-GHz 頻段操作。

　　ZigBee 可用于多種應用，但它在智能能源、工業(yè)自動化和照明控制方面已獲得發(fā)展勢頭。

　　其成功的原因之一是可以包含多達數(shù)千個節(jié)點的網(wǎng)狀網(wǎng)絡拓撲。

　　為了連接到物聯(lián)網(wǎng)，ZigBee 網(wǎng)絡需要一個應用級網(wǎng)關，該網(wǎng)關是網(wǎng)絡中的節(jié)點之一。該網(wǎng)關使用以太網(wǎng)或 Wi-Fi 連接來連接到 Internet，與 ZigBee 堆棧并行運行 TCP/IP 堆棧和應用程序。

　　為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)構建專有網(wǎng)狀網(wǎng)絡可能既耗時又昂貴，尤其是考慮到需要確保所有節(jié)點免受黑客攻擊，這就是許多現(xiàn)有網(wǎng)絡使用星形拓撲的原因。因此，在 sub-GHz 頻帶中使用 ZigBee 來提供診斷數(shù)據(jù)因其可擴展性、低功耗和耐用性而受到關注。

　　2.4 GHz 頻段

　　2.4 GHz ISM 頻段為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的無線連接提供了許多不同的選項。ZigBee、藍牙和 Wi-Fi 都是可以與星形或網(wǎng)狀網(wǎng)絡一起使用的協(xié)議，以提供來自工業(yè)設備的診斷數(shù)據(jù)。

　　CC2640無線 MCU包含一個 ARM? Cortex?-M3 （CM3） 內(nèi)核，該內(nèi)核運行應用程序以及藍牙或 ZigBee 協(xié)議棧的更高層。CM3 處理器提供了一個高性能、低成本的平臺，該平臺可滿足最小內(nèi)存實現(xiàn)和低功耗的系統(tǒng)要求，并具有對收集診斷數(shù)據(jù)所需的中斷的快速系統(tǒng)響應。

　　圖 4：CC2540 結合了 ARM Cortex-M3、Cortex-M0 和專有傳感器控制器，為 2.4 GHz 頻段提供靈活的無線節(jié)點。

　　與 CC1130 一樣，RF 內(nèi)核包含一個 ARM Cortex-M0 處理器，該處理器連接模擬 RF 和基帶電路，處理進出系統(tǒng)端的數(shù)據(jù)，并將信息位組裝成給定的數(shù)據(jù)包結構，以便通過網(wǎng)絡分發(fā)到基于云的應用程序。內(nèi)核使用高級、基于命令的 API 到主 CPU 來傳輸數(shù)據(jù)，盡管應用程序開發(fā)人員無法訪問。

　　RF 內(nèi)核能夠自主處理低功耗藍牙無線電協(xié)議的時間關鍵方面，減少主 CPU 的負載并為用戶應用程序留出更多資源，并擁有自己的 4 KB SRAM 塊，最初運行于單獨的ROM存儲器。

　　CC2640 用于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)診斷的關鍵部分是傳感器控制器。這是一款專有的功率優(yōu)化控制器，可選擇性地啟用不同的外圍設備，例如溫度傳感器和數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)?？刂破骺梢宰灾髯x取和監(jiān)控傳感器或執(zhí)行其他任務，從而顯著降低功耗并減輕主 CM3 CPU 的負載。

　　傳感器控制器使用基于 PC 的配置工具（稱為 Sensor Controller Studio）進行設置，可用于控制使用集成 ADC 的模擬傳感器和使用 GPIO、bit-banged I 2 C 和 SPI 的數(shù)字傳感器。它還可以與 UART 通信一起用于傳感器讀取或調(diào)試，也可用于電容感應、波形生成、脈沖計數(shù)和用于輪詢旋轉傳感器的正交解碼器。來自這些傳感器的數(shù)據(jù)可以通過 RF 核心將診斷信息提供回云中的應用程序。

　　設備的 Always On （AON） 部分包含在有電源時始終啟用的電路。這包括實時時鐘，可用于將設備從處于活動狀態(tài)的任何狀態(tài)喚醒。RTC 包含三個比較寄存器和一個捕捉寄存器。通過軟件支持，RTC 可用于時鐘和日歷操作。電池監(jiān)視器和溫度傳感器可通過 AON 由軟件訪問，并提供電池狀態(tài)指示以及可用于無線節(jié)點診斷的粗略溫度測量。如果電池出現(xiàn)問題，或者節(jié)點過熱，則可以將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡監(jiān)控軟件，然后作為對運營商的警報。

　　結論

　　為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)解決未經(jīng)許可的無線頻段范圍可能是一項挑戰(zhàn)，尤其是在處理診斷數(shù)據(jù)方面。最新的片上系統(tǒng)射頻收發(fā)器結合了高能效和優(yōu)化的控制器，可以處理診斷數(shù)據(jù)并將其中繼到網(wǎng)關節(jié)點，以傳輸?shù)皆贫说膶I(yè)應用程序。該數(shù)據(jù)可用于診斷工業(yè)設備和無線網(wǎng)絡本身的健康狀況，以預測問題。然后，這些數(shù)據(jù)可用于通過主動維護和更換來避免代價高昂的停機。