由于技術(shù)不斷創(chuàng)新，現(xiàn)在物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 應(yīng)用中存在多種不兼容的無線選擇。盡管有選擇總是一件好事，但是這也使無線網(wǎng)絡(luò)的部署復(fù)雜化——特別是對于舊工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 裝備，其中可能已經(jīng)部署了多個無線網(wǎng)絡(luò)，而現(xiàn)在需要在多個設(shè)施中加裝成百上千個傳感器。
為了解決這個問題，物聯(lián)網(wǎng)收發(fā)器制造商開發(fā)了低成本、低功耗的片上系統(tǒng) (SoC) 解決方案，可在單個器件中跨多個射頻頻段支持多種協(xié)議。
本文簡要介紹了廣泛使用多種短程無線通信標準和規(guī)范所帶來的設(shè)計挑戰(zhàn)。隨后介紹可讓設(shè)計人員靈活應(yīng)對多種射頻接口的 NXP、Texas Instruments、Silicon Labs 和 Analog Devices 片上系統(tǒng) (SoC)，并探索這些器件的功能及其支持的無線協(xié)議。
無線選擇挑戰(zhàn)
僅僅在幾年前，都很少有支持多種無線協(xié)議的物聯(lián)網(wǎng)收發(fā)器或微控制器 SoC，因此邊緣設(shè)備的制造商就會選擇一種協(xié)議，并在整個產(chǎn)品線中使用。例如，在家庭自動化中，這是第一種有實際意義的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，一家“智能”照明產(chǎn)品制造商可能使用 Zigbee，另一家可能使用 Z-Wave，而又一家則可能使用 Wi-Fi，使本來就很復(fù)雜的新技術(shù)對消費者而言更加令人困惑。
工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)市場現(xiàn)在面臨著同樣的挑戰(zhàn)，但在規(guī)模上要大得多。與地理上界限明確的家庭不同，大型制造商的廠房設(shè)施可能遍布全球，需要支持各種設(shè)備和法規(guī)要求。多協(xié)議、多頻段收發(fā)器和微控制器 SoC 的出現(xiàn)，讓工程師能夠更輕松地部署此類設(shè)備、系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。隨著這些 SoC 越來越多地用于邊緣設(shè)備，使用來自單個供應(yīng)商的 SoC 在邊緣設(shè)備中配置支持多種無線協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)將成為可能。
典型的物聯(lián)網(wǎng) SoC 特性
物聯(lián)網(wǎng)的典型 SoC 包括一個基帶和一個基于 IEEE 802.15.4 物理層 (PHY) 無線接口的射頻部分，用于低速率無線個人局域網(wǎng) (LR-WPAN)；一個 Arm 主處理器和協(xié)處理器；某種程度的加密，例如 AES-128；以及一個真隨機數(shù)發(fā)生器 (TRNG)。此外，還包括電源和傳感器管理電路、多個時鐘和計時器，以及多個 I/O 選擇（圖 1）。由于 Zigbee 已成為工業(yè)應(yīng)用中非常流行的協(xié)議，因此在這些設(shè)備中幾乎得到普遍支持，這種情況還有類似的低數(shù)據(jù)速率協(xié)議，例如 Thread。
圖 1：如框圖所示，Texas Instruments 的 CC26xx 系列 Simplelink SoC 是無線物聯(lián)網(wǎng) SoC 的代表。主處理器是 Arm Cortex-M3，由 Arm Cortex-M0 協(xié)處理器支持。（圖片來源：Texas Instruments）
此實例中還包括低功耗藍牙（版本 4），并且越來越多的產(chǎn)品支持藍牙 5（版本 5.1）。在 5.1 版藍牙中采納了網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，使得成藍牙也成為大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)中的另一個有力競爭者。但是，并非所有 SoC 都支持此版本，因此確定工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的備選器件是否支持 5.1 版本非常重要。
一些器件還支持 IPv6 低功耗無線個人局域網(wǎng) (6LoWPAN)，這是互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組 (IETF) 基于 802.15.4 PHY 定義的開放標準。6LoWPAN 加入了實現(xiàn) IPv6 所需的 IP 報頭壓縮 (IPHC)、802.15.4 PHY 和媒體訪問控制 (MAC) 層上的標準 TCP/UDP，并可在 900 兆赫 (MHz)（或更低）以及 2.45 GHz 的頻率下工作。
到互聯(lián)網(wǎng)的上行鏈路通過 IPv6 邊緣路由器來處理，該路由器還連接了多臺 PC 和服務(wù)器（圖 2）。6LoWPAN 網(wǎng)絡(luò)本身使用自己的邊緣路由器連接到 IPv6 網(wǎng)絡(luò)路由器。
圖 2：具有 6LoWPAN 網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的 IPv6 網(wǎng)絡(luò)。到互聯(lián)網(wǎng)的上行鏈路由充當 IPv6 路由器的接入點處理，接入點連接到 IPv6 邊緣路由器，而路由器還可能連接有多臺 PC 和服務(wù)器。6LoWPAN 網(wǎng)絡(luò)使用邊緣路由器連接到 IPv6 網(wǎng)絡(luò)。（圖片來源：Texas Instruments）
6LoWPAN 與眾不同的一個特征是，它能夠在使用標準互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的任何地方提供端到端的數(shù)據(jù)包傳遞，這使得設(shè)計人員能夠在所有應(yīng)用中使用 MQTT、CoAP 和 HTTP 等高級消息傳輸協(xié)議。
像本文提到的其他協(xié)議一樣，除了 2.4 GHz，該協(xié)議也可在“次 1 GHz”無線電上運行，因此具有良好的傳播特性。例如，6LoWPAN 的相關(guān)演示表明，使用射頻輸出功率為 +12 dBm 的收發(fā)器時，在 900 MHz 下的覆蓋距離長達四英里。低頻率在室內(nèi)特別有用，因為它們具有更好的穿墻能力。經(jīng)過適當配置并使用合適的網(wǎng)橋，6LoWPAN 可與任何其他 IP 網(wǎng)絡(luò)（例如以太網(wǎng)、Wi-Fi 或蜂窩數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)）互操作。
基本協(xié)議
目前，尚無 SoC 支持物聯(lián)網(wǎng)中使用的所有無線協(xié)議。對于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計人員而言，這并不是特別重要，因為某些協(xié)議（例如 Thread 和 Z-Wave）已在消費市場中被廣泛采用。這減少了 Zigbee（迄今為止工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的最流行協(xié)議），以及 6LoWPAN 和藍牙的競爭者。這就是說，任何支持 802.15.4 標準的 SoC 都應(yīng)能夠與 Zigbee、LPWAN、Thread，以及可在相同頻段工作的可能專有解決方案一起使用。
對于使用微型電池供電的低功耗邊緣設(shè)備應(yīng)用，多協(xié)議 SoC 通常不包含 Wi-Fi，因為其功耗較高。在物聯(lián)網(wǎng)中，Wi-Fi 的主要使用之處是功耗非關(guān)鍵因素的回程和網(wǎng)關(guān)到互聯(lián)網(wǎng)的接入。但是，由于具有高數(shù)據(jù)傳輸速率且?guī)缀鯚o處不在，因此當城市升級照明、監(jiān)控和其他基礎(chǔ)設(shè)施時，Wi-Fi 是必不可少的。
對于這些應(yīng)用，片上 Wi-Fi SoC 已經(jīng)問世了多年，并且由于該技術(shù)是眾多需要高數(shù)據(jù)速率的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中必不可少的一部分，因此其應(yīng)用正在不斷增長。僅支持 Wi-Fi 的 SoC 之一是 Texas Instruments 的 CC3100R11MRGCR Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)處理器，它具有 2.4 GHz Wi-Fi 無線電和網(wǎng)絡(luò)處理器以及片上 Web 服務(wù)器和 TCP/IP 堆棧。與來自 TI 或任何制造商的微控制器結(jié)合使用時，該 SoC 可在兩個小型器件中形成完整的 Wi-Fi 解決方案。
即便如此，相當多的 SoC 同時支持 Wi-Fi 和藍牙協(xié)議，因為這兩種協(xié)議非常流行且互補。例如，Texas Instruments 的 Wilink 8 Wi-Fi/藍牙組合模塊系列中的 WL1831MODGBMOCR 就支持藍牙和低功耗藍牙。對于 Wi-Fi，該產(chǎn)品包括 IEEE 802.11b/g/n（最大數(shù)據(jù)傳輸速率為每秒 100 兆比特 [Mb/s]）以及 Wi-Fi Direct。該模塊具有 2 x 2 MIMO 能力，覆蓋范圍是單天線設(shè)備的 1.4 倍，并且在 Wi-Fi 模式下耗電量不到 800 微安 (μA)。藍牙功能符合藍牙 4.2 安全連接標準，還包含用于通過 UART 傳輸藍牙數(shù)據(jù)的主機控制器接口，以及支持藍牙高級音頻分發(fā)規(guī)范 (A2DP) 子帶編解碼器的音頻處理器。
在 13.3 × 13.4 × 2 毫米 (mm) 的封裝中，包含了射頻功率放大器和開關(guān)、濾波器和其他無源元器件，以及電源管理和其他資源，例如 4 位 SDIO 主機接口。
Silicon Labs 的 Mighty Gecko EFR32MG13P733F512GM48-D 多協(xié)議 SoC 采用了一種有趣的方法，將微控制器與在 169 MHz 和 2.450 GHz 之間的關(guān)鍵頻率下工作的收發(fā)器結(jié)合在一起。這使之兼容低功耗藍牙和藍牙 5.1、Zigbee、Thread，甚至是 802.15g。802.15g 是設(shè)計用于智能電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中超大型公用事業(yè)應(yīng)用的標準變體，這種網(wǎng)絡(luò)可能在廣泛分散的區(qū)域中具有數(shù)百萬個固定端點。
在 Mighty Gecko 系列中，某些器件支持在 1 GHz 以下工作的網(wǎng)絡(luò)，允許針對特定應(yīng)用進行定制，從而支持各種調(diào)制方案，例如 OOK、整形 FSK、整形 OQPSK 和 DSSS 調(diào)制。
Texas Instruments 的 Simplelink 平臺包括了多種硬件，支持低功耗藍牙和藍牙 5.1、Thread、W-Fi、Zigbee 和“次 1 GHz”解決方案（如 6LoWPAN），以及以太網(wǎng)、CAN 和 USB 等有線標準。根據(jù)型號，此類器件可支持兩種或三種無線協(xié)議。該系列中的每個型號均可在單個軟件開發(fā)環(huán)境中得到支持。
例如，CC2650F128RHBR Simplelink 多標準無線 MCU 包括對藍牙、Zigbee 和 6LoWPAN 的支持，以及對 Zigbee 消費電子射頻 (RF4CE) 等遠程控制應(yīng)用的支持。后一種協(xié)議是 IEEE 802.15.4 的增強版，具有網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層來創(chuàng)建多供應(yīng)商可互操作解決方案。CC2650 使用 32 位 Arm Cortex-M3 作為主機處理器，用以搭配功率傳感器控制器使用，即使整個系統(tǒng)處于休眠模式，該傳感器也可以自主運行。藍牙控制器和 802.15.4 MAC 使用單獨的 Arm Cortex-M0 處理器，從而釋放內(nèi)存以支持應(yīng)用。
NXP Semiconductors 的 MKW40Z160VHT4 SoC 支持低功耗藍牙及用于 Zigbee 和 Thread 的 802.15.4 標準，工作頻率在 2.36 GHz 和 2.48 GHz 之間，并采用 Arm Cortex-M0+ CPU、藍牙鏈路層硬件和 802.15.4 分組處理器。除了主要作為一個完整的子系統(tǒng)來使用外，該 SoC 還可充當調(diào)制解調(diào)器，以將藍牙或 802.15.4 連接添加至現(xiàn)有的嵌入式控制器，或者在無需主機控制器的嵌入式應(yīng)用中用作獨立無線傳感器。
Analog Devices 的 LTC5800IWR-IPMA#PBF 多協(xié)議 SoC 同時支持前文所述基于 802.15.4 的協(xié)議，以及另一種擁有有趣歷史的協(xié)議，名為 SmartMesh。該協(xié)議由美國加州大學(xué)伯克利分校的電氣工程和計算機科學(xué)教授 Kris Pister 在 1990 年代后期開發(fā)，并得到了 DARPA 的 Smart Dust 項目的資助。該項目的目標是創(chuàng)建一款可由電池或通過能量收集供電的微型、高度可靠的無線電設(shè)備。主要客戶將是廣泛分布的管道公用事業(yè)部門，工作環(huán)境條件通常非常惡劣。
為了使這項技術(shù)商業(yè)化，Pister 聯(lián)合創(chuàng)辦了 Dust Networks，以打造稱為 SmartMesh 的網(wǎng)狀無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。2011 年，該公司被 Linear Technology 收購，Linear Technology 自身于 2017 年又被 Analog Devices 收購，SmartMesh 便在這里存續(xù)下來，現(xiàn)在也應(yīng)用于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中。
SmartMesh 包含一個自我形成的多跳節(jié)點（稱為塵埃）網(wǎng)，用于收集和中繼數(shù)據(jù)；以及一個網(wǎng)絡(luò)管理器，負責(zé)協(xié)調(diào)性能和安全并與主機應(yīng)用交換數(shù)據(jù)（圖 3）。由于可靠性是 DARPA 項目的核心要求之一，因此即使在惡劣的環(huán)境條件下，SmartMesh 仍能夠保持 99% 的正常運行時間。其通信協(xié)議是一種擴頻變體，稱為時隙信道跳變 (TSCH)，可將網(wǎng)絡(luò)中的所有塵埃同步到幾微秒內(nèi)。
圖 3：在 SmartMesh 網(wǎng)絡(luò)中，每個節(jié)點都充當一個路由器，因此可以在任何點連接新節(jié)點。該技術(shù)最多支持 50,000 個節(jié)點。（圖片來源：Analog Devices）
網(wǎng)絡(luò)中的所有塵埃能夠同步到不到 1 毫秒 (ms)，并且電池壽命可以超過 10 年。僅需電源去耦、晶體和天線，即可創(chuàng)建一個完整的無線節(jié)點。當使用全向 2 dBi 增益天線時，LTC5800-IPM 的典型覆蓋范圍為室外 300 米 (m) 和室內(nèi) 100 m。
總結(jié)
由于無線協(xié)議有很多變型版本，再加上還有一些遺留系統(tǒng)可能需要支持，因此在部署工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)時很難選擇到合適的無線接口和協(xié)議。如上所述，跨多個射頻頻段支持多個短程無線協(xié)議的物聯(lián)網(wǎng) SoC 通過為設(shè)計人員帶來更大的靈活性，而大幅簡化了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的部署。
