發布日期：2022-04-17 點擊率：60
由于技術不斷創新，現在物聯網 (IoT) 應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，但是這也使無線網絡的部署復雜化——特別是對于舊工業物聯網 (IIoT) 裝備，其中可能已經部署了多個無線網絡，而現在需要在多個設施中加裝成百上千個傳感器。
為了解決這個問題，物聯網收發器制造商開發了低成本、低功耗的片上系統 (SoC) 解決方案，可在單個器件中跨多個射頻頻段支持多種協議。
本文簡要介紹了廣泛使用多種短程無線通信標準和規范所帶來的設計挑戰。隨后介紹可讓設計人員靈活應對多種射頻接口的 NXP、Texas Instruments、Silicon Labs 和 Analog Devices 片上系統 (SoC)，并探索這些器件的功能及其支持的無線協議。
僅僅在幾年前，都很少有支持多種無線協議的物聯網收發器或微控制器 SoC，因此邊緣設備的制造商就會選擇一種協議，并在整個產品線中使用。例如，在家庭自動化中，這是第一種有實際意義的物聯網應用，一家“智能”照明產品制造商可能使用 Zigbee，另一家可能使用 Z-Wave，而又一家則可能使用 Wi-Fi，使本來就很復雜的新技術對消費者而言更加令人困惑。
工業物聯網市場現在面臨著同樣的挑戰，但在規模上要大得多。與地理上界限明確的家庭不同，大型制造商的廠房設施可能遍布全球，需要支持各種設備和法規要求。多協議、多頻段收發器和微控制器 SoC 的出現，讓工程師能夠更輕松地部署此類設備、系統和網絡架構。隨著這些 SoC 越來越多地用于邊緣設備，使用來自單個供應商的 SoC 在邊緣設備中配置支持多種無線協議的網絡將成為可能。
物聯網的典型 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 (LR-WPAN)；一個 Arm 主處理器和協處理器；某種程度的加密，例如 AES-128；以及一個真隨機數發生器 (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 已成為工業應用中非常流行的協議，因此在這些設備中幾乎得到普遍支持，這種情況還有類似的低數據速率協議，例如 Thread。
圖 1：如框圖所示，Texas Instruments 的 CC26xx 系列 Simplelink SoC 是無線物聯網 SoC 的代表。主處理器是 Arm Cortex-M3，由 Arm Cortex-M0 協處理器支持。（圖片來源：Texas Instruments）
此實例中還包括低功耗藍牙（版本 4），并且越來越多的產品支持藍牙 5（版本 5.1）。在 5.1 版藍牙中采納了網狀網絡，使得成藍牙也成為大規模物聯網中的另一個有力競爭者。但是，并非所有 SoC 都支持此版本，因此確定工業物聯網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 (6LoWPAN)，這是互聯網工程任務組 (IETF) 基于 802.15.4 PHY 定義的開放標準。6LoWPAN 加入了實現 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。
到互聯網的上行鏈路通過 IPv6 邊緣路由器來處理，該路由器還連接了多臺 PC 和服務器（圖 2）。6LoWPAN 網絡本身使用自己的邊緣路由器連接到 IPv6 網絡路由器。
圖 2：具有 6LoWPAN 網狀網絡的 IPv6 網絡。到互聯網的上行鏈路由充當 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 和服務器。6LoWPAN 網絡使用邊緣路由器連接到 IPv6 網絡。（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網協議的任何地方提供端到端的數據包傳遞，這使得設計人員能夠在所有應用中使用 MQTT、CoAP 和 HTTP 等高級消息傳輸協議。
像本文提到的其他協議一樣，除了 2.4 GHz，該協議也可在“次 1 GHz”無線電上運行，因此具有良好的傳播特性。例如，6LoWPAN 的相關演示表明，使用射頻輸出功率為 +12 dBm 的收發器時，在 900 MHz 下的覆蓋距離長達四英里。低頻率在室內特別有用，因為它們具有更好的穿墻能力。經過適當配置并使用合適的網橋，6LoWPAN 可與任何其他 IP 網絡（例如以太網、Wi-Fi 或蜂窩數據網絡）互操作。
目前，尚無 SoC 支持物聯網中使用的所有無線協議。對于工業物聯網網絡的設計人員而言，這并不是特別重要，因為某些協議（例如 Thread 和 Z-Wave）已在消費市場中被廣泛采用。這減少了 Zigbee（迄今為止工業物聯網中的最流行協議），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備應用，多協議 SoC 通常不包含 Wi-Fi，因為其功耗較高。在物聯網中，Wi-Fi 的主要使用之處是功耗非關鍵因素的回程和網關到互聯網的接入。但是，由于具有高數據傳輸速率且幾乎無處不在，因此當城市升級照明、監控和其他基礎設施時，Wi-Fi 是必不可少的。
對于這些應用，片上 Wi-Fi SoC 已經問世了多年，并且由于該技術是眾多需要高數據速率的物聯網應用中必不可少的一部分，因此其應用正在不斷增長。僅支持 Wi-Fi 的 SoC 之一是 Texas Instruments 的 CC3100R11MRGCR Wi-Fi 網絡處理器，它具有 2.4 GHz Wi-Fi 無線電和網絡處理器以及片上 Web 服務器和 TCP/IP 堆棧。與來自 TI 或任何制造商的微控制器結合使用時，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 和藍牙協議，因為這兩種協議非常流行且互補。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，該產品包括 IEEE 802.11b/g/n（最大數據傳輸速率為每秒 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 傳輸藍牙數據的主機控制器接口，以及支持藍牙高級音頻分發規范 (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、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 之間的關鍵頻率下工作的收發器結合在一起。這使之兼容低功耗藍牙和藍牙 5.1、Zigbee、Thread，甚至是 802.15g。802.15g 是設計用于智能電網網絡中超大型公用事業應用的標準變體，這種網絡可能在廣泛分散的區域中具有數百萬個固定端點。
在 Mighty Gecko 系列中，某些器件支持在 1 GHz 以下工作的網絡，允許針對特定應用進行定制，從而支持各種調制方案，例如 OOK、整形 FSK、整形 OQPSK 和 DSSS 調制。
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、CAN 和 USB 等有線標準。根據型號，此類器件可支持兩種或三種無線協議。該系列中的每個型號均可在單個軟件開發環境中得到支持。
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) 等遠程控制應用的支持。后一種協議是 IEEE 802.15.4 的增強版，具有網絡層和應用層來創建多供應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，從而釋放內存以支持應用。
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來使用外，該 SoC 還可充當調制解調器，以將藍牙或 802.15.4 連接添加至現有的嵌入式控制器，或者在無需主機控制器的嵌入式應用中用作獨立無線傳感器。
Analog Devices 的 LTC5800IWR-IPMA#PBF 多協議 SoC 同時支持前文所述基于 802.15.4 的協議，以及另一種擁有有趣歷史的協議，名為 SmartMesh。該協議由美國加州大學伯克利分校的電氣工程和計算機科學教授 Kris Pister 在 1990 年代后期開發，并得到了 DARPA 的 Smart Dust 項目的資助。該項目的目標是創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備。主要客戶將是廣泛分布的管道公用事業部門，工作環境條件通常非常惡劣。
為了使這項技術商業化，Pister 聯合創辦了 Dust Networks，以打造稱為 SmartMesh 的網狀無線傳感器網絡。2011 年，該公司被 Linear Technology 收購，Linear Technology 自身于 2017 年又被 Analog Devices 收購，SmartMesh 便在這里存續下來，現在也應用于工業物聯網中。
SmartMesh 包含一個自我形成的多跳節點（稱為塵埃）網，用于收集和中繼數據；以及一個網絡管理器，負責協調性能和安全并與主機應用交換數據（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境條件下，SmartMesh 仍能夠保持 99% 的正常運行時間。其通信協議是一種擴頻變體，稱為時隙信道跳變 (TSCH)，可將網絡中的所有塵埃同步到幾微秒內。
圖 3：在 SmartMesh 網絡中，每個節點都充當一個路由器，因此可以在任何點連接新節點。該技術最多支持 50,000 個節點。（圖片來源：Analog Devices）
網絡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，即可創建一個完整的無線節點。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 100 m。
由于無線協議有很多變型版本，再加上還有一些遺留系統可能需要支持，因此在部署工業物聯網時很難選擇到合適的無線接口和協議。如上所述，跨多個射頻頻段支持多個短程無線協議的物聯網 SoC 通過為設計人員帶來更大的靈活性，而大幅簡化了工業物聯網的部署。
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