无线物联网平台开发套件及硬件解决方案

产品开发在过去较为简单。 设备以往是自足式的，大多数都没有智能和连接功能。 随着物联网的全力发展，过去简单的日子一去不复返了。 无论是烟雾和 CO2 检测器，还是咖啡壶、冰箱，一切能够想到的设备都纷纷连接到互联网。 这使得不熟悉射频细微差别的系统设计人员不得不将某种形式的无线技术集成到设计中。

这对硬件和软件都提出了挑战，使设计团队难以决定是选择自建无线电来增加差异性并尝试降低成本，还是购买和集成射频模块。

如果决定购买，那么 Wi-Fi、蓝牙和 ZigBee 模块是三大首选的无线协议，它们已经可用于几乎所有可能的设备中。  虽然高效，但集成这些模块仍需要掌握相关软件和射频特性细微差别的高水平专业知识，这恰恰可能是许多开发人员所不具备的。

自建与购买

虽然工程师可能倾向于自建定制的无线电模块，但真正开始前必须考虑众多因素。

从头开发任何无线电模块，无论是采用 Wi-Fi、低功耗蓝牙技术 (BLE)、ZigBee，还是其他标准无线电，都将花费大量时间。 此外，如果无线电认证机构用于测试和数据审查的周期较长，则可能出现延迟。 这段时间本可专注于设计的其他方面，但关键的资源却被占用，这对于小型企业或初创企业来说无疑是一个巨大的风险。

从头开发无线电模块不仅给开发周期增加潜在的延迟，还带来与认证相关的额外成本。 使用预认证的无线电模块，可以使认证成本忽略不计。 另一方面，认证模块需要初始资本投资，通过认证后，还需持续进行维护并满足合规要求。

如果团队正构建大批量产品或者此产品的衍生品也将采用相同模块，那么对于他们而言设计模块很有必要。 批量生产定制模块将花费 5 美元至 10 美元，而购买预认证模块的价格为 15 美元至 40 美元，具体取决于模块的类型。 对于需要快速上市的小批量产品，可以采用预认证模块。 对于设计周期更灵活的大批量项目，定制的方案可能更具有经济效益。

尽管如此，在大批量应用中也可采用预认证方案。 举例来说，就小批量而言，Digi XBEE® SX 模块价格为 35 美元（图 1）。 开发团队如果只考虑硬件成本，可能认为每个装置 35 美元过于昂贵，因此选择自己设计模块，但这是极其错误的。

Digi XBEE® SX 模块集成了 ZigBee 堆栈、各种开发工具和软件，开发费用可能多达数十万美元。 如果考虑到软件堆栈开发成本，特别是对于合理实施协议特征的稳健软件堆栈，构建模块将提升到完全不同的开发专业水平。

图 1： 像 Digi XBEE® SX 这样的长距离模块对于小批量应用来说价格富有竞争力，其通信范围可达 9 到 65 英里。 （图片来源： Digi International）

使用预认证模块简化设计

借助预认证的无线模块，开发团队能够降低总开发成本，并加快上市速度。 虽然此类技术无处不在，但实施过程极其复杂，需要特殊的专业知识来提供利用协议特征的简单接口。 预认证模块肯定能简化设计、缩短上市时间，但并非所有的预认证模块都完全相同。

在选择无线模块时，功能集的可扩展性是要寻找的关键功能。 随着产品不断演进，如果从核心功能集过于局限的部分开始设计，那么当需要更多的特征和复杂性时，整体设计会受到限制。 ZigBee 可扩展解决方案的一个典范，就是 Digi XBEE® 解决方案。 开发人员可在此获取能传输距离从几百英尺到最远 65 英里的模块，而无需或只需少量开发开销。

在设计中应优先考虑的另一个特征是物理尺寸。 与集成或定制的解决方案相比，某些预认证模块可能尺寸大、占据较大空间。 由于许多工业设计师想要创造出外观流畅、轻薄且富有吸引力的设备，因此应避免采用占据大量空间的庞大模块。 Texas Instruments CC2564MODNCMOET 蓝牙模块尺寸为 7.1 mm×7.1 mm×1.4 mm，十分时尚小巧，并已通过 FCC 和 CE 合规性的预认证（图 2）。

图 2： Texas Instruments 的 CC256MODN 蓝牙 4.1 双模 HCI 模块已获得全面认证，具备低功耗蓝牙特性。 （图片来源： Texas Instruments）

一旦选择了预认证的模块，必须注意确保其正确安装到 PCB 上。 例如，对于包含板载天线的模块，天线下方或制造商规格书中指定的禁区内不得有任何接地层或金属， 否则可能会影响天线的阻抗，并可能造成天线失谐，使通信变得非常不稳定。 由于金属会影响天线性能，因此还须确保设备外壳设计合理。

对用于启动并运行模块的软件开发工具和堆栈，需要进行仔细的考量。 一些模块在运行时需要大量外部软件进行设置和配置。 如果这些软件堆栈不是由制造商提供，则开发团队可能需要写数千行代码，才能保证预认证模块正常工作。 在此类情况下，制造商必须提供具有良好硬件抽象层的微控制器代码示例，以实现便携性。

优选模块在启动时最多需要一个基本配置命令，随后在 UART 上仅需透明传输和串行数据接收。

混合解决方案能结合以上两种解决方案的优势

幸运的是，开发人员在寻求无线解决方案时，不只有自建或购买这两种选择。 他们还有第三个可行的解决方案，即混合方法。 通过使用无线物联网平台，如 Silicon Labs Gecko 无线物联网平台（图 3），他们可以选择将两种解决方案的优势部分相结合，或选择带有集成无线前端的微控制器。 在这两种情况下，开发团队都需要寻找一些参数，以确保成功。

图 3： Silicon Labs Blue Gecko 无线物联网平台开发套件开箱即用，可直接连接微控制器、蓝牙和软件堆栈。 （图片来源： Silicon Labs）

首先，无线产品中使用的任何平台或微控制器都必须具有高能效。 虽然物联网设备可由电池和电网供电，但部署数十亿的设备而不考虑能耗是绝对不行的。 选择低功耗微控制器，如 STMicroelectronics STM32L0 或 NXP Kinetis-L 81，可帮助确保与该产品相关的主控制器具有高能效。 由于这些微控制器还支持各种预建驱动程序和软件开发工具，开发人员能快速启动并实施无线解决方案。

其次，专门针对无线解决方案的微控制器将无线收发器内置于微控制器中，可减少零件数量、加速认证过程，进而节省时间和成本。 一个完美的例子是 Silicon Labs EFR32FG1P132F64GM32-C0，它含有一个板载蓝牙收发器。 此微控制器设计为低功耗 MCU，并得到软件库的支持，可操作蓝牙堆栈。

集成解决方案为开发人员提供了综合选项，实现从头开始自建与购买预认证模块之间的平衡。 很多时候，有一些经认证的参考设计，如果遵循这些设计，能大幅缩减开发和认证时间。 开发人员需认识到，内置有无线收发器的微控制器将用部分处理时间管理无线堆栈，这会略微降低其整体性能。 开发人员需确保小心编写软件，以免 CPU 过载或错过任何实时调度额定截止时间。

另一个潜在的问题是集成收发器仍需外部天线元件。 开发人员需仔细遵循其参考设计，如果其传输线路设计不合理，可能会将项目延迟数月。 在大多数情况下，IC 供应商非常乐意审查任何设计，并提供意见和建议，以确保过程顺利进行。

结论

决定自建、购买还是集成无线功能，是让人相当困惑的设计问题。 一般而言，开发人员只会关注与旧无线技术相关的硬件设计和制造成本。 这种方法的问题在于今天的无线通信不再是简单的硬件解决方案，而需要一组复杂的软件堆栈和工具才能使模块正常工作。 虽然在设计之初，自建模块极具吸引力，但这存在众多风险和潜在障碍，而采用预认证模块或利用集成解决方案的风险则要低得多。