物联网无线连接方案的标准管理要求

随着物联网（IoT）的发展，为物联网定义最佳无线连接方案的标准仍然难以捉摸。对于物联网设备开发人员而言，这会带来重大风险，因为选择错误的标准将大大减少市场机会。然而，试图满足所有可能的标准会导致设计过于复杂，成本增加和项目延迟。随着德州仪器和恩智浦多标准无线MCU的出现，开发人员可以有效地满足新兴的物联网连接要求。

多年来，无线系统设计在很大程度上仍然是射频专家的专属领域。对于RF设计新手的工程师来说，优化传输功率和接收器灵敏度的要求通常会给应用带来极大的复杂性。这通常会导致整体功能的权衡，同时延长项目进度。

无线MCU的出现给连接应用的发展带来了巨大的变化，甚至可能催生了物联网本身的愿景。通过在单个芯片上集成处理器和RF收发器，这些片上系统（SoC）器件实现了民主化的无线系统设计。工程师可以充分利用半导体供应商自己的RF专家内置于这些设备中的优化无线通信功能，而不是处理与RF设计相关的各种问题。开发人员可以专注于在自己的应用中应用无线连接，而不是浪费时间优化设计的关键但非差异化部分。

德州仪器CC2650 MCU进一步集成了对连接的支持，基于ARM Cortex ® -M3的主机，具有完整的片上通信子系统（图1）。这里，主处理器从其引导ROM和集成闪存运行主应用程序和高级协议栈。当应用程序需要通信事件时，主机处理器仅需要向通信子系统发送高级请求。反过来，该子系统的专用ARM Cortex-M0内核将这些高级请求转换为特定的通信任务，并使用集成的RF功能来执行实现它们所需的详细事务。

图1：下一代无线MCU，例如TI CC2650;集成了复杂的通信子系统，包括专用处理器和RF功能。 （图片由德州仪器公司提供）

TI CC2650等无线MCU已成为一种经济高效的近乎可靠的解决方案，可满足各种应用需求。 RF工程师可以利用RF和天线设计，在不影响可靠性或性能的情况下提供简便性（CC2650 Dev Kit可用于评估器件）。应用软件开发人员可以类似地利用集成功能来实现安全性，传感器控制，数字I/O和模拟信号调理。同样重要的是，应用软件运行在许多开发人员熟悉的行业标准ARM Cortex-M3 MCU架构上。实际上，软件开发人员可以通过供应商提供的广泛生态系统和第三方软件库（包括经过全面测试的通信协议栈）加速开发。

多样化的连接要求

对于物联网设计人员来说，然而，物联网通信的混合特性使基于这些无线MCU的连接应用的简化开发变得复杂。例如，在开发典型的工业应用时，工程师将实施旨在利用该环境中使用的低功率IP网络的连接。相比之下，对于消费者应用，工程师将更多地关注智能手机和移动产品中使用的点对点通信协议。由于物联网通常与工业和消费者应用共享通用连接要求，因此与其他连接应用相比，物联网通信复杂性可能会大幅提升。

对于消费类应用，蓝牙无处不在使其成为首选连接选项：每款现代智能手机都支持蓝牙，特别是其低功耗版本，称为蓝牙智能或蓝牙低功耗（BLE）。 BLE工作在2.4 GHz ISM频段，提供高数据速率（1 Mbps），连接时间非常短，只有几毫秒。在连接事件之后，BLE收发器可以进入低功耗静态状态，直到下一次连接。因此，设计人员可以在典型的基于BLE的应用中实现极低的功耗。

对于工业应用，基于802.15.4的网络是ZigBee ®等标准的首选方法通常用作高级协议。 802.15.4收发器可以使用2.4 GHz ISM频段，并且可以支持高达250 Kbps的数据速率。 （802.15.4还允许在不同的国家区域使用较低频率的ISM频段，但2.4 GHz频段仍然是国际标准。）

它们共同使用2.4 GHz ISM频段是BLE之间唯一的实际相似性和802.15.4。对于2.4 GHz频段，802.15.4标准使用偏移 - 正交相移键控（O-QPSK）指定物理（PHY）层，这是一种使用四个不同相位值的调制方法。相比之下，BLE使用高斯频移键控（GFSK），这是一种旨在减少干扰的脉冲整形技术。 BLE在2 MHz间隔上使用40个通道; 802.15.4在5 MHz间隔上使用16个信道。除了这些基本差异之外，两个标准之间的差异还延伸到BLE的堆栈（图2，左）和常用的基于802.15.4的协议，如ZigBee（图2，右）。

图2：随着它们的不同调制技术，BLE堆栈（左）和基于802.15.4的ZigBee堆栈在各自的软件层上呈现出明显的差异。 （图片由CSR/Qualcomm提供）

与此同时，连接标准的起伏和变化给开发人员带来了进一步的困境。一方面，下一代蓝牙（V4.2）承诺BLE具有网状网络功能，缺乏这种功能限制了其在物联网应用中的实用性。也就是说，相应的硬件才刚刚兴起，缺乏基于IP的连接仍然是一个缺点。另一方面，包括ARM，NXP和Silicon Laboratories在内的领先芯片制造商已与领先的产品制造商一起支持基于IP的网络标准，称为Thread，基于6LoWPAN，其底层使用802.15.4。 p>

多标准连接

最终，BLE和802.15.4各自提供了引人注目的连接选项，部署任何一个（或两个）的参数仍然有效。在此论点发生变化之前，产品开发人员将继续面临在两个通信领域之间轻松转移的压力。

但是，过去，希望支持基于802.15-4和BLE的连接的公司需要为每个人创建和维护单独的设计。实际上，设计人员可以找到专门为支持BLE通信而设计的各种无线MCU，以及基于802.15.4的通信。

然而，实际上，构建包含BLE无线MCU和802.15-4无线MCU的应用程序的成本和复杂性在竞争激烈且注重成本的物联网市场中绝对是令人望而却步的。一种更有效的方法将依赖于能够支持基于BLE或基于802.15.4的连接的单一硬件设计。

采用单一基本硬件设计，制造商可能会延迟选择无线连接协议，直到设计周期或更快地响应不同通信要求的新机会。这种延迟连接决策落后于综合通信IC系列，例如TI SimpleLink系列，设计人员可以切换到另一个代码兼容的SimpleLink无线设备。这使他们能够在不影响应用的情况下切换底层通信协议。

TI CC2650进一步简化了支持多种通信标准的任务。该器件集成了对BLE和802.15.4无线电的支持，允许在不改变天线设计的情况下快速重定向到另一种协议。因此，使用CC2650构建的设计无需锁定选择即可投入生产，并在现场部署时进行配置。如果以后需要更改协议，CC2650可以在现场重新编程，以支持所需的协议。

CC2650的多标准无线电作为一个易于重新定位的单一平台提供了显着的优势。但是，在软件方面，重新定位需要重新加载软件。 TI警告开发人员，CC2650的软件构建一次只能支持一种协议。此外，设备本身不能同时保存两个图像的图像。虽然CC2650在片上ROM中包含部分BLE和802.15.4堆栈，但CC2650片上128 KB闪存不足以同时保存BLE和802.15.4协议：BLE堆栈需要90-120 KB且ZigBee堆栈通常需要48 KB左右。即使使用高度优化的堆栈或剥离了额外的功能，也几乎没有空间容纳应用程序所需的额外代码。

然而，在实践中，设计人员可以简单地添加足够大的外部闪存来存储BLE和802.15.4映像，适用于需要能够轻松重新配置以支持任一协议的应用程序。实际上，TI本身使用这种方法和基于CC2650的SensorTag参考设计（图3），并进一步利用额外的存储来支持新固件映像的空中下载（OAD）。

在OAD期间交易时，设备将新固件下载到外部闪存。验证新图像后，将其复制到片上闪存中，并重置设备以开始执行新图像。当然，单独的BLE和802.15.4图像可以静态存储在此外部闪存中，并在物联网设备需要更改通信协议时加载。

图3：CC2650支持与外部闪存的简单接口，例如Winbond Electronics W25X20C 2 Mb闪存，用于存储多标准连接所需的完整映像。 （图片由德州仪器公司提供）

切换物联网设备通信协议的能力为设计增加了显着的灵活性。然而，设计必须最终位于一个世界或另一个世界，802.15.4或BLE。对于必须与使用不同协议的网络保持连接的应用，恩智浦KW40Z W系列Kinetis MCU提供了独特的解决方案。

KW40Z SoC集成了ARM Cortex-M0 +内核，160 KB闪存和20 KB SRAM，以及2.4 GHz收发器和用于处理BLE和802.15.4通信的专用硬件。它们由硬件安全性和全套数字和模拟外设（包括16位ADC）提供支持。凭借其更大的闪存模块，KW40Z集成了足够的片上存储器，可同时运行BLE堆栈和IEEE 8021.5.4 MAC/PHY，适用于需要在多个网络上同时运行的应用。此外，恩智浦正在通过其W系列家族的下一代产品升级内存：KW41Z在撰写本文时仍处于预生产阶段，具有256至512 KB的片上闪存和64-128 KB的片上SRAM 。

在KW40Z先进的数字无线电子系统中，TX数字模块（图4）根据所需的通信协议调制传输数据，并提供数据传输到数字无线电的锁相环（PLL），反过来处理频率选择和最终传输。 TX数字模块可以调制来自GFSK，FSK或DFT音调调制器的传输数据，甚至可以调制用户提供的调制方案。

图4 ：TX数字模块是KW40Z数字无线电子系统的一部分，支持单独通信标准（包括BLE和802.15）所需的调制。它使用快速时间切片方法来维护跨不同协议的并发通信。 （图片由恩智浦提供）

如图4所示，通信信号路径似乎一次只支持一个协议。实际上，KW40Z采用快速时间分片方法，足以在BLE和802.15.4通信之间交替，同时维持各自的通信通道。对于应用层和通信层，KW40Z似乎在BLE和802.15.4网络上进行通信。

结论

物联网应用可以征收跨越工业和消费者通信要求的连接需求。尽管设计人员拥有广泛的独立选项来支持诸如802.15.4之类的工业协议或诸如BLE之类的消费者协议，但是在同一设计中很少有可行的替代方案可用于支持多种协议。随着多标准无线MCU的出现，物联网开发人员可以提供更灵活的连接选项，甚至可以在单一设计中支持基于802.15.4和BLE的并发通信。