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物联网中的无线技术

来源:中国测控网   编辑:第一物联网

  近几年来,业界讨论最多的莫过于“物联网”,不少半导体厂商或终端厂商都在押宝物联网。前有半导体厂商自身致力于一些物联网器件的开发,后有终端厂商的平台计划,比如腾讯在去年12月公布了QQ物联“亿计划”,向全球智能硬件厂商及创业者征集智能硬件产品;三星在年初的CES上宣布向物联网应用开发设计投入1亿美元。现今已经出现了不少物联网新产品,如果我们想让这些产品连接到互联网,那么我们最先遇到的问题将是选用何种无线技术。

  多种无线技术共存

  在物联网领域中从来都不缺少无线连接技术,从低功耗蓝牙、CSR mesh、NFC、RFID, 到ZigBee、WiFi,甚至LTE。不同技术的供应商都有着自己的定位。Qualcomm创锐讯市场总监姜中华认为Qualcomm创锐讯提供的 WiFi方案具有低功耗和高性能的特点,可以为客户提供出色的WiFi解决方案。目前适用于物联网市场的产品为QCA4004和QCA4002。

  Silicon Labs则为物联网开发人员提供了其他选择,据Silicon Labs公司物联网无线产品营销总监Greg Fyke介绍,他们可以提供多种无线连接解决方案,包括sub-GHz无线MCU、收发器和2.4GHz无线SoC。其提供的无线IC支持多种协议,包括 802.15.4 ZigBee、Thread网络协议、以及sub-GHz频段内的多种新兴和专利协议(例如Wireless M-Bus和Wi-SUM)。

  Greg Fyke表示,sub-GHz频段的协议通常用于智能计量和其他需要更长距离、更高性能和超低功耗的应用;因为ZigBee技术可以提供稳健的网状网络,允许广泛连接家庭中的各类设备,并且提供自动防故障运行,因此它被广泛应用于家居自动化和家庭安全系统中,他同时还认为ZigBee联盟推动的互用性也是 ZigBee技术一个非常大的优势。

  而新兴的Thread协议可以直接进行IPv6连接的网状网络应用。Silicon Labs是Thread Group组织的发起成员之一,它一直是Thread规范的主要贡献者。“我们一直与关键客户积极合作推展我们的Beta版本Thread协议栈,并致力 于在2015年使具有Thread授权的产品进入市场。”Greg Fyke告诉记者,“Thread的一个关键优势是我们现有的802.15.4SoC支持它。当前使用Silicon Labs 802.15.4 ZigBeeSoC的开发人员将来可以无缝升级到Thread软件。”

  博通在物联网应用领域中的有线和无线领域投入了不少的资源,他们现在可为WiFi、Bluetooth Smart、Bluetooth Smart Ready、NFC、GPS、蜂窝,以及电力线通信(PLC)等领域提供完整的SoC和软件开发包(SDK)产品组合。博通公司无线连接组合事业部产品营销高级总监Brian Bedrosian认为,正是这些技术使得智能手机、平板电脑,以及家庭或企业网络之间的连接更加稳固,而NFC和GPS可提供稳定安全的配对能力和加强的定位和追踪能力。

  业界提供蓝牙解决方案的半导体公司有很多,而Cypress大中华区PSoC业务拓展经理王冬刚觉得Cypress的PSoC4 BLE芯片组合是业界集成度最高的低功耗蓝牙芯片,“PSoC4 BLE集成了Cortex-M0 CPU;Balun电路;包括运放、比较器电容触摸的Capsense可编程模拟资源;以及包括UDB、通用数字模块、段式LCD驱动的可编程数字资源。 另外,PSoC4 BLE的电容触摸性能也非常好。”

  与其他几个半导体厂商不太一样的是,ADI更加关注工业领域的应用,它的短距离无线通信射频芯片可涵盖不同频段,比较有利于智能化工厂的工业组网。另外,ADI公司市场经理张鹏还介绍了ADI的WSN(Wireless Sensor Node)方案主要面向智能楼宇的无线网络解决方案。他说,“ADuCRF101是一款集ARM Cortex-M3处理器与RF为一体的单芯片解决方案。该方案支持多种无线网络协议,包括ADRadioNet,以及6LoWPAN,Wireless MBus和WiSun Alliance”。

  他还特意提到了ADI针对物联网推出的AD9361无线收发模拟前端。该芯片是一款高性能、高度集成的RF Agile Transceiver捷变收发器,它的可编程性和宽带能力使其成为多种收发器应用的理想选择,它的工作频率范围为70MHz至6.0GHz,涵盖了大部 分特许执照和免执照频段,支持的通道带宽范围为不到200kHz至56MHz。除此之外,ADI还有支持从数百兆到2.4GHz的频率范围的RF芯片,比 如ADF70XX,ADF72XX等等。

  无线MCU成趋势

  在当前的物联网市场中,一些对功耗、成本敏感的设备,一般只选用众多无线技术中的一 种作为其通信方式,而那些对功耗和成本没那么高的设备会采用多种无线技术,以方便与更多的设备相连。比如无线音箱就会同时支持蓝牙和WiFi,还有一些智 能路由器同时能支持蓝牙、WiFi和ZigBee技术。姜中华认为,就目前的市场情况来看,WiFi和蓝牙技术在无线技术的发展中已经大幅领先了,而且支 持多种无线协议的SoC芯片也已经出现,但主要智能手机等市场,在物联网市场中,这种SoC芯片的前景并不清晰。

  对此观点,Silicon Labs公司的Greg Fyke却并不太认同,他觉得物联网和智能家居市场将会整合802.15.4技术(ZigBee和Thread)、WiFi和蓝牙。“像智能家居这样拥有大量互操作节点,并需要低功耗、控制和自动化的应用,ZigBee和Thread是最合适的。”另外,WiFi是高数据速率应用的最佳选择,可以传送音频 和视频流;而蓝牙非常适合能够佩戴在身上,或在身体周边的个域网设备等。

  他预计在不久的将来,多模、多频无线SoC芯片将会 有巨大的需求。他坦承多模无线SoC开发会比较困难,不过他它会在系统级和物料管理上给消费者和开发人员带来不少好处。比如一个可连接设备能够通过智能手机,使用蓝牙进行配置,然后成为使用ZigBee协议的家庭自动化网络中的一部分。Greg Fyke表示,多模无线SoC将会极大地简化开发可连接设备的设计任务,包括缩小外形尺寸、降低BOM成本和缩短上市时间,而消费者也能够受益于由无缝的 多协议无线通信而带来的更好的使用注册送6金币手机捕鱼。

  对于物联网中的无线技术的发展,有一种普遍的观点是在MCU中集成一些无线通信功能 是未来的发展趋势。其中Silicon Labs是最坚定的支持者,Greg Fyke坚信无线MCU是长期的发展趋势。他说,“MCU为开发人员提供了在无线连接之外,创建独特应用和用户注册送6金币手机捕鱼的灵活性。集成无线连接的MCU能够帮 助开发人员设计高度差异化的产品,在更小外形尺寸和更低功耗范围内集成多种功能。”

  其实无线MCU和SoC架构非常适合可穿戴设备这样空间受限的应用。比如健身追踪器或者智能手表只有非常小的可用电路板面积,设计人员需要在受限的空间内创造设计差异化的可穿戴产品。而构建在低功耗MCU内核上的高集成度SoC提供了理想的解决方案。

  Brian Bedrosian对此观点也很赞同,他提到,在联网设备上集成本地处理和协处理能力,可以很好地补充现有无线技术提供的云连接应用。不过他认为无线MCU的规模,将取决于云端应用提供的服务所需的数据存储、筛选或运算功能的复杂度。

  “无线MCU是一个未来趋势,但因为物联网产品往往需要电池供电,因此必须要求是低功耗的。”ADI公司DSP亚洲业务区域经理陆磊如是说。

  物联网无线技术遇到的挑战

  就目前来说,开发无线MCU主要有两种途径,一种是创建一个集成了MCU和收发器的单模器件,它只运行一种协议,比如蓝牙、ZigBee,或专有协议等中的一种;另一种是使用软件定义无线电技术(SDR)开发一种通用器件,可处理多种频率、协议和调制方案。

  Qualcomm 和Silicon Labs选择的都是第一种途径。问起原因时,姜中华是这样解释的,“理论上看,SDR技术是由前途的,但因为物联网产品大都要求低功耗、低成本、小尺寸和 高性能。从短期来看,这些要求对于基于SDR技术的解决方案来说,还有很大的挑战。”

  尽管SDR是一种灵活的技术,似乎非常理想,“但SDR耗电量令人难以置信的大,需要高带宽的无线电和DSP去处理调制逻辑”,Greg Fyke说,“SDR解决方案更像一个大型、高成本、高能耗的FPGA。”

  因此,他认为物联网互联的更好解决方案不是SDR,而是可以灵活支持多种关键协议(例如ZigBee、蓝牙和即将推出的Thread)的多模无线SoC设备。

  除了功耗的原因,也有成本的因素需要考虑,“SDR具有识别无线电格式,并相应调整去适应频道用途或协议的能力,这对物联网是有利的。但是拥有关键互操作技 术的、高集成度的SoC必须符合成本效益,才能在新设备或传感器网络上实现规模化应用。”博通的Brian Bedrosian如此提醒。

  要想在物联网市场迅速向前发展,需要解决的一大挑战就是功耗问题。SoC制造商需要提供系统级功耗管理机制,从而在单独模块,以及芯片整体中都实现更好的功耗管理。

  低功耗无线所面临的设计挑战主要有两大因素,一个是在最低可能的功耗模式下完成最大量的工作;另一个是在无线电开启时,最小化电流消耗。Greg Fyke自豪地表示,Silicon Labs采用多种技术来应对这种挑战,比如全自动化MCU外设、DC-DC转换器、快速唤醒,以及功耗优化的软件。他也承认功耗优化是一项很困难的系统级 设计挑战,但却可以为客户带来显着的优势。因为没有人喜欢频繁地充电,或者更换电池。“而Silicon Labs的ZigBee解决方案可在单一电池供电下维持工作数年,这已经得到市场的验证。”他说。

  博通则通过持续地提高工艺技术、采用片上电源管理系统、管理休眠机制,和继承超低功率无线电技术,来不断改善射频芯片设计的用电效率。

  电池供电的确会给应用带来很多设计的挑战,比如可穿戴电子设备的供电电池在200mAh以下。据Cypress的王冬刚跟客户的接触,一般客户都要求平均电 流在20?A以下。因此,Cypress PSoC4 BLE提供了5种功耗模式,包括动态、睡眠、深度睡眠、休眠和停止。最低休眠功耗低至60nA。

  无线技术终将会走向融合

  就目前来看,物联网中的设备是多种无线技术共存阶段,而未来,这些无线技术可 能终将会走向融合之路。Qualcomm的姜中华指出,“其实,现在我们已经开始看到有很多重要的无线技术在融合,并且努力实现低功耗、大范围、低成本和 小尺寸的目标。”他认为,最终将会有一到两项技术会占市场主导地位。

  对此,Silicon Labs的Greg Fyke也持同样的看法。在他看来,物联网产业将逐步整合到三种无线连接技术:WiFi、蓝牙和802.15.4(如ZigBee和Thread)。

  他认为,IP(互联网协议)正在成为这些协议背后的原始动力。WiFi已经具备IP能力,随着去年蓝牙4.2的每天送6元体验币的捕鱼,蓝牙已经在直连互联网上取得了长足进步。而Thread是基于IP的网络协议,它代表着IP网状网络的未来。

  “这三种无线协议整合,并围绕这IP融合发展。这预示着物联网市场拐点的出现,标志着消费者、开发人员和服务提供商开始迎来激动人心的时代。”Greg Fyke乐观地表示。

  “物联网的核心标准始终是WiFi和智能蓝牙等基于标准的组网技术对TCP/IP可寻址节点进行访问的可用性。”博通的Brian Bedrosian表示,“通过确保这些基本的网络连接就可以实现不同品牌之间的互操作性,保证在通用应用程序中使用统一党应用层协议,同时确保安全性不 会受到任何影响。”

  Cypress的王冬刚则对蓝牙情有独钟,他觉得蓝牙无线技术是重要的物联网发展趋势之一,因为许多物联网设备需要低功耗、短距离和小数据量的传输,而蓝牙协议非常合适。

  总的来看,融合将会是大势所趋。其实,或许市场最终需要的是一种通用的多频段、多协议物联网SoC,它能以低成本、低功耗处理多种无线协议。只是目前还没有半导体厂商提供这样的芯片,目前市场上更多的是单模点解决方案。因此,如果哪一天市场上出现了这样的芯片,那物联网的很多可能性就可以实现了。

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