2.4GHz超低功耗無(wú)線技術(shù)和小藍(lán)牙

北歐是個(gè)好地方。

除了令人神往的古代海盜故事和今天的福利社會(huì)，人口稀少的北歐諸國(guó)在民用技術(shù)和服務(wù)方面多有令人驚嘆之處。這里且不談瑞典的宜家和芬蘭的諾基亞，而介紹一下挪威的一家半導(dǎo)體廠商N(yùn)ordic Semiconductor和它的看家本領(lǐng)——超低功耗無(wú)線技術(shù)，以及與此相關(guān)的ULP藍(lán)牙。

超低功耗無(wú)線技術(shù)

Nordic公司專(zhuān)注于超低功耗無(wú)線技術(shù)，具體來(lái)說(shuō)是2.4GHz頻率超低功耗無(wú)線連接。我們對(duì)這個(gè)頻率并不陌生，因?yàn)樗{(lán)牙和ZigBee都使用這個(gè)頻率。這個(gè)頻率屬于ISM（工業(yè)、科學(xué)及醫(yī)療設(shè)備）頻率，無(wú)須經(jīng)過(guò)當(dāng)局許可便可使用。那么，既然已經(jīng)有了藍(lán)牙和ZigBee，為何還需要Nordic的2.4GHz無(wú)線技術(shù)呢？因?yàn)檫@三種技術(shù)雖然使用相同的頻率，但它們的目標(biāo)應(yīng)用領(lǐng)域并不相同，因而技術(shù)著重點(diǎn)也不一樣。Nordic    2.4GHz無(wú)線技術(shù)的優(yōu)勢(shì)是超低功耗，適合低數(shù)據(jù)流的簡(jiǎn)單無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。

無(wú)線鼠標(biāo)

什么是超低功耗技術(shù)呢？Nordic的定義是：數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中平均電流小于1mA，而且峰值電流小到可以用紐扣電池來(lái)驅(qū)動(dòng)電子設(shè)備。舉例來(lái)說(shuō)，采用該技術(shù)的無(wú)線鼠標(biāo)的電池壽命（兩節(jié)AAA電池）要超過(guò)一年。相對(duì)于目前廣泛采用的27MHz無(wú)線技術(shù)，Nordic   2.4GHz會(huì)顯著提升電池壽命（普通無(wú)線鼠標(biāo)的電池壽命一般是6個(gè)月）。而相對(duì)于藍(lán)牙技術(shù)來(lái)說(shuō)，不僅功耗更低，而且成本也顯著降低，因?yàn)闊o(wú)須向藍(lán)牙聯(lián)盟繳納專(zhuān)利費(fèi)用。另外，由于Nordic  2.4GHz是專(zhuān)有技術(shù)，所以其安全性也更高。領(lǐng)先的計(jì)算機(jī)外設(shè)生產(chǎn)廠商Logitech是這項(xiàng)技術(shù)的主要推行者。下表列出了三種無(wú)線鼠標(biāo)技術(shù)的綜合對(duì)比。

那么，采用Nordic技術(shù)的無(wú)線鼠標(biāo)何以能夠做到超低功耗呢？那是因?yàn)樗蟛糠謺r(shí)間不工作。鼠標(biāo)屬于低數(shù)據(jù)吞吐設(shè)備，而2.4GHz卻屬于高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)（可達(dá)2Mb/s），所以這種鼠標(biāo)隔一段時(shí)間才發(fā)送一次數(shù)據(jù)。藍(lán)牙技術(shù)則不然，它連續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，所以更適合無(wú)線耳機(jī)這樣的流媒體應(yīng)用。27MHz技術(shù)則由于傳輸速率低，必須連續(xù)工作，所以耗電也較高。

Nordic 2.4GHz技術(shù)的另一個(gè)特點(diǎn)是自動(dòng)跳頻，即能夠自動(dòng)尋找到可用的頻段，因而實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的穩(wěn)定性和抗干擾性。此外，采用Nordic技術(shù)的鼠標(biāo)USB的Dongle（接收端適配器）尺寸也較小，如圖1所示。

圖1采用Nordic技術(shù)的鼠標(biāo)USB的Dongle（接收端適配器）尺寸較小

Nordic 2.4GHz超低功耗無(wú)線技術(shù)具有光明前景的應(yīng)用領(lǐng)域包括計(jì)算機(jī)外設(shè)、家庭娛樂(lè)以及運(yùn)動(dòng)、健身和保健。我們前面提到的無(wú)線鼠標(biāo)屬于計(jì)算機(jī)外設(shè)范疇。下面選取這三大應(yīng)用領(lǐng)域的其他典型產(chǎn)品加以介紹。

無(wú)線耳麥

除了無(wú)線鼠標(biāo)，計(jì)算機(jī)外設(shè)這個(gè)類(lèi)別里還有無(wú)線鍵盤(pán)、游戲設(shè)備和無(wú)線耳機(jī)/耳麥。無(wú)線鍵盤(pán)、游戲設(shè)備與無(wú)線鼠標(biāo)的原理相似，這里就不必另外介紹了。下面重點(diǎn)介紹一下無(wú)線耳麥。

Nordic 2.4GHz無(wú)線耳機(jī)/耳麥總體來(lái)說(shuō)無(wú)法與藍(lán)牙耳機(jī)相抗衡。如今，藍(lán)牙技術(shù)幾乎已經(jīng)家喻戶曉，而且互用性強(qiáng)。也就是說(shuō)，不論哪個(gè)廠商生產(chǎn)的產(chǎn)品，只要是符合藍(lán)牙規(guī)范就可以通用，所以消費(fèi)者當(dāng)然更愿意購(gòu)買(mǎi)藍(lán)牙產(chǎn)品。雖然Nordic的技術(shù)無(wú)須繳納專(zhuān)利費(fèi)用因而具有低價(jià)格的優(yōu)勢(shì)，但在強(qiáng)大的藍(lán)牙品牌壓力下顯得力不從心。何況如今市場(chǎng)上出售的大部分筆記本電腦都已經(jīng)具備了藍(lán)牙功能。

然而，Nordic還是為他們的技術(shù)找到了一個(gè)藍(lán)牙所沒(méi)有覆蓋的市場(chǎng)縫隙：為臺(tái)式機(jī)配備無(wú)線耳機(jī)/耳麥。其中最有吸引力的應(yīng)用場(chǎng)合是呼叫中心。在呼叫中心，因?yàn)樵拕?wù)人員時(shí)常需要走動(dòng)，所以戴無(wú)線耳麥會(huì)更方便。另外，因?yàn)樵拕?wù)員要長(zhǎng)時(shí)間通話，所以耳機(jī)電池的使用壽命要長(zhǎng)，以避免頻繁更換電池。Nordic 2.4GHz超低功耗無(wú)線技術(shù)正好符合這些要求。

基于nRD24V1芯片的耳麥設(shè)計(jì)套件包括以下組成部分：帶有RF模塊的耳麥應(yīng)用電路板、即可投產(chǎn)的音頻級(jí)別USB dongle、優(yōu)化的雙向多頻RF協(xié)議和應(yīng)用軟件。采用該設(shè)計(jì)的產(chǎn)品開(kāi)盒即可使用，無(wú)須在PC端安裝專(zhuān)門(mén)的驅(qū)動(dòng)程序。

射頻遙控器

遙控器既可以歸于計(jì)算機(jī)外設(shè)，也可以歸于家庭娛樂(lè)。我們現(xiàn)在使用的遙控器幾乎都采用紅外技術(shù)，它具有價(jià)格低廉、使用可靠等優(yōu)點(diǎn)。主要缺點(diǎn)是功能受到限制，跟不上系統(tǒng)端的快速發(fā)展。與紅外遙控器相比，射頻遙控器的優(yōu)勢(shì)在于可實(shí)現(xiàn)雙向高速數(shù)據(jù)傳輸，可以做到在遙控器上實(shí)現(xiàn)反饋顯示。另外，射頻遙控器不怕遮擋，工作距離也更遠(yuǎn)。

射頻遙控器的典型應(yīng)用是對(duì)媒體中心的遙控，經(jīng)典案例是在卡拉OK廳用遙控器點(diǎn)歌。由于遙控器上有節(jié)目顯示，就不必跑到主機(jī)那里看主機(jī)屏幕上的菜單。由于射頻信號(hào)可以穿過(guò)來(lái)往的人群，操作就不會(huì)因?yàn)槭艿礁蓴_而中斷。這樣的功能是普通紅外遙控器無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

圖2 nRF24L01芯片實(shí)現(xiàn)家庭媒體中心的射頻遙控

伴隨著基于計(jì)算機(jī)的媒體中心進(jìn)入家庭，射頻遙控器的應(yīng)用也將更加廣泛。微軟公司已經(jīng)提出了支持Windows Vista SideShow技術(shù)的雙向遙控概念。這個(gè)概念就需要射頻技術(shù)來(lái)提供雙向通信。微軟建議的數(shù)據(jù)傳輸速率是700Kb/s（彩色）和150Kb/s（單色）。Nordic公司的nRF24L01芯片能夠滿足這些要求，在成本和功耗方面都做得很好。

Nordic公司的遙控器參考設(shè)計(jì)套件包括這些組成部分：帶有RF模塊的遙控器應(yīng)用線路板、HID級(jí)別的即可生產(chǎn)的USB dongle、優(yōu)化過(guò)的雙向RF協(xié)議和應(yīng)用軟件。采用該設(shè)計(jì)的產(chǎn)品開(kāi)盒即可使用，無(wú)須在PC端安裝專(zhuān)門(mén)的驅(qū)動(dòng)程序。

運(yùn)動(dòng)手表

運(yùn)動(dòng)手表是Nordic超低功耗無(wú)線技術(shù)在運(yùn)動(dòng)、健身和保健方面的典型應(yīng)用。這種手表實(shí)際上是所謂PAN（Personal Area Network，個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)）的核心。PAN網(wǎng)絡(luò)采用ANT網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，這種協(xié)議與ZigBee相比要簡(jiǎn)單得多，不過(guò)對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠了。ANT協(xié)議的最大好處就是低功耗，這個(gè)特點(diǎn)與Nordic公司的技術(shù)剛好吻合。
Nordic用于PAN的芯片是nRF24AP1。特點(diǎn)包括：高數(shù)據(jù)傳輸速率（1Mb/s）、低功耗、1.9～3.6V供電（可使用紐扣電池）、尺寸小、10m工作距離、外圍部件少、可支持多種設(shè)備、以數(shù)據(jù)包的形式處理數(shù)據(jù)以減輕MCU負(fù)擔(dān)、內(nèi)建ANT協(xié)議等。

圖3 采用Nordic芯片的運(yùn)動(dòng)手表

圖3中所示的這款SUUNTO公司生產(chǎn)的、采用Nordic芯片的運(yùn)動(dòng)手表可以顯示和存儲(chǔ)運(yùn)動(dòng)中人體的各種信息，如心率、行進(jìn)速度、步伐頻率等。戴上這樣的手表，并在身體相關(guān)部位或運(yùn)動(dòng)器材上佩戴或安裝數(shù)據(jù)采集和發(fā)送裝置，使用者便可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)自己的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，根據(jù)自己的身體條件加上醫(yī)生的建議隨時(shí)調(diào)整運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度，以達(dá)到最佳的鍛煉效果。

值得注意的一點(diǎn)是，通常只用作計(jì)時(shí)的手表突然變成了PAN數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的核心。在手機(jī)等便攜電子設(shè)備流行的今天，手表作為計(jì)時(shí)工具的作用已經(jīng)大大降低，所以越來(lái)越多的人選擇不佩戴手表。而與此同時(shí)，運(yùn)動(dòng)健身越來(lái)越流行。作為運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和顯示設(shè)備，手表有可能獲得重新煥發(fā)生命力的機(jī)會(huì)。Nordic的人員甚至聲稱，他們的超低功耗無(wú)線技術(shù)有可能會(huì)拯救日趨衰落的鐘表業(yè)。

小藍(lán)牙

藍(lán)牙技術(shù)今天已經(jīng)非常普及。雖然它在流媒體方面的應(yīng)用非常成功，但在低數(shù)據(jù)吞吐的應(yīng)用場(chǎng)合（如無(wú)線鼠標(biāo)）倒有點(diǎn)像大炮打蚊子——大材小用。與Nordic公司專(zhuān)有的超低功耗無(wú)線技術(shù)相比，藍(lán)牙的功耗是很高的（4～10倍）。但專(zhuān)有技術(shù)也有它的缺陷，主要表現(xiàn)在不利于推廣。尤其像Nordic這樣100多人的小公司，根本無(wú)法與藍(lán)牙聯(lián)盟這樣的巨頭相比。最好的方法是將好的專(zhuān)有技術(shù)變成開(kāi)放技術(shù)。基于各方利益的一致，ULP藍(lán)牙于是誕生了。

2007年6月12日，以諾基亞公司為首，合作方包括博通、卡西歐、CSR、愛(ài)普生、ItoM、Nordic、意法、Suunto、太陽(yáng)誘電和德州儀器等公司倡導(dǎo)的Wibree低功耗無(wú)線技術(shù)協(xié)議被藍(lán)牙聯(lián)盟接受，名稱改為ULP（Ultra Low Power，超低功耗）藍(lán)牙，有人稱之為小藍(lán)牙。預(yù)計(jì)2008年下半年，ULP藍(lán)牙產(chǎn)品將出現(xiàn)。目前，多家公司都在致力于開(kāi)發(fā)符合ULP藍(lán)牙規(guī)范的產(chǎn)品。Nordic公司基于在超低功耗領(lǐng)域的多年經(jīng)驗(yàn)，將重點(diǎn)開(kāi)發(fā)獨(dú)立ULP藍(lán)牙芯片（多數(shù)大公司會(huì)重點(diǎn)開(kāi)發(fā)雙模即藍(lán)牙＋ULP藍(lán)牙芯片），搭上藍(lán)牙聯(lián)盟這輛快車(chē)，讓他們的技術(shù)服務(wù)于千家萬(wàn)戶。