采用MCU控制物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)

 可以說(shuō)，物聯(lián)網(wǎng)目前正在經(jīng)歷一些“成長(zhǎng)的痛苦”，包括它所做的(或不做的)。雖然它可能不被視為推動(dòng)這一趨勢(shì)，但嵌入式電子行業(yè)肯定能夠?qū)崿F(xiàn)這一目標(biāo)，因此無(wú)可爭(zhēng)議地在塑造它的過(guò)程中處于領(lǐng)先地位。

這個(gè)行業(yè)中的一些人 - 他們了解最外層的技術(shù)并不是 - 我覺(jué)得物聯(lián)網(wǎng)將成為更大的東西的一部分：“萬(wàn)物互聯(lián)”;但語(yǔ)義除外很明顯，機(jī)會(huì)是巨大的，估計(jì)到2020年將達(dá)到500億臺(tái)設(shè)備，有些甚至預(yù)測(cè)到2025年將達(dá)到1萬(wàn)億。

鑒于其中許多設(shè)備將成為大型網(wǎng)絡(luò)上的小節(jié)點(diǎn)，物料清單在組件和總成本方面需要很小。由于這個(gè)原因，每個(gè)節(jié)點(diǎn)無(wú)論大小，都會(huì)有一些形式的微控制器。鑒于開(kāi)發(fā)人員將盡可能降低BoM的壓力，他們似乎很可能只選擇那些在價(jià)格和功率預(yù)算范圍內(nèi)提供正確功能組合的MCU。

功能豐富

目前提供的各種MCU反映了它們所支持的應(yīng)用的多樣性;飛思卡爾目前是提供最多Cortex-M變體的制造商，其產(chǎn)品組合超過(guò)200個(gè)不同的部件。物聯(lián)網(wǎng)所承諾的承諾已經(jīng)在集成層面推動(dòng)創(chuàng)新，制造商專注于開(kāi)發(fā)新系列的MCU，以解決特定的物聯(lián)網(wǎng)使用案例，這意味著開(kāi)發(fā)人員可以期望在不久的將來(lái)享受更多的選擇。但是，雖然未來(lái)無(wú)疑將需要非常具體的配置，但MCU因其通用性而受歡迎，這意味著市場(chǎng)上已有許多設(shè)備可以輕松滿足物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的初始需求，在成本，功耗，性能和功能方面。當(dāng)然，低功耗操作的問(wèn)題并不新鮮，大多數(shù)制造商完全理解開(kāi)發(fā)人員在性能和功耗之間需要做出的權(quán)衡。因此，過(guò)去幾年推出的大多數(shù)MCU都設(shè)計(jì)用于提供某種形式的電源管理。通常這有兩種形式;低功耗操作和省電睡眠模式。兩者在物聯(lián)網(wǎng)中都至關(guān)重要，因?yàn)樵S多較小的節(jié)點(diǎn)預(yù)計(jì)可以使用單個(gè)電池運(yùn)行，理想情況下，在投入使用后可以免維護(hù)幾年。這急劇突顯了對(duì)低功耗操作和良好電源管理功能的需求。幸運(yùn)的是，部署的許多節(jié)點(diǎn)對(duì)大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)都有極其適度的性能要求，這意味著只要開(kāi)發(fā)人員充分利用了節(jié)能功能，如果是MCU，它們應(yīng)該能夠通過(guò)單個(gè)電池滿足更長(zhǎng)的使用壽命。雖然它可能仍然比實(shí)現(xiàn)更具吸引力，但是隨著更多樣化的用例出現(xiàn)，對(duì)僅從其環(huán)境中清除或收集的電力運(yùn)行的節(jié)點(diǎn)的需求無(wú)疑會(huì)增長(zhǎng)。這將由許多垂直行業(yè)的另一個(gè)大趨勢(shì)推動(dòng)并實(shí)現(xiàn);大數(shù)據(jù)。物聯(lián)網(wǎng)將在實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)方面發(fā)揮關(guān)鍵作用，并且兩者在未來(lái)可能會(huì)有些共生。

專注于功能

雖然物理尺寸至關(guān)重要，但它不能以功能為代價(jià)。為了支持物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，“必備”功能列表可能包括靈活的模擬和數(shù)字接口(以適應(yīng)一系列傳感器)和某種形式的連接。越來(lái)越多的意味著無(wú)線，因此一定程度的RF集成將受到高度追捧。從目前可用的眾多MCU中，有三個(gè)能夠提供正確的功能組合：Silicon Labs的Si106x/08x，德克薩斯的CC2538儀器和Nordic Semiconductor的nRF51422。

圖1：Silicon Labs的Si106x/08x系列提供低功耗8051兼容內(nèi)核和Sub-GHz RF收發(fā)器。 br》如圖1所示，Si106/x/08x集成了Silicon Labs專有的8051內(nèi)核CIP-51，它與MCS-51指令集代碼兼容，同時(shí)提供標(biāo)準(zhǔn)8052的外設(shè)集。 Labs將核心設(shè)計(jì)為流水線架構(gòu)，與標(biāo)準(zhǔn)8051架構(gòu)相比，它大大提高了指令吞吐量。傳統(tǒng)8051中的大多數(shù)指令執(zhí)行12或24個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期，而CIP-51在一個(gè)或兩個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行其109個(gè)指令的70%，而只有8個(gè)指令需要四個(gè)或更多個(gè)周期。 》然而，或許更重要的是，Si106x/08x系列器件集成了低功耗Sub-GHz收發(fā)器，其中包括一個(gè)功率放大器，在915 MHz時(shí)產(chǎn)生+20 dBm輸出功率時(shí)僅消耗85 mA，在169 MHz時(shí)輸出70 mA 。當(dāng)輸出功率降至+ 18 dBm時(shí)，這種效率在+10 dBm時(shí)更加明顯。功率放大器還實(shí)現(xiàn)自動(dòng)斜升和斜降，以最大限度地減少頻譜擴(kuò)展，同時(shí)支持跳頻和天線分集。

由于其低功耗和實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單或定制協(xié)議的能力，節(jié)點(diǎn)在Sub-運(yùn)行GHz頻率可能會(huì)很普遍(如今)，但物聯(lián)網(wǎng)還需要制造商之間的互操作性，在這種情況下，通常需要標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。當(dāng)然，一種可能流行的協(xié)議是ZigBee。德州儀器(TI)的CC2538是一款支持ZigBee的RF MCU，采用ARM Cortex-M3內(nèi)核，能夠以高達(dá)32 MHz的頻率運(yùn)行，并與2.4 GHz IEEE 802.15.4兼容的收發(fā)器相連(圖2)。此外，該設(shè)備能夠支持雙ZigBee應(yīng)用配置文件。為了保證節(jié)點(diǎn)安全，它還集成了AES-128/256，SHA2硬件加密引擎和可選的硬件加速引擎，以實(shí)現(xiàn)安全密鑰交換。

圖2：德州儀器‘CC2538集成了ARM的Cortex-M3內(nèi)核和符合ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的RF收發(fā)器，能夠運(yùn)行兩個(gè)ZigBee應(yīng)用配置文件。

第三種選擇為開(kāi)發(fā)符合藍(lán)牙低功耗協(xié)議的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)提供低功耗解決方案，nRF51422來(lái)自Nordic Semiconductor。該器件集成了ARM Cortex-M0內(nèi)核和多協(xié)議2.4 GHz無(wú)線電，能夠運(yùn)行藍(lán)牙，ANT/ANT +或?qū)Ｓ袇f(xié)議(圖3)。藍(lán)牙和ANT協(xié)議作為Nordic Semiconductor的預(yù)編譯二進(jìn)制文件提供，消除了進(jìn)一步的開(kāi)發(fā)階段。

圖3：Nordic Semiconductor的nRF51422通過(guò)集成ARM專注于低功耗Cortex-M0內(nèi)核和符合藍(lán)牙低功耗標(biāo)準(zhǔn)的收發(fā)器。

大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)

雖然許多不可避免的好處仍未定義，但物聯(lián)網(wǎng)最初將允許偽智能設(shè)備不僅具有反應(yīng)性，而且積極主動(dòng)。節(jié)點(diǎn)將根據(jù)他們直接收集的數(shù)據(jù)或通過(guò)其本地網(wǎng)絡(luò)傳遞給他們的數(shù)據(jù)來(lái)確定操作，更重要的是，可以通過(guò)Internet訪問(wèn)任何其他網(wǎng)絡(luò)。

此數(shù)據(jù)將由節(jié)點(diǎn)“創(chuàng)建”衡量每個(gè)可以想象的參數(shù)，將代表大量的信息 - 即所謂的“大數(shù)據(jù)”范式。雖然挖掘這些豐富的信息將不屬于大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的責(zé)任，但它們無(wú)疑會(huì)充分利用它，依靠其他(基于云的)處理場(chǎng)來(lái)完成大部分整理，分析和分發(fā)。 》與此同時(shí)，IoT節(jié)點(diǎn)將成為這個(gè)新數(shù)字“蜂巢”的“工蜂”，因此他們將不遺余力地收集數(shù)據(jù)。更重要的是，它們將成為現(xiàn)代生活中不可或缺的一部分，自動(dòng)完成許多任務(wù)，使用戶和其他節(jié)點(diǎn)能夠更高效地運(yùn)作。支持傳感器的節(jié)點(diǎn)可能會(huì)成為所有變種中部署最廣泛的節(jié)點(diǎn)，并且功能強(qiáng)大，可以本地處理它們收集的數(shù)據(jù)，它們需要能夠以節(jié)能的方式在本地網(wǎng)絡(luò)中傳輸這些數(shù)據(jù)，主要使用充當(dāng)本地集線器的“網(wǎng)關(guān)”設(shè)備。該網(wǎng)關(guān)將由電源供電，具有比普通節(jié)點(diǎn)更多的處理能力，充當(dāng)其本地網(wǎng)絡(luò)上數(shù)十個(gè)甚至數(shù)百個(gè)節(jié)點(diǎn)的協(xié)調(diào)器，通過(guò)廣域?qū)⑵涮峁┑拇蟛糠謹(jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)狡渌W(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)或?qū)嶋H上是互聯(lián)網(wǎng)。

在這種情況下，適合在基于物聯(lián)網(wǎng)傳感器的節(jié)點(diǎn)中部署的MCU的簡(jiǎn)要列表變得更加清晰，允許開(kāi)發(fā)人員快速關(guān)注(或者更確切地說(shuō)，丟棄)許多目前可用的數(shù)千種通用MCU變體。