為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備連接設(shè)計基于標(biāo)準(zhǔn)的無線訪問控制

物聯(lián)網(wǎng)是一個令人興奮的機會。能夠?qū)⒃O(shè)備連接到更廣泛的網(wǎng)絡(luò)，以便定期輕松訪問數(shù)據(jù)，為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計人員提供更多選擇。

連接這些設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)之一 - 無論是傳感器，控制器或終端 - 當(dāng)然是無線的。雖然ZigBee等組織從一開始就將此應(yīng)用程序作為其活動的核心，但Bluetooth Special Interest小組已開始增加支持物聯(lián)網(wǎng)的功能以及可穿戴計算，智能手機終端和外圍設(shè)備的現(xiàn)有設(shè)計。藍牙智能協(xié)議的最新版本通過軟件將這些功能添加到現(xiàn)有硬件中，為工業(yè)領(lǐng)域帶來了顯著的規(guī)模經(jīng)濟。

圖1：在物聯(lián)網(wǎng)上實現(xiàn)一系列節(jié)點的選項。

其中一個關(guān)鍵的例子是Nordic Semiconductor的nRF51822。這是一種用于超低功耗(ULP)應(yīng)用的多協(xié)議單芯片。它結(jié)合了Nordic的收發(fā)器，ARM Cortex-M0 32位內(nèi)核，16 KB的RAM用于協(xié)議棧和其他應(yīng)用，以及高達256 KB的閃存存儲，40 kB至180 kB可供用戶使用。

它還包括一個AES引擎來處理數(shù)據(jù)加密。由于這些數(shù)據(jù)在Internet上運行，因此在無線節(jié)點進行加密更為重要。

對于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，外設(shè)組合變得更加重要。雖然更多標(biāo)準(zhǔn)藍牙應(yīng)用具有相當(dāng)明確且穩(wěn)定的外圍設(shè)備組，但對于無線傳感器節(jié)點和不同控制器，通常需要不同的外圍設(shè)備。 nRF51822中的可編程外設(shè)互連(PPI)系統(tǒng)是一個16通道總線，支持與系統(tǒng)外設(shè)的直接和自主連接，無需CPU。這減少了通信延遲并使其更具可預(yù)測性，從而幫助開發(fā)人員編寫響應(yīng)更快的軟件。這也有助于降低功耗，因為CPU不需要上電。雖然芯片具有兩種全局功耗模式，但每個外設(shè)都可以獨立關(guān)閉，再次降低了整體功耗。

對于這款nRF51系列器件，輸出功率現(xiàn)在可以從+4 dBm擴展低至-20 dBm，步長為4 dB，藍牙智能應(yīng)用的靈敏度高達-93 dBm。

圖2：來自Nordic Semiconductor的藍牙智能nRF51822單芯片。

nRF51822的一個主要優(yōu)勢是它為開發(fā)人員提供了應(yīng)用程序代碼開發(fā)和嵌入式協(xié)議棧之間的清晰分離。這意味著避免了嵌入式堆棧的編譯，鏈接和運行時依賴性以及相關(guān)的調(diào)試挑戰(zhàn)。這是通過將Bluetooth Smart堆棧作為預(yù)編譯的二進制文件提供來實現(xiàn)的，使應(yīng)用程序代碼在通過異步，事件驅(qū)動的接口與堆棧通信時單獨和獨立編譯。

設(shè)計人員可能會減少為特定應(yīng)用程序調(diào)整堆棧的機會，從而在開發(fā)和測試應(yīng)用程序時節(jié)省大量時間。這也消除了對更復(fù)雜的實時操作系統(tǒng)框架的需求，這可能增加代碼的復(fù)雜性。

這種分離使Nordic可以通過其軟件開發(fā)套件在現(xiàn)有的Bluetooth Smart 4.0硬件之上添加IPv6功能。它為nRF51系列設(shè)備提供驅(qū)動程序，庫，示例和API，其中包括IPv6 over Bluetooth Smart適配層(6LoWPAN)和完整的Internet協(xié)議套件。它還為藍牙智能應(yīng)用程序提供本機IPv6支持，讓他們通過基于IP的網(wǎng)絡(luò)直接與云服務(wù)和其他連接的“事物”對話。

該開發(fā)工具包支持大規(guī)模，分布式云與智能家居，工業(yè)和企業(yè)自動化應(yīng)用，物流，訪問控制和云服務(wù)相關(guān)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)部署，可與設(shè)備完全無關(guān)。這使得沒有用戶界面的“無頭”藍牙智能系統(tǒng)可以輕松地相互通信，并與其他支持IPv6的有線或無線技術(shù)(如Wi-Fi，以太網(wǎng)，ZigBee IP和線程)形成異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。

nRF51 IoT SDK不是使用網(wǎng)關(guān)，而是將IP尋址一直擴展到“東西”，從而實現(xiàn)“無頭路由器”。協(xié)議棧的第一個版本包括：互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議支持配置文件(IPSP)，6LoWPAN適配層，IPv6互聯(lián)網(wǎng)路由層，用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議(UDP)和傳輸控制協(xié)議(TCP)傳輸層，約束應(yīng)用協(xié)議(CoAP)和消息隊列遙測傳輸(MQTT)應(yīng)用程序?qū)樱约耙幌盗袘?yīng)用程序示例。這些都針對nRF51822上的小內(nèi)存占用進行了優(yōu)化，SDK包含將設(shè)備配置為Bluetooth Smart 6LoWPAN節(jié)點的示例，與UDP和TCP等傳輸層的IP層連接，以及應(yīng)用程序與CoAP和MQTT的水平。

片上系統(tǒng)(SoC)不是必須的 - 中央處理器運行更簡單的ZigBee或6LoPAN堆棧，可以使用獨立的收發(fā)器，如Atmel的AT86RF231，允許設(shè)計人員實現(xiàn)專有算法和開發(fā)自己的協(xié)議實現(xiàn)。

這是一款低功耗2.4 GHz無線電收發(fā)器，專為工業(yè)和消費類ZigBee/IEEE 802.15.4,6LoWPAN，RF4CE和高數(shù)據(jù)速率2.4 GHz ISM頻段應(yīng)用而設(shè)計。無線電收發(fā)器是一種真正的SPI到天線解決方案，其中除了天線，晶體和去耦電容之外的所有RF關(guān)鍵組件都集成在芯片上，模擬無線電，數(shù)字調(diào)制和解調(diào)，包括時間和頻率同步和數(shù)據(jù)緩沖。

圖3：AT86RF231是2.4 GHz頻段的獨立收發(fā)器，可輕松連接到IoT節(jié)點的中央控制器。

模塊

無線物聯(lián)網(wǎng)不只是關(guān)于32位處理器;諸如易于集成到設(shè)計中的因素可能是一個問題。在這種情況下，集成無線收發(fā)器，控制器和天線的模塊可以節(jié)省大量的開發(fā)和成本。

Dresden Elektronik的deRFmega128-22M00無線電模塊的主要組件是8位ATmega128RFA1微控制器。它與2.4 GHz收發(fā)器相結(jié)合，采用緊湊型模塊，適用于ZigBee或6LoWPAN等無線應(yīng)用，符合IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)。

無線電模塊設(shè)計為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能終端設(shè)備。用戶可通過位于模塊底部的0.80 mm間距的總共51或55個可焊接LGA焊盤訪問所有重要信號。 22M00型具有集成天線，無需額外的RF設(shè)計，最大限度地縮短了定制設(shè)計的集成時間和BOM成本。 22M10型模塊具有射頻墊，可實現(xiàn)外部天線設(shè)計或同軸插座，適用于更遠(yuǎn)距離或更高性能的應(yīng)用。

集成收發(fā)器具有-100 dBm的接收器靈敏度以及128位AES數(shù)據(jù)加密單元，有助于保護鏈路。 8 MHz MCU時鐘意味著無線電模塊在發(fā)送和接收模式下的電流消耗非常低，約為18 mA。睡眠模式下的電流消耗小于1μA。

對于藍牙智能等認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，模塊可以提供已經(jīng)認(rèn)證可以工作的簡單插入選項。

Silicon Labs的BLE113是藍牙智能模塊針對物聯(lián)網(wǎng)中的小型低功耗傳感器。它集成了Bluetooth Smart應(yīng)用程序所需的所有功能，包括收發(fā)器，軟件堆棧和基于GATT的配置文件，并且可以支持多達8個連接的主模式和從模式。

這具有額外的優(yōu)勢，如它還可以托管最終用戶應(yīng)用程序，這意味著對于簡單的應(yīng)用程序，不需要外部微控制器。這對于引腳數(shù)(即占位面積)有限的設(shè)計尤為重要。

這也采用8位方法，可編程8051級控制器內(nèi)核與靈活的硬件接口相連，可連接到不同的外圍設(shè)備和傳感器。

圖4：Silicon Labs的BLE113藍牙模塊使用8位控制器。

在最低功耗睡眠模式下功耗僅為500 nA，將在幾百微秒內(nèi)喚醒，發(fā)射電流為18 mA，接收電流為14 mA。這意味著它可以直接由標(biāo)準(zhǔn)的3 V紐扣電池或AAA電池供電，適用于小型設(shè)計。

9.15 x 15.75 x 2.1 mm模塊包括一個單極芯片天線，其阻抗匹配針對1 mm - 2 mm主板PCB厚度進行了優(yōu)化，因為輻射模式受主板布局的影響。

結(jié)論

物聯(lián)網(wǎng)是一個日益重要的市場細(xì)分市場，具有自己的特定要求。離散控制器和收發(fā)器可用于低成本，緊密集成的設(shè)計，而32位控制器內(nèi)核則在片上系統(tǒng)中處理協(xié)議和應(yīng)用程序代碼。這兩種方法都與提供預(yù)認(rèn)證功能的模塊一起使用，并大大縮短了開發(fā)和測試物聯(lián)網(wǎng)無線解決方案的時間，同時又不影響空間或性能。