物聯(lián)網(wǎng)的多協(xié)議無線技術以及相關的連接應用案例

廣泛應用于物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 中的無線協(xié)議具有許多共同的屬性。多協(xié)議 SoC 可以運行所有的協(xié)議，簡化了多種無線設計。我們希望控制生活中無數(shù)的設備和系統(tǒng)。例如當我進入家里或辦公室的房間時，希望能夠用開關控制燈。當我離開家時，我希望設置我的安全警報并鎖上門。許多這樣的系統(tǒng)已經(jīng)被安裝，并且成為一套完善的基礎設施的一部分。

物聯(lián)網(wǎng)的技術演變

物聯(lián)網(wǎng)正在改變我們的期望。現(xiàn)在，我希望通過智能手機遠程監(jiān)測和控制我家的溫度;希望我的辦公樓在沒有人的時候關掉燈來節(jié)約能源;希望建筑物知道我什么時間在那里，并確保我周圍的環(huán)境舒適安全。

為了實現(xiàn)我們?nèi)找孢B通的世界，無數(shù)的物聯(lián)網(wǎng)設備和系統(tǒng)已經(jīng)在我們幾乎沒有注意到的情況下被部署。我們的家庭、辦公室、工廠乃至城市基礎設施中有許多的無線安全系統(tǒng)、通行卡、占用傳感器、遠程溫度傳感器和其它連網(wǎng)設備。

支撐物聯(lián)網(wǎng)的有線和無線傳感器的復雜網(wǎng)絡已經(jīng)開發(fā)和部署了數(shù)十年。替換這些傳感器網(wǎng)絡的代價將是昂貴的。物聯(lián)網(wǎng)的成功正在提高目標。隨著多協(xié)議技術的出現(xiàn)，新的無線傳感器節(jié)點的部署現(xiàn)在變得更加容易了。該技術包括硬件和軟件，可使單個片上系統(tǒng)(SoC)設備支持多種無線協(xié)議，如低功耗藍牙(Bluetooth low energy，BLE)、Zigbee和Thread。并且它橫跨從Sub-GHz到2.4GHz的多個頻率。

然而，由于物聯(lián)網(wǎng)基礎設施建立在傳統(tǒng)系統(tǒng)的基礎上，我們還必須考慮將新的802.15.4無線技術添加到物聯(lián)網(wǎng)早期部署的已有基礎設施上所帶來的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)系統(tǒng)的支持并不是唯一的挑戰(zhàn)，還要考慮常用于解決類似連接性挑戰(zhàn)的競爭性協(xié)議標準所帶來的復雜性。

典型的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點

關于我們周圍的大量傳感器網(wǎng)絡，首先需要了解的是它們基于的微控制器(MCU)技術以及某種傳感元件。它們一起將模擬環(huán)境轉(zhuǎn)換為數(shù)字數(shù)據(jù)包，一旦量化，數(shù)據(jù)往往必須進入云以進一步處理。在許多情況下，選擇的傳輸方式是無線傳輸。無線傳感器數(shù)據(jù)包通常很小，無線節(jié)點本身必須有效地利用大小、成本和功耗。

圖說：交換多協(xié)議方案

過去為了實現(xiàn)這一連接過程，許多供應商使用了Sub-GHz射頻，以及針對電池壽命進行了優(yōu)化的輕量級無線協(xié)議。他們被迫自行制定自己的協(xié)議，因為既有的選擇太耗電或者無法覆蓋期望的范圍。然而，現(xiàn)在開發(fā)者有很多強大的、高效的、基于標準的選擇可用，包括Zigbee，Thread和低功耗藍牙(BLE)。

物聯(lián)網(wǎng)設備的設計人員往往面臨一種困境，即設計的單一產(chǎn)品既要能夠與所有無線標準一起工作，同時要最小化BOM(物料清單)成本和復雜性。只有少量的設備制造商有資源或時間來創(chuàng)建特殊設計，以支持每種有可能用于物聯(lián)網(wǎng)的無線標準。

多協(xié)議、多頻段SoC通過在一個高度集成的SoC 芯片中支持Sub-GHz專有頻率以及2.4GHz頻段基于標準的協(xié)議，將開發(fā)人員從這種困境中解放出來。理想情況下，多協(xié)議、多頻段SoC的無線收發(fā)器具有兩個無線路徑：一個用于Sub-GHz傳輸，一個用于2.4 GHz傳輸。這種集成的無線架構給予物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)人員很大的靈活性來應對多種應用場合。

考慮一下集成到無線SoC中的典型多頻帶收發(fā)器的信號鏈。無線收發(fā)器的一些部件是共享的，一些是分開的。例如，RF部分必須具有單獨的部件來處理不同的頻率要求。但調(diào)制解調(diào)器(由調(diào)制器、解調(diào)器和一些加密硬件組成)可以在兩個無線前端共享。

這種無線架構為多協(xié)議、多頻段SoC設計創(chuàng)建了高度優(yōu)化、一致和經(jīng)濟的方法。不同的協(xié)議棧可以共享調(diào)制解調(diào)器來實現(xiàn)各種通信標準。調(diào)制解調(diào)器也在RF部分之間進行復用以接收和發(fā)送包。這種共享架構也非常適合軟件開發(fā)，因為它提供了射頻功能的通用接口。因此，它允許開發(fā)人員創(chuàng)建可以在不同協(xié)議棧之間共享的無線配置層。

圖說：動態(tài)多協(xié)議連接

實現(xiàn)多協(xié)議、多頻段系統(tǒng)所需的軟件很復雜。無線協(xié)議棧必須是高效的，并且必須適用于廣泛的硬件產(chǎn)品。它們還必須在多線程環(huán)境中與實時操作系統(tǒng)(RTOS)一起工作。在多協(xié)議應用程序中，多協(xié)議棧必須無縫地一起工作或獨立工作，從而不會導致臃腫或降低效率。當兩個協(xié)議棧在具有共享硬件的同一個SoC上運行時，必須以保持網(wǎng)絡完整性的方式來實現(xiàn)。這是一個復雜的任務。

多協(xié)議/多頻段系統(tǒng)被證明可用于各種各樣的用途?？?a target="_blank">編程多協(xié)議連接很容易解釋和實現(xiàn)。當單個器件可以橫跨多個最終產(chǎn)品部署時，工程管理人員將認識到大量的代碼可被重用，以提高效率。工程師可以指定單一型號的器件以運行Zigbee、Thread、BLE 或者專有協(xié)議。然后，他們可以在生產(chǎn)時決定產(chǎn)品是否運行藍牙或作為Sub-GHz產(chǎn)品運行。這種方法使制造商能夠最大限度地降低財務風險，同時保持最大的生產(chǎn)靈活性。

當設備已經(jīng)部署在現(xiàn)場時，交換多協(xié)議方案(如圖2)允許連網(wǎng)設備通過引導加載新的固件映像來更改它們運行的無線協(xié)議。例如，這種技術可能會使用智能手機連接從低功耗藍牙切換到Zigbee、Thread或其它無線網(wǎng)絡。

交換多協(xié)議對終端消費者具有很大的意義。例如，這項技術使安裝人員能夠通過智能手機應用程序來配置和校準產(chǎn)品。這項功能在部署Thread 或Zigbee節(jié)點時特別有用。

圖說：多協(xié)議應用案例比較

在各種網(wǎng)絡中的配置可能很困難。交換多協(xié)議技術簡化了這項工作，它使物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品在一開始就能夠使用BLE，之后再將其配置并切換到其它網(wǎng)狀網(wǎng)絡協(xié)議。與動態(tài)多協(xié)議相比，交換多協(xié)議的優(yōu)點在于需要更少的設備資源，因為不需要在多個無線設備之間物理存儲和運行多個協(xié)議。

在單個無線芯片上運行三種通信協(xié)議棧的動態(tài)多協(xié)議連接如圖3所示。通過時間分片機制，實現(xiàn)了在協(xié)議之間共享無線。這種動態(tài)方法允許使用低功耗藍牙與其它無線協(xié)議。在這個簡單的示例中，通常在Zigbee上運行的設備周期性地使用藍牙信標功能。

使用動態(tài)多協(xié)議，可以通過分時共享物理資源來支持一個SoC的兩種協(xié)議(或更多)。動態(tài)多協(xié)議通常使用更多的設備資源，如閃存，并具有更復雜的軟件架構。它還需要細致的射頻設計以在不同協(xié)議之間動態(tài)共享無線資源。

圖說：IoT覆蓋與數(shù)據(jù)率的關系

雖然動態(tài)多協(xié)議方案使用更多的硬件資源，但考慮到這種方法帶來的價值，這種選擇是值得的。在許多情況下，動態(tài)多協(xié)議技術將設計復雜性和整體系統(tǒng)成本降低了至少50%。這些節(jié)省來自于僅使用一個SoC設備，而不是使用兩個或更多個芯片以及分布式規(guī)則引擎和不同的協(xié)議棧架構。單個多協(xié)議SoC與強大的RTOS、精心設計的無線協(xié)議棧和本地應用程序相結合，可以輕松實現(xiàn)需要多種連接模式的物聯(lián)網(wǎng)設計。

并發(fā)多協(xié)議在部署Thread和Zigbee網(wǎng)絡的網(wǎng)關設計中特別有用。在這里，由于協(xié)議和無線配置之間的相似性，許多軟件和硬件資源可以按原樣重用。例如，Thread和Zigbee共享相同的PHY和MAC層，最大限度地減少了重新配置收發(fā)器的需要。此外，Thread和Zigbee在通信協(xié)議棧中共享一些更高的共同元素，這使資源共享更加高效。結果是設備可以使用更小的內(nèi)存占用，這有助于降低最終產(chǎn)品的成本。

總結

目前只有少數(shù)SoC供應商可提供基于高度集成的SoC和優(yōu)化軟件的多協(xié)議產(chǎn)品。更少的供應商可提供必要的開發(fā)工具，以簡化多協(xié)議無線設計的復雜性。成功地實現(xiàn)系統(tǒng)中多協(xié)議棧無縫工作是一項挑戰(zhàn)。

使事情變得困難的是，有時無線設計團隊遍布世界各地，有不同的設計目標，或者可能是不同業(yè)務部門的一部分。當多個協(xié)議棧來自不同的公司或社區(qū)資源時，設計一個功耗和內(nèi)存受限的可靠系統(tǒng)將變得非常困難。

協(xié)議必須在受限系統(tǒng)中有效地使用硬件，以避免浪費CPU周期和內(nèi)存資源。特別重要的是要有效地處理協(xié)議棧之間的切換，否則會產(chǎn)生沖突和/或浪費能量。浪費CPU周期可能會對電池壽命產(chǎn)生破壞性影響。協(xié)議棧的低效還可能導致需要更多的內(nèi)存，從而增加系統(tǒng)成本。為了確保開發(fā)出成功的應用程序，開發(fā)人員必須仔細考慮每個組件，如設備硬件(SoC或模塊)、無線電調(diào)度程序、協(xié)議棧和RTOS。

多協(xié)議、多頻段解決方案的需求將繼續(xù)增長，因為對于所有物聯(lián)網(wǎng)應用而言，沒有哪一種無線協(xié)議是完美的。在一個更互聯(lián)的世界中，我們將繼續(xù)看到連網(wǎng)設備和嵌入式軟件變得越來越復雜，以滿足物聯(lián)網(wǎng)的多樣化需求。