物聯(lián)網(wǎng)中的多協(xié)議、多頻段連接的案例

作者 / Tom Pannell Silicon Labs物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品資深營銷總監(jiān)

摘要：廣泛應(yīng)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(yùn)行所有的協(xié)議，簡化了多種無線設(shè)計。

　　我們希望控制生活中無數(shù)的設(shè)備和系統(tǒng)。例如當(dāng)我進(jìn)入家里或辦公室的房間時，希望能夠用開關(guān)控制燈。當(dāng)我離開家時，我希望設(shè)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(chǔ)設(shè)施的一部分。

　　物聯(lián)網(wǎng)正在改變我們的期望?，F(xiàn)在，我希望通過智能手機(jī)遠(yuǎn)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(guān)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(shí)現(xiàn)我們?nèi)找孢B通的世界，無數(shù)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)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(chǔ)設(shè)施中有許多的無線安全系統(tǒng)、通行卡、占用傳感器、遠(yuǎn)程溫度傳感器和其它連網(wǎng)設(shè)備。

　　支撐物聯(lián)網(wǎng)的有線和無線傳感器的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)開發(fā)和部署了數(shù)十年。替換這些傳感器網(wǎng)絡(luò)的代價將是昂貴的。物聯(lián)網(wǎng)的成功正在提高目標(biāo)。隨著多協(xié)議技術(shù)的出現(xiàn)，新的無線傳感器節(jié)點(diǎn)的部署現(xiàn)在變得更加容易了。該技術(shù)包括硬件和軟件，可使單個片上系統(tǒng)(SoC)設(shè)備支持多種無線協(xié)議，如低功耗藍(lán)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(chǔ)設(shè)施建立在傳統(tǒng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，我們還必須考慮將新的802.15.4無線技術(shù)添加到物聯(lián)網(wǎng)早期部署的已有基礎(chǔ)設(shè)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(biāo)準(zhǔn)所帶來的復(fù)雜性。

典型的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)

　　關(guān)于我們周圍的大量傳感器網(wǎng)絡(luò)，首先需要了解的是它們基于的微控制器(MCU)技術(shù)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?jǐn)?shù)據(jù)包，一旦量化，數(shù)據(jù)往往必須進(jìn)入云以進(jìn)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(diǎn)本身必須有效地利用大小、成本和功耗。

　　過去為了實(shí)現(xiàn)這一連接過程，許多供應(yīng)商使用了Sub-GHz射頻，以及針對電池壽命進(jìn)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?yàn)榧扔械倪x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(qiáng)大的、高效的、基于標(biāo)準(zhǔn)的選擇可用，包括Zigbee，Thread和低功耗藍(lán)牙(BLE)。

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

　　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(biāo)準(zhǔn)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(gòu)給予物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)人員很大的靈活性來應(yīng)對多種應(yīng)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(dú)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(gòu)為多協(xié)議、多頻段SoC設(shè)計創(chuàng)建了高度優(yōu)化、一致和經(jīng)濟(jì)的方法。不同的協(xié)議棧可以共享調(diào)制解調(diào)器來實(shí)現(xiàn)各種通信標(biāo)準(zhǔn)。調(diào)制解調(diào)器也在RF部分之間進(jìn)行復(fù)用以接收和發(fā)送包。這種共享架構(gòu)也非常適合軟件開發(fā)，因?yàn)樗峁┝松漕l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。

　　實(shí)現(xiàn)多協(xié)議、多頻段系統(tǒng)所需的軟件很復(fù)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(shí)時操作系統(tǒng)(RTOS)一起工作。在多協(xié)議應(yīng)用程序中，多協(xié)議棧必須無縫地一起工作或獨(dú)立工作，從而不會導(dǎo)致臃腫或降低效率。當(dāng)兩個協(xié)議棧在具有共享硬件的同一個SoC上運(yùn)行時，必須以保持網(wǎng)絡(luò)完整性的方式來實(shí)現(xiàn)。這是一個復(fù)雜的任務(wù)。

　　多協(xié)議/多頻段系統(tǒng)被證明可用于各種各樣的用途。可編程多協(xié)議連接很容易解釋和實(shí)現(xiàn)。當(dāng)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(rèn)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(yùn)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(yùn)行藍(lán)牙或作為Sub-GHz產(chǎn)品運(yùn)行。這種方法使制造商能夠最大限度地降低財務(wù)風(fēng)險，同時保持最大的生產(chǎn)靈活性。

　　當(dāng)設(shè)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(shè)備通過引導(dǎo)加載新的固件映像來更改它們運(yùn)行的無線協(xié)議。例如，這種技術(shù)可能會使用智能手機(jī)連接從低功耗藍(lán)牙切換到Zigbee、Thread或其它無線網(wǎng)絡(luò)。

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

　　在各種網(wǎng)絡(luò)中的配置可能很困難。交換多協(xié)議技術(shù)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(luò)協(xié)議。與動態(tài)多協(xié)議相比，交換多協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)在于需要更少的設(shè)備資源，因?yàn)椴恍枰诙鄠€無線設(shè)備之間物理存儲和運(yùn)行多個協(xié)議。

　　在單個無線芯片上運(yùn)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(jī)制，實(shí)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(lán)牙與其它無線協(xié)議。在這個簡單的示例中，通常在Zigbee上運(yùn)行的設(shè)備周期性地使用藍(lán)牙信標(biāo)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(shè)備資源，如閃存，并具有更復(fù)雜的軟件架構(gòu)。它還需要細(xì)致的射頻設(shè)計以在不同協(xié)議之間動態(tài)共享無線資源。

　　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(shù)將設(shè)計復(fù)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(shè)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(gòu)。單個多協(xié)議SoC與強(qiáng)大的RTOS、精心設(shè)計的無線協(xié)議棧和本地應(yīng)用程序相結(jié)合，可以輕松實(shí)現(xiàn)需要多種連接模式的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計。

　　并發(fā)多協(xié)議在部署Thread和Zigbee網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)設(shè)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(jié)果是設(shè)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(jié)

　　目前只有少數(shù)SoC供應(yīng)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(yīng)商可提供必要的開發(fā)工具，以簡化多協(xié)議無線設(shè)計的復(fù)雜性。成功地實(shí)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(shè)計團(tuán)隊遍布世界各地，有不同的設(shè)計目標(biāo)，或者可能是不同業(yè)務(wù)部門的一部分。當(dāng)多個協(xié)議棧來自不同的公司或社區(qū)資源時，設(shè)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(fèi)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(fèi)能量。浪費(fèi)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(dǎo)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(yīng)用程序，開發(fā)人員必須仔細(xì)考慮每個組件，如設(shè)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?yàn)閷τ谒形锫?lián)網(wǎng)應(yīng)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(shè)備和嵌入式軟件變得越來越復(fù)雜，以滿足物聯(lián)網(wǎng)的多樣化需求。

　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第11期第31頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。