雙無線電連接：在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)兩全其美

引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，物聯(lián)網(wǎng)市場預(yù)計(jì)將從2020年的2480億美元增長到2025年的1.6萬億美元。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的迅速崛起及其廣泛的應(yīng)用案例也大大增加了其設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度和多功能。選用一種合適的互聯(lián)通訊方案對任何一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備來講都是至關(guān)重要的，但往往單獨(dú)的一種互聯(lián)方式無法滿足其所有的功能需求。本文著重論述了將近程和遠(yuǎn)程通訊方式結(jié)合在一起使用的需求，以顯著提高物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的整體性能和多功能的特性。同時(shí)本文將重點(diǎn)聚焦在低功耗藍(lán)牙(BLE)和Sigfox技術(shù)上，因?yàn)樗鼈円驯灰暈閮?yōu)化物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品技術(shù)架構(gòu)的首選項(xiàng)。

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備連接拓?fù)?/strong>

物聯(lián)網(wǎng)連接設(shè)備可大致分為三類：

1)    直接連接到遠(yuǎn)程基礎(chǔ)設(shè)施的設(shè)備
GPRS、CDMA等技術(shù)使我們的智能手機(jī)或物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備可直接連接到電信塔。隨著Sigfox、LoRa和NBIOT等LPWAN技術(shù)的出現(xiàn)，可在低功耗、低通訊速率及相近的距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的互聯(lián)通訊。這些設(shè)備允許物聯(lián)網(wǎng)連接設(shè)備漫游，而不必局限于特定位置。

2)    連接到本地網(wǎng)關(guān)并進(jìn)而連接到遠(yuǎn)程基礎(chǔ)設(shè)施的設(shè)備

通過無線技術(shù)（如WiFi）或有線技術(shù)（如LAN、IO-Link、PLC等）可將本地的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備接入網(wǎng)關(guān)。借助該方法，可通過一個(gè)連接的網(wǎng)關(guān)將多個(gè)設(shè)備連接到云。通常，這些技術(shù)具有非常高的數(shù)據(jù)速率，并用于高帶寬應(yīng)用，如互聯(lián)網(wǎng)瀏覽、在線視頻或音頻等。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是，您可以遠(yuǎn)程控制或監(jiān)控家庭、辦公室或工業(yè)設(shè)施中的多個(gè)設(shè)備。因此，它還用于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的許多控制應(yīng)用中。但是，由于它們依賴于網(wǎng)關(guān)，因此不能像第一種方法那樣隨意移動(dòng)。

3)    從本地連接到智能手機(jī)或彼此相連（通過或不通過互聯(lián)網(wǎng)連接）的設(shè)備

藍(lán)牙、Zigbee、Thread和超低功耗藍(lán)牙[BLE]等技術(shù)可實(shí)現(xiàn)較短距離的點(diǎn)對點(diǎn)通信。在許多情況下，它們將手機(jī)作為云網(wǎng)關(guān)。近程通信的優(yōu)勢在于可獨(dú)立工作，而對云網(wǎng)絡(luò)無任何要求。

隨著人機(jī)接口（HMI）的出現(xiàn)，可連接設(shè)備(如手機(jī)或筆記本電腦)通常提供多種連接方式，如低功耗藍(lán)牙[BLE]，經(jīng)典藍(lán)牙，WIFI,GPRS等。但是，大多數(shù)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備通常是被設(shè)計(jì)用來完成某項(xiàng)特定的任務(wù)，所有往往只會(huì)選用上述三種方式中的其中一種通訊方式，這中設(shè)計(jì)思路也限制了這些設(shè)備的可用性，產(chǎn)品使用壽命和多用途的特性。

優(yōu)化的雙重連接

優(yōu)化的架構(gòu)結(jié)合了遠(yuǎn)程技術(shù)和近程技術(shù)，可成為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備向廣泛應(yīng)用滲透的里程碑。遠(yuǎn)程連接允許與通信基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行通信，甚至允許漫游。同一設(shè)備中的近程技術(shù)可實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的近程通信，以滿足廣泛的要求。

低功耗藍(lán)牙[BLE]是一種難以置信的近程技術(shù)，可在多種使用場景中作為遠(yuǎn)程連接技術(shù)的補(bǔ)充。BLE可實(shí)現(xiàn)近程直接連接，而遠(yuǎn)程連接則可以為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供云連接。
BLE在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中實(shí)現(xiàn)的一些功能包括

-   用戶界面

BLE連接設(shè)備可連接到智能手機(jī)應(yīng)用，從而使用戶能夠以直觀的方式與設(shè)備進(jìn)行交互。這也可以減少設(shè)備所需的按鈕數(shù)量或顯示裝置，從而使其更便宜、更輕便且防水或防塵。

-   可配置性

BLE還可用于配置設(shè)備，以使其以某種方式運(yùn)行。允許在用戶端進(jìn)行配置，設(shè)備制造商無需在工廠定制產(chǎn)品。甚至可以為設(shè)備配置各種自定義功能，如根據(jù)佩戴位置工作的計(jì)步器、設(shè)置鬧鈴或切換LED等。甚至可以使用BLE配置工業(yè)產(chǎn)品（如LED驅(qū)動(dòng)器），以適應(yīng)消費(fèi)者所需的LED配置類型

-   本地監(jiān)控
基于BLE的接口支持在無云連接的情況下直接監(jiān)測傳感器數(shù)據(jù)。這在需要快速本地響應(yīng)的情況下尤其重要。它也可用于優(yōu)化數(shù)據(jù)成本，因?yàn)橛脩艨蓻Q定需要將哪些數(shù)據(jù)發(fā)送到云，以及需要在本地監(jiān)控哪些數(shù)據(jù)

-   診斷

通常，當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，服務(wù)工程師需要打開設(shè)備或?qū)㈦娎|連接到設(shè)備，以便訪問設(shè)備。這很復(fù)雜，并限制了設(shè)備的創(chuàng)造力和功能。例如，如果設(shè)備具有開放端口并可以通過螺釘輕松打開，則該設(shè)備可能不防水。在主系統(tǒng)發(fā)生故障且BLE接口啟用的情況下，BLE接口便于無線訪問設(shè)備。在許多情況下，BLE可能無法供用戶使用，而只能出于診斷用途被激活。

-   固件升級
固件升級功能允許在發(fā)貨后更新設(shè)備固件。即使在設(shè)備發(fā)貨后，這對于提供新功能和漏洞更新也很重要。通過固件升級，也可以根據(jù)用例配置設(shè)備功能。固件升級也是一種重要的診斷功能。

BLE可以與其他遠(yuǎn)程技術(shù)（如GPRS或LPWAN）相輔相成，以提供遠(yuǎn)程連接。Sigfox是一種重要的多用途低功耗遠(yuǎn)程技術(shù)。當(dāng)BLE SOC驅(qū)動(dòng)Sigfox無線電時(shí)，可在盡量不增加功耗、外形尺寸和價(jià)格的情況下實(shí)現(xiàn)廣泛的新功能和用例。Sigfox是一種可提供全球云、遠(yuǎn)程連接且功耗極低的LPWAN技術(shù)。Sigfox設(shè)備可在全球范圍內(nèi)自由連接，而無需與網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商達(dá)成任何獨(dú)立協(xié)議，也無漫游費(fèi)用。

某些功能可通過在同一設(shè)備中實(shí)施遠(yuǎn)程技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。我們來了解使用Sigfox所實(shí)現(xiàn)的功能。

-   遠(yuǎn)程監(jiān)控

可使用Sigfox網(wǎng)絡(luò)將傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送到云，而無需本地網(wǎng)關(guān)。設(shè)備可直接將數(shù)據(jù)上傳到Sigfox運(yùn)營商運(yùn)營的Sigfox網(wǎng)關(guān)。這些網(wǎng)關(guān)可直接實(shí)現(xiàn)長達(dá)數(shù)公里的連接。

-   數(shù)據(jù)聚合

需要將煤氣表、水表或其他傳感器的數(shù)據(jù)匯總到云中，以便合并、計(jì)費(fèi)或分析。通過Sigfox網(wǎng)絡(luò)長期發(fā)送的數(shù)據(jù)可用于此目的。

-   跟蹤和定位

跟蹤和定位是使用最廣泛的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備用例之一。如果需要精確定位，則可通過Sigfox網(wǎng)絡(luò)將GPS坐標(biāo)發(fā)送到云端。許多用例（如車隊(duì)監(jiān)控）均接受幾公里的精度。在這類用例中，Sigfox網(wǎng)絡(luò)自身可使用三角測量法進(jìn)行定位，而無需GPS信號。Sigfox引入了一種名為Monarch的新功能，以根據(jù)當(dāng)?shù)胤ㄒ?guī)識別無線電服務(wù)并管理無線電頻率變化。借助該功能，設(shè)備可跨國界漫游，并始終保持連接。

-   事件通知

當(dāng)有人使用BLE解鎖時(shí)，也需要使用獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)將信息記錄在云端。開門、超過傳感器閾值、防盜警報(bào)、火警之類的事件同樣需要獨(dú)立于本地接口工作。配備正確的傳感器、邏輯和Sigfox無線電的設(shè)備可輕松實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)。

-   診斷和協(xié)助

如果需要幫助或設(shè)備的某些部分出現(xiàn)故障，則物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備可通過Sigfox網(wǎng)絡(luò)發(fā)出警報(bào)。Sigfox也允許發(fā)送下行消息，以便在診斷模式下配置設(shè)備并提供相關(guān)數(shù)據(jù)。

意法半導(dǎo)體推出了獨(dú)特的解決方案，以便將BLE和Sigfox無線電合并成一種通用解決方案。雙無線電通過Sigfox提供遠(yuǎn)程連接，并通過BLE提供智能手機(jī)連接。與Sigfox設(shè)備的智能手機(jī)連接支持用戶界面[UI]、無線固件更新[FUOTA]、直接配置和控制。

STDES-MONARCH已通過Sigfox認(rèn)證，并免費(fèi)提供所有必要的設(shè)計(jì)文檔和軟件。該參考設(shè)計(jì)同時(shí)嵌入了BlueNRG-2低功耗BLE片上系統(tǒng)（SoC）和S2-LP窄帶超低功耗sub-1GHz收發(fā)器。
意法半導(dǎo)體的BlueNRG-2是一種經(jīng)過超低功耗BLE 5.0認(rèn)證的無線處理器，它支持與傳感器無縫連接、Privacy 1.2、Secure Connection 4.2、數(shù)據(jù)長度擴(kuò)展、8dBm的輸出功率和與物聯(lián)網(wǎng)

BLE Mesh連接支持通過物聯(lián)網(wǎng)解決方案的Mesh網(wǎng)絡(luò)連接多個(gè)BLE設(shè)備。通過引進(jìn)Mesh解決方案，即使設(shè)備不在網(wǎng)絡(luò)的直接范圍內(nèi)，也可以進(jìn)行連接。

S2-LP是高性能超低功耗RF收發(fā)器，適用于sub-1GHz頻段的RF無線應(yīng)用。可將其編程為在413-479 MHz、452-527 MHz、826-958 MH、904-1055 MHz頻段的sub-1GHz頻率下運(yùn)行。S2-LP支持不同的調(diào)制格式：2（G）FSK、4（G）FSK、OOK和ASK。S2-LP的遠(yuǎn)程通信RF鏈路預(yù)算高于140 dB，并符合世界各地（包括歐洲、日本、南亞、印度、中國和美國）適用法規(guī)的要求。

結(jié)論

隨著物聯(lián)網(wǎng)用例的發(fā)展，同一設(shè)備將需要更多連接選項(xiàng)。這將增強(qiáng)設(shè)備的可用性、多功能性和可靠性。BLE SoC驅(qū)動(dòng)sub-1Ghz無線電組合預(yù)計(jì)將有良好的發(fā)展勢頭，因?yàn)樗诓粻奚杀?、功耗和外形尺寸的前提下?shí)現(xiàn)了額外的連接。意法半導(dǎo)體在兩種世界級的無線電技術(shù)中采用了該架構(gòu)，并在客戶中取得了巨大反響。