利用多协议无线 MCU 模块加速先进物联网的部署

如今，先进的物联网 (IoT) 设计要求可靠的无线连接方案，而且这类连接方案能在异构运行环境中确保网络效率、最优性能与互操作性。其中，异构运行环境涵盖 Wi-Fi、低功耗蓝牙 (BLE）、Thread 及 Matter 协议。适用的解决方案平台必须能与传感器及外设实现无缝集成，同时还需具备一套生态系统，以支持从评估到部署的全程快速开发，以部署全球认证设备。

用从头开始设计的定制解决方案来满足这些要求仍具挑战性，主要障碍是射频 (RF) 和混合信号设计以及器件认证的复杂性。设计人员需要一种集成度更高的方法。

本文简要概述物联网无线设备设计人员正面临的连接方面的挑战。然后介绍 u-blox 提供的一款现成无线平台。通过减少与无线电调试、协议集成、安全实施以及标准和法规合规等各个环节有关的延迟，该平台能够加速先进物联网的设计。

持续变化的连接需求如何推动集成模块的发展

诸如工业控制系统、商业楼宇自动化和智能设备生态系统等新兴应用，均需要灵活的物联网设备解决方案。这些方案既能支持硬件、软件和通信方面的特殊要求，又不影响安全性或功耗预算。在越来越多的应用中，物联网设备预计还将支持多种连接方案。每种设备都必须能够在射频干扰 (RFI) 和电磁干扰 (EMI) 来源各异、日益拥挤的射频环境中保持可靠的通信能力。

在这些应用中，不同的无线协议对于满足特定的应用要求至关重要。双频 Wi-Fi 6 改进了服务质量调度能力，以保持密集网络中的吞吐量；BLE 支持短距离通信中的低功耗运行需求；Thread 支持具有设备验证和 AES-128 加密功能的大规模自愈式 IPv6 网状网络。这些多连接方案奠定了 Matter 协议的基础。该协议是一个基于 IP 的应用层，可在 Wi-Fi 或 Thread 网络运行，同时依靠 BLE 进行设备配网和安全入网。

同时满足所有这些要求已成为一项严峻的工程挑战。传统的分立式无线电设计需要多个芯片组、射频前端和主机接口，但这会增加布局复杂性、功耗和认证工作。在进行合规性测试或跨多协议运行时，每个新增接口都会成为潜在的故障点。随着开发进度不断缩短、监管要求持续提高，越来越多的研发团队开始采用独立的无线微控制器单元 (MCU) 模块。这类模块将无线电子系统、处理资源和集成式安全功能，全部集成于单个预认证元器件中。

u-blox IRIS-W10 系列 MCU 模块是专为应对先进物联网设计的新挑战而设计的集成式解决方案。通过在模块级解决多协议共存、网络效率问题，并实现代码与数据的保护，IRIS-W10 系列为工程师奠定了可靠的研发基础，助力其开发各类联网设备；这类联网设备能在从原型开发到认证部署阶段的整个过程中，只有极少的几个未知因素。

IRIS-W10 模块架构如何满足新兴需求

IRIS-W10 系列是一套完整的无线系统（图 1），集成了高性能处理、多频段无线电子系统、eXecute-In-Place (XIP) 闪存和基于硬件的安全性，形成了一个用于构建先进物联网产品的独立平台。

图 1：IRIS-W10 系列采用获得全球认证的紧凑型模块封装，将高性能 MCU 与多频段无线电、闪存、基于硬件的安全性以及内置天线（如图所示）或用于外部天线的射频信号输出组合在一起。(图片来源：u-blox）

IRIS-W10 模块基于 NXP RW612 和 RW610 无线 MCU（集成了 Arm®Cortex®-M33 内核和多无线电子系统），将高性能处理功能与多种连接方案组合在一起，包括双频 Wi-Fi 6（IEEE 802.11 a/b/g/n/ac/ax）、BLE 5.4 和 Matter over Wi-Fi。基于 RW612 MCU 的变体还支持 IEEE 802.15.4 协议、Thread 协议和基于 Thread 的 Matter 协议。

IRIS-W10 家族中的两个系列可满足不同的集成需求：IRIS-W106 模块集成了印刷电路板（PC 板）天线，而 IRIS-W101 模块则为需要外部天线配置的装置提供射频信号。在每个系列中，特定的产品支持不同的存储器和连接要求，具体如下：

• 基于 RW610 的模块（IRIS-W106-30B和IRIS-W101-30B）包括 8 兆字节 (Mbytes) 闪存
• 如上所述，基于 RW612 的模块提供 8 Mbytes（IRIS-W106-00B 和 IRIS-W101-00B) 或 16 Mbytes（IRIS-W106-10B 和 IRIS-W101-10B）闪存，以及基于 IEEE 802.15.4 的连接。

这些模块采用一致的架构，使开发人员能够更轻松地扩展现有设计，满足新的要求。事实上，这些模块中的任何一个都可以作为独立主机（图 2a）运行，以满足最小功耗和占地面积的设计要求；或者作为单独主机的配套处理器（图 2b）运行，以满足更复杂的功能要求。

图 2：IRIS-W10 模块可满足各种应用需求，从需要独立处理器 (a) 来最大限度降低功耗和占地面积，到需要模块作为主机的配套处理器来实现更多的功能 (b)。(图片来源：u-blox）

该系列提供多种连接选择，有助于确保在拥挤的射频环境中可靠地通信。Wi-Fi 6 采用正交频分多址接入 (OFDMA) 和目标唤醒时间 (TWT) 调度技术，提高了此类环境中的信道效率，而 BLE 的自适应跳频 (AFH) 技术则最大限度地减少了干扰。IEEE 802.15.4 的功能可扩展至 Thread 网络，实现低功耗网状网络与 Matter 的互操作性。由于不同的射频技术不会同时处于工作状态，因此这些模块的射频收发器可通过内置射频开关共用一条射频链路并按序工作，将射频信号流导向共用天线或射频输出端。

尽管多种连接协议的支持能力，对于日益增长的物联网应用而言已必不可少，但也越来越多地需要这些应用能够在可信运行环境内，确保通信交易的安全性。为满足这些安全要求，IRIS-W10 系列模块配备了硬件信任根。应用安全始于从获得验证的非易失性存储器或 USB 源执行安全启动，该过程依托存储在 MCU 嵌入式只读存储器 (ROM) 中的安全引导程序。应用安全的基础是基于 Arm TrustZone-M 的可信执行环境。

其他安全功能还包括任何安全链所需的关键要素，如硬件加密引擎、加密闪存和受保护调试接口，以保障固件的真实性和运行数据。在应用层面，这些安全功能支持 WPA2/WPA3 身份验证、Wi-Fi 企业安全、传输层安全(TLS) 加密、HTTPS 和 BLE 安全连接配对。这些机制共同确立了固件完整性和通信保护的安全基准。凭借高度集成的保护功能，这些模块可提升应用的网络安全性，而无需另行配置分立式安全器件。

IRIS-W10 系列将高性能处理能力、多协议无线电和基于硬件的安全性集成在一个获得全球认证的封装中，有助于开发人员满足吞吐量、互操作性和合规性方面的组合要求。为实现高级物联网设备，该集成架构通过一套完整的 u-blox 评估套件 (EVK) 和开发工具，奠定了快速开发大定制型物联网应用的强大技术基础。

加速开发高级物联网设计

u‑blox 推出的 EVK 及配套软件资源专为适配 IRIS-W10 系列硬件而设计，可助力开发人员高效完成从评估到应用设计的全流程工作。借助这些资源，开发人员能够测试模块性能，验证无线电特性并开发定制型设备。

对于初始评估和原型开发，u-blox 的 USB-IRIS-W1 评估工具可帮助开发人员快速探索 IRIS-W10 模块的功能。该套件将 IRIS-W106 模块、基本用户界面 (UI) 控件和多个接口集成在一块配备 USB Type-A 接口的小尺寸电路板上（图 3）。USB-IRIS-W1 预装了 Wi-Fi 指令行界面 (CLI) 应用，开发人员可将其插入工作站的 USB 端口，即可开始评估模块的 Wi-Fi 功能。

图 3：USB-IRIS-W1 紧凑型 USB Type-A 电路板基于预烧录固件的 IRIS-W106 模块设计，通过多个接口、基本 UI 控制和测试点，可快速评估模块的功能。(图片来源：u-blox）

USB-IRIS-W1 套件为模块调试和 CLI 评估提供了快速入门工具，而 u-blox EVK-IRIS-W1 评估套件（图 4）则为评估每个模块以及体验、扩展其功能提供了一个更全面的独立平台。该套件包括带有 IRIS-W106-10B 模块的 EVK-IRIS-W106 电路板或带有 IRIS-W101-10B 模块的 EVK-IRIS-W101 电路板。除相应电路板外，该套件还包括一个 RJ45 以太网连接器、一条 USB 电缆和一个带 U.FL 连接器的天线（仅限 EVK-IRIS-101）。

每块电路板均由丰富的模块接口，包括 UART、SPI、I²C 和 USB 端口。此外，电路板还配备 LED 指示灯、基本 UI 控件、功率测量针座、一个 10 针调试连接器和四个 mikroBUS (MikroElektronika) 连接器，以扩展电路板功能。

图 4：EVK-IRIS-W1 评估套件为展开开发工作提供了一个全面的硬件平台，为应用开发、功率分析和功能扩展提供了 IRIS-W10 模块接口。(图片来源：u-blox）

开发人员可通过四路 5 V_DC 电源输入中的任意一路为电路板供电，以快速启动电路板：

• 由 USB 外围设备提供的 IRIS-W10 USB 端口
• 调试/UART 端口
• MCU-LINK USB 端口
• 电源针座

EVK-IRIS-W106 和 EVK-IRIS-W101 都预装了演示图像，可在开机后立即评估 Wi-Fi 6 和 BLE。模块固件支持工程师通过串行控制台实现以下功能：测量吞吐量与延迟、评估功耗，以及检查配置寄存器。利用 EVK 的功率测量针座，开发人员可以量化各种通信状态下的电流消耗，从而验证那些必须满足低功耗或电池供电需求的设计中的能耗与性能平衡关系。

多种软件资源有助于简化应用开发

用于定制应用的开发时，IRIS-W10 系列采用开放式 CPU 运行模式，u-blox 为此提供了配套的开放式 CPU 代码库，该代码库包含专为在评估板 (EVK) 上运行而设计的开源参考代码。在这种运行模式下，模块处理器可运行使用 NXP 的 MCUXpresso 软件开发工具包 (SDK) 或 Zephyr 构建的定制应用，并可使用常见的集成开发环境 (IDE) 和工具链进行开发，包括 NXP 的 MCUXpresso IDE、GNU 编译器集 (GCC) 或 IAR 的 Embedded Workbench。

NXP SDK 提供了一套全面的库、连接协议栈、配套程序和参考代码，用于开发基于 NXP MCU 的应用。在运行环境中，SDK 的模块化架构有助于确保将硬件依赖层、驱动程序与高层应用逻辑的相互隔离。

通过参考开放式 CPU 代码库和 SDK 中的示例代码，开发人员可以快速实施所需的定制固件，以支持其物联网应用的独特要求。为了加载定制固件，EVK-IRIS-W1 和 USB-IRIS-W1 评估套件支持通过外部调试器烧录固件。此外，EVK-IRIS-W1 套件电路板支持通过板载调试器更新固件，而 USB-IRIS-W1 则支持通过 UART 端口使用 NXP MCU 来引导程序主机应用程序更新固件。对于日常测试和调试，这两款套件均可通过板载端口支持标准 JTAG 和 SWD 接口。

由于不同模块的所有硬件、软件和认证资产都保持一致，因此无需重新进行重大设计，即可扩展现有设计以支持更多存储器或通信协议。设计完成后，开发人员使用相同的 IRIS-W10 模块和开发环境过渡到生产。最后，所有 IRIS-W10 模块的全球认证简化了目标地区的终端产品集成和监管文件。

u-blox IRIS-W10 系列生态系统结合了获得全球认证的硬件、多功能 SDK 和文档齐全的参考代码，使开发人员能够更快地部署安全的多协议物联网设备。

结语

要满足物联网设备对安全、多协议连接日益增长的需求，在紧凑的开发时间内实现低功耗、强大的无线性能和全球认证仍然是一项重大挑战。u-blox IRIS-W10 系列将嵌入式处理功能、多无线电连接和集成式安全性结合在一个获得全球认证的模块化平台中。利用针对 IRIS-W10 模块经过优化的硬件评估工具包和软件资源，开发人员可以高效地对安全、可互操作的物联网系统进行快速评估、原型开发和部署。随着多协议无线生态系统的不断扩展，IRIS-W10 系列提供了一套能够适应各类新型标准和应用需求的可扩展基础技术。