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使用多协议、多频段无线 SoC 简化工业物联网的部署

作者:Barry Manz

投稿人:Digi-Key 北美编辑

由于技术不断创新,现在物联网 (IoT) 应用中存在多种不兼容的无线选择。尽管有选择总是一件好事,但是这也使无线网络的部署复杂化——特别是对于旧工业物联网 (IIoT) 装备,其中可能已经部署了多个无线网络,而现在需要在多个设施中加装成百上千个传感器。

为了解决这个问题,物联网收发器制造商开发了低成本、低功耗的片上系统 (SoC) 解决方案,可在单个器件中跨多个射频频段支持多种协议。

本文简要介绍了广泛使用多种短程无线通信标准和规范所带来的设计挑战。随后介绍可让设计人员灵活应对多种射频接口的 NXPTexas InstrumentsSilicon LabsAnalog Devices 片上系统 (SoC),并探索这些器件的功能及其支持的无线协议。

无线选择挑战

仅仅在几年前,都很少有支持多种无线协议的物联网收发器或微控制器 SoC,因此边缘设备的制造商就会选择一种协议,并在整个产品线中使用。例如,在家庭自动化中,这是第一种有实际意义的物联网应用,一家“智能”照明产品制造商可能使用 Zigbee,另一家可能使用 Z-Wave,而又一家则可能使用 Wi-Fi,使本来就很复杂的新技术对消费者而言更加令人困惑。

工业物联网市场现在面临着同样的挑战,但在规模上要大得多。与地理上界限明确的家庭不同,大型制造商的厂房设施可能遍布全球,需要支持各种设备和法规要求。多协议、多频段收发器和微控制器 SoC 的出现,让工程师能够更轻松地部署此类设备、系统和网络架构。随着这些 SoC 越来越多地用于边缘设备,使用来自单个供应商的 SoC 在边缘设备中配置支持多种无线协议的网络将成为可能。

典型的物联网 SoC 特性

物联网的典型 SoC 包括一个基带和一个基于 IEEE 802.15.4 物理层 (PHY) 无线接口的射频部分,用于低速率无线个人局域网 (LR-WPAN);一个 Arm 主处理器和协处理器;某种程度的加密,例如 AES-128;以及一个真随机数发生器 (TRNG)。此外,还包括电源和传感器管理电路、多个时钟和计时器,以及多个 I/O 选择(图 1)。由于 Zigbee 已成为工业应用中非常流行的协议,因此在这些设备中几乎得到普遍支持,这种情况还有类似的低数据速率协议,例如 Thread。

Texas Instruments 的 CC26xx 系列 SimpleLink SoC 框图图 1:如框图所示,Texas Instruments 的 CC26xx 系列 SimpleLink SoC 是无线物联网 SoC 的代表。主处理器是 Arm Cortex-M3,由 Arm Cortex-M0 协处理器支持。(图片来源:Texas Instruments)

此实例中还包括低功耗蓝牙(版本 4),并且越来越多的产品支持蓝牙 5(版本 5.1)。在 5.1 版蓝牙中采纳了网状网络,使得成蓝牙也成为大规模物联网中的另一个有力竞争者。但是,并非所有 SoC 都支持此版本,因此确定工业物联网的备选器件是否支持 5.1 版本非常重要。

一些器件还支持 IPv6 低功耗无线个人局域网 (6LoWPAN),这是互联网工程任务组 (IETF) 基于 802.15.4 PHY 定义的开放标准。6LoWPAN 加入了实现 IPv6 所需的 IP 报头压缩 (IPHC)、802.15.4 PHY 和媒体访问控制 (MAC) 层上的标准 TCP/UDP,并可在 900 兆赫 (MHz)(或更低)以及 2.45 GHz 的频率下工作。

到互联网的上行链路通过 IPv6 边缘路由器来处理,该路由器还连接了多台 PC 和服务器(图 2)。6LoWPAN 网络本身使用自己的边缘路由器连接到 IPv6 网络路由器。

具有 6LoWPAN 网状网络的 IPv6 网络示意图图 2:具有 6LoWPAN 网状网络的 IPv6 网络。到互联网的上行链路由充当 IPv6 路由器的接入点处理,接入点连接到 IPv6 边缘路由器,而路由器还可能连接有多台 PC 和服务器。6LoWPAN 网络使用边缘路由器连接到 IPv6 网络。(图片来源:Texas Instruments)

6LoWPAN 与众不同的一个特征是,它能够在使用标准互联网协议的任何地方提供端到端的数据包传递,这使得设计人员能够在所有应用中使用 MQTT、CoAP 和 HTTP 等高级消息传输协议。

像本文提到的其他协议一样,除了 2.4 GHz,该协议也可在“次 1 GHz”无线电上运行,因此具有良好的传播特性。例如,6LoWPAN 的相关演示表明,使用射频输出功率为 +12 dBm 的收发器时,在 900 MHz 下的覆盖距离长达四英里。低频率在室内特别有用,因为它们具有更好的穿墙能力。经过适当配置并使用合适的网桥,6LoWPAN 可与任何其他 IP 网络(例如以太网、Wi-Fi 或蜂窝数据网络)互操作。

基本协议

目前,尚无 SoC 支持物联网中使用的所有无线协议。对于工业物联网网络的设计人员而言,这并不是特别重要,因为某些协议(例如 Thread 和 Z-Wave)已在消费市场中被广泛采用。这减少了 Zigbee(迄今为止工业物联网中的最流行协议),以及 6LoWPAN 和蓝牙的竞争者。这就是说,任何支持 802.15.4 标准的 SoC 都应能够与 Zigbee、LPWAN、Thread,以及可在相同频段工作的可能专有解决方案一起使用。

对于使用微型电池供电的低功耗边缘设备应用,多协议 SoC 通常不包含 Wi-Fi,因为其功耗较高。在物联网中,Wi-Fi 的主要使用之处是功耗非关键因素的回程和网关到互联网的接入。但是,由于具有高数据传输速率且几乎无处不在,因此当城市升级照明、监控和其他基础设施时,Wi-Fi 是必不可少的。

对于这些应用,片上 Wi-Fi SoC 已经问世了多年,并且由于该技术是众多需要高数据速率的物联网应用中必不可少的一部分,因此其应用正在不断增长。仅支持 Wi-Fi 的 SoC 之一是 Texas Instruments 的 CC3100R11MRGCR Wi-Fi 网络处理器,它具有 2.4 GHz Wi-Fi 无线电和网络处理器以及片上 Web 服务器和 TCP/IP 堆栈。与来自 TI 或任何制造商的微控制器结合使用时,该 SoC 可在两个小型器件中形成完整的 Wi-Fi 解决方案。

即便如此,相当多的 SoC 同时支持 Wi-Fi 和蓝牙协议,因为这两种协议非常流行且互补。例如,Texas Instruments 的 WiLink 8 Wi-Fi/蓝牙组合模块系列中的 WL1831MODGBMOCR 就支持蓝牙和低功耗蓝牙。对于 Wi-Fi,该产品包括 IEEE 802.11b/g/n(最大数据传输速率为每秒 100 兆比特 [Mb/s])以及 Wi-Fi Direct。该模块具有 2 x 2 MIMO 能力,覆盖范围是单天线设备的 1.4 倍,并且在 Wi-Fi 模式下耗电量不到 800 微安 (µA)。蓝牙功能符合蓝牙 4.2 安全连接标准,还包含用于通过 UART 传输蓝牙数据的主机控制器接口,以及支持蓝牙高级音频分发规范 (A2DP) 子带编解码器的音频处理器。

在 13.3 × 13.4 × 2 毫米 (mm) 的封装中,包含了射频功率放大器和开关、滤波器和其他无源元器件,以及电源管理和其他资源,例如 4 位 SDIO 主机接口。

Silicon Labs 的 Mighty Gecko EFR32MG13P733F512GM48-D 多协议 SoC 采用了一种有趣的方法,将微控制器与在 169 MHz 和 2.450 GHz 之间的关键频率下工作的收发器结合在一起。这使之兼容低功耗蓝牙和蓝牙 5.1、Zigbee、Thread,甚至是 802.15g。802.15g 是设计用于智能电网网络中超大型公用事业应用的标准变体,这种网络可能在广泛分散的区域中具有数百万个固定端点。

在 Mighty Gecko 系列中,某些器件支持在 1 GHz 以下工作的网络,允许针对特定应用进行定制,从而支持各种调制方案,例如 OOK、整形 FSK、整形 OQPSK 和 DSSS 调制。

Texas Instruments 的 SimpleLink 平台包括了多种硬件,支持低功耗蓝牙和蓝牙 5.1、Thread、W-Fi、Zigbee 和“次 1 GHz”解决方案(如 6LoWPAN),以及以太网、CAN 和 USB 等有线标准。根据型号,此类器件可支持两种或三种无线协议。该系列中的每个型号均可在单个软件开发环境中得到支持。

例如,CC2650F128RHBR SimpleLink 多标准无线 MCU 包括对蓝牙、Zigbee 和 6LoWPAN 的支持,以及对 Zigbee 消费电子射频 (RF4CE) 等远程控制应用的支持。后一种协议是 IEEE 802.15.4 的增强版,具有网络层和应用层来创建多供应商可互操作解决方案。CC2650 使用 32 位 Arm Cortex-M3 作为主机处理器,用以搭配功率传感器控制器使用,即使整个系统处于休眠模式,该传感器也可以自主运行。蓝牙控制器和 802.15.4 MAC 使用单独的 Arm Cortex-M0 处理器,从而释放内存以支持应用。

NXP Semiconductors 的 MKW40Z160VHT4 SoC 支持低功耗蓝牙及用于 Zigbee 和 Thread 的 802.15.4 标准,工作频率在 2.36 GHz 和 2.48 GHz 之间,并采用 Arm Cortex-M0+ CPU、蓝牙链路层硬件和 802.15.4 分组处理器。除了主要作为一个完整的子系统来使用外,该 SoC 还可充当调制解调器,以将蓝牙或 802.15.4 连接添加至现有的嵌入式控制器,或者在无需主机控制器的嵌入式应用中用作独立无线传感器。

Analog Devices 的 LTC5800IWR-IPMA#PBF 多协议 SoC 同时支持前文所述基于 802.15.4 的协议,以及另一种拥有有趣历史的协议,名为 SmartMesh。该协议由美国加州大学伯克利分校的电气工程和计算机科学教授 Kris Pister 在 1990 年代后期开发,并得到了 DARPA 的 Smart Dust 项目的资助。该项目的目标是创建一款可由电池或通过能量收集供电的微型、高度可靠的无线电设备。主要客户将是广泛分布的管道公用事业部门,工作环境条件通常非常恶劣。

为了使这项技术商业化,Pister 联合创办了 Dust Networks,以打造称为 SmartMesh 的网状无线传感器网络。2011 年,该公司被 Linear Technology 收购,Linear Technology 自身于 2017 年又被 Analog Devices 收购,SmartMesh 便在这里存续下来,现在也应用于工业物联网中。

SmartMesh 包含一个自我形成的多跳节点(称为尘埃)网,用于收集和中继数据;以及一个网络管理器,负责协调性能和安全并与主机应用交换数据(图 3)。由于可靠性是 DARPA 项目的核心要求之一,因此即使在恶劣的环境条件下,SmartMesh 仍能够保持 99% 的正常运行时间。其通信协议是一种扩频变体,称为时隙信道跳变 (TSCH),可将网络中的所有尘埃同步到几微秒内。

SmartMesh 网络的每个节点充当路由器示意图图 3:在 SmartMesh 网络中,每个节点都充当一个路由器,因此可以在任何点连接新节点。该技术最多支持 50,000 个节点。(图片来源:Analog Devices)

网络中的所有尘埃能够同步到不到 1 毫秒 (ms),并且电池寿命可以超过 10 年。仅需电源去耦、晶体和天线,即可创建一个完整的无线节点。当使用全向 2 dBi 增益天线时,LTC5800-IPM 的典型覆盖范围为室外 300 米 (m) 和室内 100 m。

总结

由于无线协议有很多变型版本,再加上还有一些遗留系统可能需要支持,因此在部署工业物联网时很难选择到合适的无线接口和协议。如上所述,跨多个射频频段支持多个短程无线协议的物联网 SoC 通过为设计人员带来更大的灵活性,而大幅简化了工业物联网的部署。

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关于此作者

Barry Manz

Barry Manz 是 Manz Communications 的创始人,拥有 27 年以上的电子产品文章撰写经验。他的文章和所有其他类型的评论都能让人们能清晰、直观地了解各个公司要传递的高技术信息。写作范围包括与技术、产品相关的观点和应用类型的文章、规格书、小册子和其他宣传材料以及各种目录。

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