作者：安森美半導體產品營銷經理（TL）Dan Clement

互聯是物聯網的一個基本組成部分，并使能和支持智能城市、工業4.0、家庭自動化和自動駕駛等趨勢。無線技術現在是一種常見的互聯形式，雖然可能很難說無線聯接比有線聯接更多，但很難否認它是聯接新設備的首選方式。這在更廣泛的物聯網中尤為重要，因為許多端點將是位于相對遠程的小型傳感器或執行器，或用于移動（如車輛）或便攜式（如平板電腦）的設備。

除了方便之外，無線聯接的另一個優勢是范圍；在大多數情況下，如果網絡接入點與設備之間的距離超過3米，無線聯接就有意義了。此外，如果設備數很多，例如在智能辦公室中，可能有數百個端點，包括門窗上的接近傳感器，或者遠程控制的照明裝置，無線接入就有意義。一個接入點可支持的設備的理論數量實際上只受到它能提供的IP地址數的限制，但物理上實施數百個以太網端口將消耗大量的空間和功率。

選擇正確的無線協議

鑒于無線聯接的方便性、通用性和性能，再加上市場機會（我們預計在這十年內將有數百億臺設備聯接到物聯網），現在有許多無線協議可供使用不足為奇。

如今，主要得益于智能手機、平板電腦、耳機及電腦外設等個人設備的激增呈現出的規模經濟效益，藍牙在普及。藍牙聯接的工作頻率為2.4GHz，根據環境的不同，藍牙聯接的范圍通常在20到30米之間。在同一波段工作的其他技術也同樣受限，但它們通過采用網狀網絡拓撲來克服這一問題，在2.4GHz頻段內不同協議之間存在競爭，因為它們都在物聯網領域爭奪設計勝算。

早在2.4GHz的前景出現之前，工業應用中的無線聯接就傾向采用在MHz范圍內的頻率，這些頻率隨后被重新命名為低于1GHz（Sub-GHz）協議，以反映2.4GHz協議的出現。過去Sub-GHz頻段的標準化程度較低，法規方面也有實施專有方案的自由，因此它仍然很受歡迎。然而，為了應對物聯網的挑戰，它也隨著越來越多的支持互操作性的標準化方案的發展而發展；它是物聯網及其許多垂直領域的首選協議。

為物聯網開發

物聯網大而無界，這說明范圍極其重要。雖然這可通過使用基于網格拓撲的個人區域網絡（PAN）來實現，但它們仍然需要中繼器或相對接近的節點，以便在很長的距離上傳播數據。正因為如此，開發人員開始轉向廣域網（WAN）。今天使用的最常見的無線WAN是移動電話網絡，然而，將同樣的技術用于物聯網仍然會帶來挑戰；除了接入網絡的成本之外，端點的電池使用壽命將以天、而不是月甚或年為單位。

解決這一問題的實際方案是低功耗廣域網（LPWAN）。為支持LPWAN而開發的技術提供了可在較低載波頻率下實現的范圍，但對于物聯網端點所需的電池使用壽命，唯一真正的折中是在有效載荷上。LPWAN利用物聯網中的端點通常只需相對較低頻傳輸少量數據的優勢，這說明每次傳輸所用的能量保持絕對最低。

LPWAN使用的網絡拓撲模擬移動網絡，因為它通常使用基站的星形網絡，而不是由中繼器組成的網狀網絡。網絡可以是開放的，也可以是專有的，這取決于應用。目前協議的例子包括無線計量總線（廣泛用于智能抄表）、KNX（用于家庭自動化系統）和Sigfox（實際上是一種協議和一個全球LPWAN，專注于聯接物聯網傳感器）。

LPWAN聯接的單芯片方案

針對LPWAN應用領域的無線技術覆蓋的頻率范圍很廣，從27 MHz到1050 MHz。為了實現一個可以使用各種LPWAN協議解決許多不同的物聯網應用的單一設計，收發器需要能夠在整個范圍內工作。此外，在固件中運行的協議需要一個有能力的微控制器。

將這兩種功能元素整合到一個單一器件中，可創建一種靈活的方案，比雙芯片方案更具有成本優勢且更高能效。由于這主要由軟件定義，為制造商提供了一個易調整的平臺，可通過使用不同無線協議滿足更廣泛應用的需求。

需要限制通過LPWAN運行的許多IoT端點進行無線交換的數據量，這更強調了邊緣處理；使端點能夠在本地處理數據并且在不涉及云平臺的情況下采取行動。為了支持這一點，任何方案的處理性能都需要很好地平衡功率和性能。ARM CORTEX-M0核完全適合這個應用領域，因為它提供32位架構的性能，但具有領先行業的低功耗。ARM CORTEX-M0+是由安森美半導體選擇的用于AXM0F243超低功耗RF微控制器的架構。圖1顯示了該器件的框圖，它集成了ARM核子系統和創建一個LPWAN設備所需的RF功能用于物聯網。

圖1：AXM0F243的功能框圖

該集成的窄帶收發器兼容一系列調制方案，包括頻移鍵控（FSK）、最小（頻率）移位鍵控（MSK）、4-FSK、和高斯FSK和MSK，以及幅度移位鍵控（ASK）和相移鍵控（PSK）。因為它主要由軟件定義，所以可支持許多LPWAN協議，包括無線計量總線、Sigfox等等。

該收發器可采用或不采用前向糾錯（FEC）工作，以便使用所支持的任何調制技術對跨頻帶的給定數據速率給予接收靈敏度范圍。表1顯示了在868 MHz采用或不采用FEC的情況下接收器靈敏度的例子。

表1

AXM0F243支持在27 MHz到1050 MHz之間的載波頻率，數據速率從100 bit/s到125 kbit/s，并采用一個具有超快穩定時間的RF頻率合成器和具有帶寬升壓模式的VCO自動測距以快速鎖定，這有助于設備的低功耗。它還可支持外部VCO，以及外部功率放大器。

無線電控制器采用RX/TX開關控制支持天線分集，分組接收完全自動化，無需使用片上微控制器即可工作，進一步降低了整體功耗。

通用外設

除了集成微控制器和RF收發器外，AXM0F243還具有可編程和固定功能的模擬和數字外設。模擬塊由兩個運算放大器、一個12位SAR ADC、低功耗比較器和電流DAC組成。兩個專用總線使用可以通過固件控制的模擬開關聯接模擬塊，能將任何I/O引腳路由到任何模擬塊。可編程數字塊使用聯接到交換式網絡的LUT（查閱表）實現，類似于FPGA的CPLD，支持將一系列固件定義的邏輯功能應用于從GPIO端口路由的任何信號。固定的功能包括一個定時器/計數器/PWM塊，一個可在I2C、SPI和UART模式下工作的串行通信塊。

總結

物聯網涵蓋許多垂直市場，包括家庭和建筑自動化、抄表和傳感器/執行器監測。無線聯接是物聯網的基礎，LPWAN正在成為目前物聯網所含的許多應用的關鍵促成因素。

通過選擇一種靈活和可編程的單芯片方案，開發人員能夠更好地以具性價比的和高能效的方式應對物聯網的挑戰。