通過LPWAN聯(lián)接滿足物聯(lián)網(wǎng)需求

作者：安森美半導體產(chǎn)品營銷經(jīng)理(TL)Dan Clement

互聯(lián)是物聯(lián)網(wǎng)的一個基本組成部分，并使能和支持智能城市、工業(yè)4.0、家庭自動化和自動駕駛等趨勢。無線技術(shù)現(xiàn)在是一種常見的互聯(lián)形式，雖然可能很難說無線聯(lián)接比有線聯(lián)接更多，但很難否認它是聯(lián)接新設(shè)備的首選方式。這在更廣泛的物聯(lián)網(wǎng)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(zhí)行器，或用于移動(如車輛)或便攜式(如平板電腦)的設(shè)備。

除了方便之外，無線聯(lián)接的另一個優(yōu)勢是范圍;在大多數(shù)情況下，如果網(wǎng)絡(luò)接入點與設(shè)備之間的距離超過3米，無線聯(lián)接就有意義了。此外，如果設(shè)備數(shù)很多，例如在智能辦公室中，可能有數(shù)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(shè)備的理論數(shù)量實際上只受到它能提供的IP地址數(shù)的限制，但物理上實施數(shù)百個以太網(wǎng)端口將消耗大量的空間和功率。

選擇正確的無線協(xié)議

鑒于無線聯(lián)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(nèi)將有數(shù)百億臺設(shè)備聯(lián)接到物聯(lián)網(wǎng))，現(xiàn)在有許多無線協(xié)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(shè)等個人設(shè)備的激增呈現(xiàn)出的規(guī)模經(jīng)濟效益，藍牙在普及。藍牙聯(lián)接的工作頻率為2.4GHz，根據(jù)環(huán)境的不同，藍牙聯(lián)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(shù)也同樣受限，但它們通過采用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓撲來克服這一問題，在2.4GHz頻段內(nèi)不同協(xié)議之間存在競爭，因為它們都在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域爭奪設(shè)計勝算。

早在2.4GHz的前景出現(xiàn)之前，工業(yè)應用中的無線聯(lián)接就傾向采用在MHz范圍內(nèi)的頻率，這些頻率隨后被重新命名為低于1GHz(Sub-GHz)協(xié)議，以反映2.4GHz協(xié)議的出現(xiàn)。過去Sub-GHz頻段的標準化程度較低，法規(guī)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(lián)網(wǎng)的挑戰(zhàn)，它也隨著越來越多的支持互操作性的標準化方案的發(fā)展而發(fā)展;它是物聯(lián)網(wǎng)及其許多垂直領(lǐng)域的首選協(xié)議。

為物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)

物聯(lián)網(wǎng)大而無界，這說明范圍極其重要。雖然這可通過使用基于網(wǎng)格拓撲的個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(PAN)來實現(xiàn)，但它們?nèi)匀恍枰欣^器或相對接近的節(jié)點，以便在很長的距離上傳播數(shù)據(jù)。正因為如此，開發(fā)人員開始轉(zhuǎn)向廣域網(wǎng)(WAN)。今天使用的最常見的無線WAN是移動電話網(wǎng)絡(luò)，然而，將同樣的技術(shù)用于物聯(lián)網(wǎng)仍然會帶來挑戰(zhàn);除了接入網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)(LPWAN)。為支持LPWAN而開發(fā)的技術(shù)提供了可在較低載波頻率下實現(xiàn)的范圍，但對于物聯(lián)網(wǎng)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(lián)網(wǎng)中的端點通常只需相對較低頻傳輸少量數(shù)據(jù)的優(yōu)勢，這說明每次傳輸所用的能量保持絕對最低。

LPWAN使用的網(wǎng)絡(luò)拓撲模擬移動網(wǎng)絡(luò)，因為它通常使用基站的星形網(wǎng)絡(luò)，而不是由中繼器組成的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)可以是開放的，也可以是專有的，這取決于應用。目前協(xié)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(tǒng))和Sigfox(實際上是一種協(xié)議和一個全球LPWAN，專注于聯(lián)接物聯(lián)網(wǎng)傳感器)。

LPWAN聯(lián)接的單芯片方案

針對LPWAN應用領(lǐng)域的無線技術(shù)覆蓋的頻率范圍很廣，從27 MHz到1050 MHz。為了實現(xiàn)一個可以使用各種LPWAN協(xié)議解決許多不同的物聯(lián)網(wǎng)應用的單一設(shè)計，收發(fā)器需要能夠在整個范圍內(nèi)工作。此外，在固件中運行的協(xié)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(chuàng)建一種靈活的方案，比雙芯片方案更具有成本優(yōu)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(diào)整的平臺，可通過使用不同無線協(xié)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(shù)據(jù)量，這更強調(diào)了邊緣處理;使端點能夠在本地處理數(shù)據(jù)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(lǐng)域，因為它提供32位架構(gòu)的性能，但具有領(lǐng)先行業(yè)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(gòu)。圖1顯示了該器件的框圖，它集成了ARM核子系統(tǒng)和創(chuàng)建一個LPWAN設(shè)備所需的RF功能用于物聯(lián)網(wǎng)。

圖1：AXM0F243的功能框圖

該集成的窄帶收發(fā)器兼容一系列調(diào)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(xié)議，包括無線計量總線、Sigfox等等。

該收發(fā)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(diào)制技術(shù)對跨頻帶的給定數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)速率從100 bit/s到125 kbit/s，并采用一個具有超快穩(wěn)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(shè)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(guān)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(shè)

除了集成微控制器和RF收發(fā)器外，AXM0F243還具有可編程和固定功能的模擬和數(shù)字外設(shè)。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(guān)聯(lián)接模擬塊，能將任何I/O引腳路由到任何模擬塊?？删幊虜?shù)字塊使用聯(lián)接到交換式網(wǎng)絡(luò)的LUT(查閱表)實現(xiàn)，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(shù)器/PWM塊，一個可在I2C、SPI和UART模式下工作的串行通信塊。

總結(jié)

物聯(lián)網(wǎng)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(zhí)行器監(jiān)測。無線聯(lián)接是物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，LPWAN正在成為目前物聯(lián)網(wǎng)所含的許多應用的關(guān)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(fā)人員能夠更好地以具性價比的和高能效的方式應對物聯(lián)網(wǎng)的挑戰(zhàn)。