使用多协议无线模块简化物联网产品设计和认证

无线连接允许设计人员将哑产品转变为物联网 （IoT） 的智能集成元件，将数据发送到云端进行基于人工智能 （AI） 的分析，同时允许设备接收无线 （OTA） 指令、固件更新和安全增强功能。

但是，为产品添加无线链接并非易事。在设计阶段开始之前，设计人员需要选择一种无线协议，这可能令人生畏。例如，一些无线标准在流行的免许可 2.4 GHz 频谱中运行。这些标准中的每一个都代表了范围、吞吐量和功耗方面的权衡。为给定应用选择最佳应用需要根据协议的特性仔细评估其要求。

然后，即使使用高度集成的现代收发器，设计射频（RF）电路对许多设计团队来说也是一个挑战，导致成本和进度超支。此外，射频产品需要经过操作认证，这本身可能是一个复杂且耗时的过程。

一种解决方案是将设计基于使用多协议片上系统 （SoC） 的认证模块。这消除了采用分立元件的RF设计的复杂性，并允许灵活选择无线协议。这种模块方法为设计人员提供了一种即插即用的无线解决方案，使将无线连接集成到产品中并通过认证变得更加容易。

本文探讨了无线连接的优势，探讨了一些关键的2.4 GHz无线协议的优势，简要分析了硬件设计问题，并介绍了伍尔特电子的合适RF模块。本文还讨论了满足全球法规所需的认证过程，考虑了应用软件开发，并介绍了软件开发工具包 （SDK） 以帮助设计人员开始使用该模块。

多协议收发器的优势

没有一个短程无线领域占主导地位，因为每个部门都会做出权衡以满足其目标应用。例如，更大的范围和/或吞吐量是以增加功耗为代价的。其他需要考虑的重要因素包括抗干扰性、网状网络能力和互联网协议 （IP） 互操作性。

在各种已建立的短距离无线技术中，有三个明显的领导者：低功耗蓝牙（Bluetooth LE），Zigbee和Thread。由于IEEE 802.15.4规范中的共享DNA，它们具有一些相似之处。该规范描述了低数据速率无线个人局域网 （WPAN） 的物理 （PHY） 和媒体访问控制 （MAC） 层。这些技术通常以2.4 GHz的频率运行，尽管Zigbee有一些sub-GHz变体。

蓝牙 LE 适用于物联网应用，例如智能家居传感器，在这些应用中，数据传输速率适中且不经常发生（图 1）。蓝牙LE与大多数智能手机托管的蓝牙芯片的互操作性对于可穿戴设备等面向消费者的应用来说也是一大优势。该技术的主要缺点是需要一个昂贵且耗电的网关来连接到云和笨重的网状网络功能。

Zigbee 也是工业自动化、商业和家庭中低功耗和低吞吐量应用的不错选择。它的吞吐量低于蓝牙 LE，而其范围和功耗相似。Zigbee 无法与智能手机互操作，也不提供本机 IP 功能。Zigbee的一个关键优势在于它是从头开始为网状网络设计的。

与Zigbee一样，Thread使用IEEE 802.15.4 PHY和MAC运行，旨在支持多达250台设备的大型网状网络。Thread与Zigbee的不同之处在于它使用了6LoWPAN（IPv6和低功耗WPAN的组合），使与其他设备和云的连接变得简单，尽管是通过称为边界路由器的网络边缘设备。（请参阅“短程无线技术中重要事项的简要指南”。

虽然基于标准的协议占主导地位，但2.4 GHz专有协议仍然存在利基市场。虽然它们限制了与配备相同制造商芯片的其他设备的连接，但可以对此类协议进行微调，以优化功耗、范围、抗干扰性或其他重要操作参数。IEEE 802.15.4 PHY 和 MAC 完全能够支持 2.4 GHz 专有无线技术。

这三种短程协议的普及以及 2.4 GHz 专有技术提供的灵活性使得很难选择合适的协议来适应最广泛的应用。以前，设计人员必须选择一种无线技术，然后如果需要使用不同协议的变体，则必须重新设计产品。但由于这些协议使用基于类似架构的PHY并在2.4 GHz频谱中工作，因此许多芯片供应商提供多协议收发器。

这些芯片允许通过上传新软件为多个协议重新配置单个硬件设计。更好的是，该产品可以附带多个软件堆栈，每个软件堆栈之间切换由微控制器单元（MCU）监控。例如，在设备切换协议以加入 Thread 网络之前，这可以允许使用蓝牙 LE 从智能手机配置智能家居恒温器。

Nordic Semiconductor的nRF52840 SoC支持蓝牙LE，蓝牙网状网络，Thread，Zigbee，IEEE 802.15.4，ANT +和2.4 GHz专有堆栈。Nordic SoC还集成了Arm® Cortex-M4® MCU（负责RF协议和应用软件）以及1兆字节（MB）闪存和256千字节（KB）RAM。在蓝牙 LE 模式下运行时，SoC 提供每秒 2 兆比特 （Mbits/s） 的最大原始数据吞吐量。在 3 分贝时，其 5 伏直流输入电源的发射电流消耗为 3.0 毫安 （mA），参考 1 毫瓦 （dBm） 的输出功率，接收 （RX） 电流消耗为 6.4 mA，原始数据速率为 1 Mbit/s。nRF52840 的最大发射功率为 +8 dBm，灵敏度为 -96 dBm（蓝牙 LE 为 1 Mbit/s）。

良好的射频设计的重要性

虽然Nordic的nRF52840等无线SoC是非常强大的设备，但它仍然需要相当多的设计技能才能最大限度地提高其RF性能。特别是，工程师需要考虑电源滤波、外部晶体定时电路、天线设计和布局以及至关重要的阻抗匹配等因素。

区分良好RF电路和不良RF电路的关键参数是其阻抗（Z）。在高频下，例如短程无线电使用的2.4 GHz，RF走线上给定点的阻抗与该走线上的特性阻抗有关，而特性阻抗又取决于印刷电路（pc）板基板、走线尺寸、与负载的距离以及负载的阻抗。

事实证明，当负载阻抗（发射系统为天线，接收系统为收发器SoC）等于特性阻抗时，测得的阻抗在与负载走线的任何距离处都保持不变。因此，线路损耗最小化，最大功率从发射器传输到天线，从而提高鲁棒性和范围。因此，构建匹配网络以确保RF器件的阻抗等于印刷电路板走线的特性阻抗，成为一种良好的设计实践。（请参阅“兼容蓝牙 4.1、4.2 和 5 的低功耗蓝牙 SoC 和工具应对物联网挑战（第 2 部分）”。

匹配网络包括一个或多个并联电感器和串联电容器。设计人员面临的挑战是选择最佳的网络拓扑和组件值。制造商通常会提供仿真软件来帮助匹配电路设计，但即使遵循了良好的设计规则，最终电路也经常表现出令人失望的RF性能，缺乏范围和可靠性。这导致更多的设计迭代来修改匹配网络（图 2）。

图 2：Nordic nRF52840 需要外部电路才能利用其功能。外部电路包括输入电压滤波，支持外部晶体时序，并连接到SoC的天线（ANT）引脚，SoC和天线之间的阻抗匹配电路。（图片来源：北欧半导体）

模块的优点

使用分立元件设计短距离无线电路有一些优势，特别是降低物料清单（BoM）成本并节省空间。然而，即使设计人员遵循 SoC 供应商提供的众多优秀参考设计之一，其他因素（如组件质量和容差、电路板布局和基板特性以及终端器件封装）也会显著影响 RF 性能。

另一种方法是围绕第三方模块建立无线连接。这些模块是完全组装、优化和测试的解决方案，可实现“插入式”无线连接。在大多数情况下，该模块已经通过了全球市场的认证，从而节省了设计人员通过RF法规认证所需的时间和金钱。

模块使用有一些缺点。其中包括增加费用（取决于数量）、更大的最终产品尺寸、对单一供应商的依赖及其批量发货的能力，以及（有时）相对于模块所基于的 SoC 的可访问引脚数量减少。但是，如果设计的简单性和更快的上市时间超过了这些缺点，那么模块就是答案。

以北欧nRF52840为核心的一个例子是伍尔特电子的Setebos-I 2.4 GHz无线电模块2611011024020。紧凑型模块尺寸为 12 × 8 × 2 毫米 （mm），具有内置天线、可最大限度地减少电磁干扰 （EMI） 的盖子，并随附支持蓝牙 5.1 和专有 2.4 GHz 协议的固件（图 3）。如上所述，模块核心的SoC还能够支持Thread和Zigbee，并添加了适当的固件。

图 3：Setebos-I 2.4 GHz 无线电模块外形紧凑，内置天线，并配有用于限制 EMI 的盖子。（图片来源：伍尔特电子）

该模块接受 1.8 至 3.6 V 输入，在休眠模式下，功耗仅为 0.4 微安 （μA）。其工作频率覆盖工业、科学和医疗 （ISM） 频段，以 2.44 GHz（2.402 至 2.480 GHz）为中心。在理想条件下，输出功率为 0 dBm，发射器和接收器之间的站点线路范围可达 600 米 （m），最大蓝牙 LE 吞吐量为 2 Mbits/s。该模块具有内置四分之一波长（3.13 厘米 （cm））天线，但也可以通过将外部天线连接到模块上的上述 ANT 端子来扩大范围（图 4）。

图 4：Setebos-I 2.4 GHz 无线电模块包括一个用于扩展无线电范围的外部天线 （ANT） 引脚。（图片来源：伍尔特电子）

Setebos-I 无线电模块可通过焊盘访问 nRF52840 SoC 的引脚。表1列出了每个模块引脚的功能。引脚“B2”到“B6”是可编程 GPIO，可用于连接温度、湿度和空气质量设备等传感器。

表 1：显示的是 Setebos-I 2.4 GHz 无线电模块的引脚名称。LED 输出可用于指示无线电传输和接收。（图片来源：伍尔特电子）

短距离无线产品认证

虽然 2.4 GHz 频段是免许可频谱分配，但在该频段运行的无线电设备仍需符合当地法规，例如美国联邦通信委员会 （FCC）、欧洲符合性声明 （CE） 或日本电信工程中心 （TELEC） 规定的法规。通过法规需要提交产品进行测试和认证，这可能既耗时又昂贵。如果射频产品未通过测试的任何部分，则必须进行全新的提交。如果模块要在蓝牙模式下使用，则还需要蓝牙特别兴趣组 （SIG） 的蓝牙列表。

模块的认证不会自动将认证授予使用该模块的最终产品。但它通常会将最终产品的认证变成文书工作，而不是广泛的重新测试任务 - 前提是他们不使用Wi-Fi等其他无线设备。获取蓝牙列表时通常也是如此。认证后，使用该模块的产品将带有指示 FCC、CE 和其他相关 ID 号的标签（图 5）。

图 5：附加到 Setebos-I 模块的 ID 标签示例，以显示它已通过 CE 和 FCC RF 认证。最终产品通常可以继承认证，而无需通过一些简单的文书工作进行重新测试。（图片来源：伍尔特电子）

模块制造商通常会在他们打算销售产品的地区为其模块获得射频认证（以及蓝牙列表，如果适用）。伍尔特电子已经为Setebos-I无线电模块做到了这一点，尽管它必须与工厂固件一起使用。在蓝牙操作的情况下，该模块已通过预认证，前提是它与Nordic的S140蓝牙LE工厂堆栈或通过公司的nRF Connect SDK软件开发套件提供的堆栈一起使用。

伍尔特和北欧固件坚固耐用，适用于任何应用。但是，如果设计人员决定使用开放标准蓝牙 LE 或 2.4 GHz 专有堆栈或来自其他商业供应商的堆栈重新编程模块，则需要针对预期操作区域从头开始认证计划。

Setebos-I无线电模块的开发工具

对于高级开发人员，Nordic 的 nRF Connect SDK 为构建 nRF52840 SoC 的应用软件提供了全面的设计工具。适用于 VS Code 的 nRF Connect 扩展是推荐的集成开发环境 （IDE），可在其中运行 nRF Connect SDK。也可以使用 nRF Connect SDK 将替代蓝牙 LE 或 2.4 GHz 专有协议上传到 nRF52840。（请参阅上面的评论，了解这对模块认证的影响。

nRF Connect SDK 可与 nRF52840 DK 开发套件配合使用（图 6）。该硬件采用 nRF52840 SoC，支持原型代码开发和测试。应用软件准备就绪后，nRF52840 DK 可以充当 J-LINK 编程器，通过模块的“SWDCLK”和“SWDIO”引脚将代码移植到 Setebos-I 无线电模块的 nRF52840 闪存中。

图 6：Nordic 的 nRF52840 DK 可用于开发和测试应用软件。然后，该开发套件可用于对其他 nRF52840 SoC 进行编程，例如 Setebos-I 模块上使用的 SoC。（图片来源：北欧半导体）

使用Nordic开发工具构建的应用软件旨在运行在nRF52840的嵌入式Arm Cortex-M4 MCU上。但最终产品可能已经配备了另一个MCU，开发人员希望使用它来运行应用程序代码并监督无线连接。或者，开发人员可能更熟悉其他常用主机微处理器的开发工具，例如意法半导体的STM32F429ZIY6TR。该处理器也基于Arm Cortex-M4内核。

为了使外部主机微处理器能够运行应用软件并监控nRF52840 SoC，伍尔特电子提供了无线连接SDK。SDK是一套软件工具，可将公司的无线模块与许多流行的处理器（包括STM32F429ZIY6TR芯片）快速软件集成。SDK 由 C 语言的驱动程序和示例组成，这些驱动程序和示例使用底层平台的 UART、SPI 或 USB 外设与连接的无线电设备通信（图 7）。开发人员只需将 SDK C 代码移植到主机处理器即可。这大大减少了为无线电模块设计软件界面所需的时间。

图 7：无线连接 SDK 驱动程序使开发人员能够使用外部主机微处理器通过 UART 端口轻松驱动 Setebos-I 无线电模块。（图片来源：伍尔特电子）

Setebos-I无线电模块使用“命令界面”进行配置和操作任务。该接口提供多达 30 个命令，可完成更新各种设备设置、发送和接收数据以及将模块置于各种低功耗模式之一等任务。连接的无线电设备必须在命令模式下运行才能使用无线连接 SDK。

结论

为连接产品确定单一无线协议可能很棘手，从头开始设计无线电电路更具挑战性。伍尔特电子的Setebos-I等无线电模块不仅提供了协议选择的灵活性，而且还提供了满足各个操作区域监管要求的即插即用型连接解决方案。Sebetos-1模块附带伍尔特的无线连接SDK，使开发人员能够使用自己选择的主机MCU简单快速地控制模块。

审核编辑 黄宇