物联网无线连接的标准选择与权衡

物联网（IoT）由于其提供的许多潜在好处而受到了很多当之无愧的关注。虽然在五年，十年或更长时间内安装的物联网连接节点的数量是很多猜测和市场研究的主题（并且还有很多猜测），但有一件事是清楚的：数字将是巨大的。物联网与其机器对机器（M2M）应用的工业兄弟密切相关，因此两个类别之间存在许多技术相似性和实现重叠。

从高层次的角度来看，物联网节点由三个系统功能块组成（图1）：1）传感器或传感器（温度，流量，开/关门位置，如例）; 2）数字处理器单元（微控制器），它捕获传感器数据并进行处理和分析; 3）连接端口，可以是有线或无线的。如果存在可用的低成本网络或正在安装一个网络，如果安全性是关键考虑因素，如果设置是严重的EMI/RFI区域，或者只连接几个点，则前者是一个选项。但是，对于大多数物联网安装，由于易于安装和初始放置的整体灵活性，甚至在需要时重新定位物联网节点，因此无线链接是首选选项。

图1：IoT或M2M节点的高级系统框图显示了三个主要功能：传感器，处理器和连接接口。

选择标准无线链接并不意味着设计决策已完成且设计过程微不足道。在许多情况下，无线链路必须遵守行业和监管标准以及区域批准。设计人员可能需要考虑许多无线物联网选项。在某些安装中，由于授权或现有网络已做出决定。在其他情况下，设计人员可以根据性能，网络类型（网状，WLAN，点对点），范围，功率，频带，稳健性等的权衡和优先级来评估选项并做出选择。当然，成本。还存在安全性，身份验证和加密等主要问题。

选择很容易变得扑朔迷离

如果可以考虑所有或大多数无线物联网连接选项，则可以进行设计分析由于接近绝大多数可行的可能性而具有挑战性。除了行业标准的接口选项外，如果标准接口不合适或者出于竞争或安全原因需要某种“锁定”，总是可以选择设计专有链路。作为一般规则，除非有使用专有无线方法的强烈令人信服的理由，否则使用标准技术进入市场会更容易，风险更低，成本更低，速度更快。即使在这些标准版本中，也有许多变体和版本;再次，出于与选择非专有方法相同的实际原因，通常最好选择更常见的方法。

物联网无线连接的竞争者包括Wi-Fi，蓝牙（包括蓝牙智能，以前的蓝牙低功耗），ZigBee，Z-Wave，DECT和ANT +。当然，每个人都有支持者和支持者，以及不同程度的供应商对硬件，软件和合规性的支持。表1显示了每个标准的主要属性，但请注意标准总是在不断发展，因此表格只是一个粗略的指南。一般而言，物联网应用不需要太多的范围或高数据速率，并且保持这些属性较低会导致电源和射频阶段的电源要求低得多。

标准名称

标称频率（美国）

范围

数据速率

最大值。电源

Wi-Fi

IEEE 802.11（a，b，g，n，ac，ad）

2.4,5.8,60 GHz

100 m

11-600 Mbps

1 W

Z-Wave

Z-Wave联盟

908.42 MHz

30 m

100 kbps

1 mW

蓝牙

IEEE 802.15.1

2.4 GHz

100 m

1-3 Mbps

1 W

蓝牙智能（BLE）

IEEE 802.15.1

2.4 GHz

100 m

1 Mbps

10-500 mW

ZigBee

IEEE 802.15.4

2.4 GHz

10 m

250 kbps

1 mW

ANT +

ANT + Alliance

2.4 GHz

100 m

1 Mbps

1 mW

表1：无线标准的主要属性。

实施是下一步

一旦做出无线连接决策，下一步就是决定如何实际实施节点。选择分为三大类：

1）从头开始设计和构建设计。这通常是最不具吸引力的替代方案，因为它需要相当多的RF经验和技能，以及软件协议和堆栈管理方面的专业知识（其中一些可能在市场上从第三方来源获得）。自己动手可能是专有无线链路的必要方法。

2）使用来自信誉良好且经过验证的IC供应商的参考设计（硬件和软件）构建无线节点，该供应商也提供开发工具。与上述选项相比，这需要更少的技能和更少的资源，但仍有许多潜在的风险。如果卷足够高并且功能集可以被剥离到最小，则它可能是成本最低的选项。请注意，BOM或布局中参考设计的任何更改（甚至是小更改）都可能会影响性能;在这方面，RF总是很棘手。

3）使用完整的，随时可用的模块和必要的软件工具。从理论上讲，这是最快，风险最小的方法，如果供应商的数量很大，与选项＃2相比可能非常划算。它还为各种监管标准带来了一些额外的认证。

无论选择何种方案，总是存在监管标准和限制，以满足与频率使用，带宽，带内和外部相关的要求。处理RF链路时的频带功率，失真和溢出以及其他参数。使用预先认证的模块是实现这一目标的重要一步，但这只是第一步。包含该模块的最终产品将需要自己的认证，因为使用经过认证的模块并不能保证最终设计符合功能和法规要求。天线类型和位置，模块布置，晶体细节，附近组件和封装等问题是最终认证和批准过程的一部分。

IC成长为模块

许多供应商提供基于混合，多芯片甚至单芯片实现的完整RF模块，用于不同的物联网无线标准。除了性能和价格之外，各种模式下的电源使用也是一个关键考虑因素，因为大多数物联网应用都是电池供电，无法接入（无法或难以更换）或使用 - 清除（收获）能源。

蓝牙智能（以前称为蓝牙低功耗）IC及相关模块说明了设计人员如何根据其应用和优先级评估其选项和最佳解决方案。德州仪器（TI）提供CC2541系列2.4 GHz蓝牙V4.0低能耗SOC（例如TI CC2541F256），其主要区别在于板载内存，而非RF，数据链路或I/O性能。这些器件支持250 kbps，500 kbps，1 Mbps和2 Mbps的数据速率，具有各种超低功耗模式和协议，包括低至17.9 mA的有源模式接收，有源模式发送（0 dBm） ）18.2 mA，功耗模式1，唤醒时间为4μs，270μA，功耗模式2（睡眠定时器开启）和功耗模式3（外部中断），0.5μA，工作电源为2至3.6 V.

6×6 mm SOC（图2），集成了大量其他功能和特性，包括8051微控制器，硬连线格式和协议栈，可观的RAM，三个定时器，23个通用I/O（ GPIO）引脚，8通道A/D转换器，看门狗定时器，电池监视器，温度传感器，I 2 C/SPI和UART接口。该设备的目标 - 但无法保证符合全球无线电频率规定，如ETSI EN 300 328和EN 300（欧洲），FCC CFR47第15部分（美国）和ARIB STD-T66（日本）。

图2：德州仪器（TI）的CC2451系列蓝牙智能SOC中的器件高度集成，具有超出基本要求的许多特性和功能，简化设计，最小化空间，节省功耗并降低成本。

TI与IC一起提供一系列产品开发工具，如评估模块套件（CC2541EMK），迷你开发套件（ CC2541DK-MINI），SmartRF软件等。 CC2541的典型应用电路（图3）显示了所需的外部元件。

图3：在典型的应用场景中，只有少数外部元件需要无源元件才能为CC2451器件提供完整的蓝牙智能功能。

即使拥有这款功能强大且高度集成的蓝牙IC，成功将这款SOC集成到其终端产品中的多方面挑战也远远超过许多OEM希望接受。对于这些情况，诸如TDK SESUB-PAN-T2541之类的模块提供了另一种选择（图4）。它采用TI CC2541F256 SOC，但实际上更小（约4.6×5.6 mm），因为它基于无封装芯片，还包括晶体，RF滤波器，旁路电容和应用电路的其他一些分立元件（图5）。用户仍然必须添加与最终产品的细节兼容的尺寸，类型和位置的天线。

图4：尽管如此CC2451 SOC系列的完整性，一些设计人员不愿意应对RF电路布局的任何挑战，而是需要一个完整的，经过认证的模块，如TDK的SESUB-PAN-T2541。

图5：完全封闭的SESUB-PAN-T2541模块大约5平方毫米，需要直流电源和外部天线，以及软件驱动程序和接口堆栈。

物联网是其中一种偶然的应用，其中组成部分和市场机会在正反馈关系中方便地相互支持 - 具有讽刺意味的是，工程师通常不愿意看到这种关系。必要的射频连接组件的供应商正在投资新产品以支持应用并推动其发展;反过来，应用程序的增长导致现有和新的供应商进入市场并生产新的组件。这在RF领域尤其有用，其中需要新的组件和软件工具来简化设计人员在尝试有效地与成功的，符合标准的设计的新的且通常是神秘的世界进行交互时所面临的挑战。