基于多模无线电设备的物联网应用解决方案

过去，寻求针对消费者和商业物联网（IoT）应用程序的公司通常需要分别为每个应用程序支持基于蓝牙和基于802.15.4的单独设计。但是，使用新的设备类，开发人员可以轻松配置单一设计以支持任一模式 - 甚至可以同时操作两种模式。此外，这些器件中的低功耗模式使工程师能够在非常严格的功耗预算内实现高效的无线连接，从而可在电池或环境供电的能量采集设计中实现扩展操作。

支持特定的无线连接选项已成为面向消费者和商业市场的物联网设计的主要差异化因素。对于消费者物联网设计，蓝牙低功耗（BLE） - 也称为蓝牙智能 - 仍然是事实上的标准，不仅因为它的低功耗特性，而且还得益于其在庞大的移动BLE主机安装基础上的无处不在的支持包括智能手机和平板电脑。

BLE专为解决健身设备，信标和家庭娱乐等无线个人区域网络应用而设计，可为短距离连接选项提供卓越的能源效率（图1）。凭借其广泛的市场吸引力，半导体制造商继续提供具有极低功耗的更先进的BLE片上系统（SoC）器件。例如，Dialog Semiconductor DA14580在传输过程中仅需3.4 mA，在接收期间仅需3.7 mA - 在睡眠模式下仅需600 nA。

图1：在一项关于BLE与802.15.4功耗的研究中，研究人员发现BLE（左）提供了更高的能量效用（字节）每消耗能量的焦耳比802.15.4（右）发送，与单个连接事件（CE）中帧数的增加有显着差异。

然而，现成的BLE收发器支持蓝牙V4 .1，擅长将基于BLE的设备连接到单个主机，但缺乏提供大多数商业物联网应用所需的网络连接的能力。蓝牙V4.2提供互联网协议支持配置文件，用于通过BLE传输层进行IPv6数据包交换，但用于这些设备的BLE V4.2 IC和相关软件仍处于早期开发阶段，不太可能为更成熟的设备提供现成的替代方案低功耗网络协议已有一段时间了。

因此，针对工业或商业物联网应用的设计人员利用基于IEEE 802.15.4的连接选项。该标准是ZigBee和Thread等无线网络协议的基础，可与6LoWPAN和标准Internet协议一起使用，构建无线嵌入式Internet。设计人员可以很容易地找到这些协议的软件堆栈以及来自802.15.4芯片制造商和第三方的其他协议。

直到最近，设计人员希望构建一个简单的温度感应物联网应用程序，例如，很快就会遇到不同市场之间的连通性二分法。为了满足消费者和工业市场的应用需求，设计人员需要构建两个版本的物联网设备 - 基于BLE的版本能够与消费者智能手机连接，基于802.15.4的版本能够与工业网络连接。多模无线电的出现为解决各种物联网应用市场提供了更灵活的解决方案。

统一设计

使用德州仪器CC2650无线MCU，开发人员可以创建单一的物联网设备设计，能够满足各种物联网连接要求。作为TI SimpleLink系列的成员，CC2650具有低功耗2.4 GHz收发器，能够支持多种连接标准，包括Bluetooth Smart，ZigBee，6LoWPAN和带TI提供的软件堆栈的ZigBee RF4CE远程控制应用。同时，该器件还提供物联网应用所需的低功耗操作。 MCU本身仅消耗61μA/MHz，并且该设备在无线电操作期间具有非常低的功耗。 CC2650在有源接收模式下的功耗通常约为6 mA，在有源传输模式下（0 dBm）大致相同，同时在宽温度和电压范围内提供均匀的Tx输出功率（图2）。

CC2650专为无线传感器应用而设计，集成了32位ARM Cortex-M3,128 KB闪存，SRAM和多种外设，包括低功耗传感器控制器。该传感器控制器管理片上外设，包括带有8通道模拟多路复用器的12位200 ksamples/sec模数转换器（ADC）。它可以与外部传感器连接，并在系统其余部分处于睡眠模式时自动收集模拟和数字数据。

RF内核包括一个带有4 KB SRAM块的专用ARM Cortex-M0处理器并运行最初来自单独的ROM存储器。 RF的内部处理器使RF内核能够自主处理各种无线协议的时间关键方面，卸载主CPU并为设计人员的应用提供更多资源。虽然BLE和802.15.4协议的某些部分嵌入在片上ROM中，但CC2650的128 KB闪存并不足以同时托管多种协议的软件堆栈。事实上，TI指出，特定的软件构建一次只能支持一种无线协议。因此，设计人员可以将相同的基于CC2650的设计用于不同的多连接，但需要专门重建软件系统以支持基于BLE或802.15.4的协议。

图2：德州仪器CC2650无线MCU的传输功率在宽温度范围（左）和电源电压（右）之间保持相对均匀4 x 4外部单端（4XS）和5 x 5外部差分（5XD）操作。 （德州仪器公司提供）

同时支持基于BLE和802.15.4的连接对于极低功耗应用以及仅限于小尺寸和有限电源的应用尤其成问题。通常，这些问题迫使设计人员创建多个设备版本，并将其应用程序作为目标，专门用于基于蓝牙的移动域或基于802.15.4的网络域。反过来，基于蓝牙的物联网设备不得不依靠通过具有互联网连接的蓝牙主机间接连接到互联网。同样，基于802.15.4的物联网设备不得不依靠通过支持蓝牙的中间802.15.4网关间接连接到用户的移动设备。

同时连接

通过智能手机应用程序更直接地控制网络连接的物联网设备的期望转变为对蓝牙移动设备和802.15.4网络同时连接的不断增长的需求。例如，用户希望通过智能手机直接与设备中的物联网设备进行交互，即使同一设备与云进行通信以进行整体家庭管理服务，或者设备暂时失去其云连接。

对于这些设计，开发人员可以利用飞思卡尔半导体KW40Z无线MCU构建能够同时连接到BLE主机和基于802.15-4的网络的系统。 MCU集成了2.4 GHz收发器，支持一系列FSK/GFSK和O-QPSK调制，同时仅需6.5 mA（Rx）和8.4 mA（Tx）。与收发器一起，MCU集成了高能效的ARM Cortex-M0 + CPU，160 KB闪存和20 KB SRAM，BLE链路层硬件，802.15.4数据包处理器，硬件安全性和16位ADC以及许多其他模拟和数字外设。凭借其更大的Flash模块，它集成了足够的片上存储器，可同时运行BLE堆栈和IEEE 802.15.4 MAC/PHY，以满足具有多模连接要求的应用。

MCU提供极长的时间电池寿命得益于Cortex-M0 +内核的高效代码执行以及器件多种低功耗工作模式的可用性。片上电源管理控制器（PMC）支持9种低功耗模式，以满足特定应用的功耗优化要求。例如，当核心处于其各种停止模式之一时，PMC允许RF无线电保持状态 - 并将设备维持在低电流消耗模式，以确保RF无线电能够快速唤醒以进行通信想要使用KW40Z创建低功耗多模设计的设计人员可以使用大量的飞思卡尔资源，包括用于BLE主机和应用配置文件的软件堆栈，IEEE 802.15.4-2011 MAC/PHY ，ZigBee Pro和应用程序配置文件，以及Thread - 基于IPv6的协议，基于6LoWPAN构建，专为安全IP网络而设计。

作为自己设计的起点，工程师可以利用飞思卡尔FRDM- KW40Z开发套件，提供适用于物联网应用的完整多模解决方案。 FRDM-KW40Z采用四层电路板，将MKW40Z SoC与其所需的全部RF电路，32 MHz参考振荡器晶体以及带DC/DC转换器的电源相结合，提供旁路，降压和升压模式。除了完整的材料清单外，FRDM-KW40Z套件还提供详细的原理图和参考布局 - 特别是减少敏感RF部分的设计或布局错误的可能性。例如，RF设计（图3）包括一个外部50：100巴伦，将单端50欧姆端口连接到MKW40Z SoC收发器的差分RF端口。参考电路板布局包括“F”印刷金属天线，旨在最大限度地减少占地面积和成本，同时不影响无线电性能。该设计还提供可选的带外信号抑制（图3中的组件L4和C33）。

图3：飞思卡尔为KW40Z MCU提供全面的资源，包括关键RF部分的设计和布局，用于连接MCU的差分双向RF通过平衡 - 不平衡转换器和可选的信号抑制滤波器连接到“F”印刷金属天线。 （由飞思卡尔半导体公司提供）

结论

蓝牙低功耗提供卓越的低功耗连接，但可用的BLE设备仍然无法支持基于802.15.4的解决方案提供的网络选项。多模无线电设备的出现为构建能够在基于BLE的消费者应用或基于802.15.4的商业/工业设计中运行的单一设计提供了灵活的方法。事实上，通过飞思卡尔半导体KW40Z，开发人员可以构建能够在BLE和802.15.4模式下同时连接的物联网设计 - 为构建能够支持与移动设备，其他物联网设备和其他物联网设备的并发连接的各种物联网应用提供有效的解决方案。