利用IoT促进设备功能的多样性

物联网 （IoT） 的本质特性决定了其将由大量元件组成，且每个元件均针对不同功能进行了优化。 可穿戴设备将针对低功耗和本地连接进行优化，无线桥接器则针对传输能效、灵活的协议支持进行优化，您连接的厨房电器则注重易用性。 这些多样性要求意味着，为了达到最佳实施效果，基础硬件（最有可能基于 MCU）也需要具有多样的功能集。 如果您认为我们在 MCU 方面已有太多选择，那么下一代面向 IoT 的设备会使您头晕目眩。

多样化要求促进了特性的多样性

连接性是最明显的物联网 （IoT） 要求之一。 如果没有通信功能，我们将只有“物”，而非“物联网”。 然而，连接性又涵盖众多功能。 只需打开 Digi-Key 无线解决方案 TechZone 主页，我们便会看到针对蓝牙、蜂窝、GPS、ISM、RFID、802.11/Wi-Fi/WiMax 和 802.15.4/ZigBee 协议的各种无线解决方案，这些解决方案已然令人眼花缭乱，但它们仅仅是冰山一角。 每一种 MCU 都需要支持所有这些无线协议吗？ 若果真如此，MCU 将会爆掉几乎每一种 IoT 设计的功耗、成本、复杂性预算。 那么，我们该怎么办？

一种方法是将关键 IoT 设备的功能专门化，使这些设备能简化自身连接要求。 例如：不是每个传感器都需要连接 Wi-Fi。 传感器可只采用低功耗、高能效、短距离连接标准。 多个传感器可用这种标准连接传感器“桥”，然后由传感器桥连接更远的设备，直至连接物联网主体。 其它专门元件将提供存储功能，以便在与目标建立连接前存储本地产生的数据。 例如，在骑车人骑行期间获得的骑车人的心率数据、骑行路径信息可暂时存储在本地活动监视器中，直到返回家庭健康信息收集器的覆盖范围内。 计算元件也可分布在该网络内，用于执行分布式计算，从而能在大的数据集发送前进行处理、压缩。 无线通信会非常耗电，因此在数据传输前利用少量电能合并数据将会显著提升总能效。 另外，因为数据需要在多个中间点间流动，以到达最终目标，所以，前端器件节能也可用来补偿网络中的任一部分。

例如，图 1 所示为物联网中一组不同的“物”，我们将以此为例深入探讨不同的功能如何成为 IoT 成功部署的关键。 本例中包含上文介绍的多个不同类型的元件以及一些新元件。 该 IoT 边缘是分布式传感器和致动器——IoT 与“现实世界”连接的接口。 此处，我们熟悉的元件是人体活动监视器、位置跟踪器、环境传感器，以及用于如加热、冷却、照明和建筑入口之类“物”的相关致动器。 在这些“边缘”元件后则是传感器融合设备，它们收集传感器数据并合并（或融合）多种测量值，以创建供更高级别应用使用的附加知识。 通过把 GPS 和大气压数据相结合来确定海拔高度和位置便是传感器融合的一个常见实例。 传感器融合设备通常与执行协议间转换的桥接器连接，且通常位于有线连接和无线之间。 有些情况下，需要执行本地存储来缓冲传感器数据，以备后续下载。例如，当为了方便以后下载而由人体活动监视器信息管理器存储心率信息时，就需要这项功能。

图 1：通过专门化实现物联网简化。

信标将是向 IoT 馈送信息的源头，并能提供广告、环境或地址等信息。 例如：信标可以发送在自行车骑行路径上使用的距离、环境和海拔高度等信息。 不过，收到关于自行车新配件广告时您不必吃惊，因为这是享受此项服务的代价。 传感器融合桥设备会把来自多个信标和传感器的数据组合在一起，以便根据接收器的工作模式过滤掉不需要（或不想要）的数据。 这种过滤功能可具有双向性，这样，心率等个人信息便不会被窃取（如在工作面试期间）。

存储和通信元件可包含在传感器融合桥设备中或者作为通信桥设备的一部分，这些元件在不同格式之间非常高效地转换无线数据并确保其安全、完整。 一旦传感器通过蓝牙与桥设备连接，便能存储数据或者利用如 Wi-Fi 等长距离无线标准继续发送数据。 桥接设备应至少具备存储和通信功能，而更高端的设备则应具备附加处理功能。 这种附件处理功能可用于组合不同的传感器读数，这样，只有在某个完整的数据集可随时调取，或者如果读数“超出范围”且需发出警报时，才需向“上游”设备发出警报。

MCU 多样性和物联网革命

当下有一种趋势肯定会因 IoT 而扩大，那就是将关键的无线硬件组件与重要的软件驱动程序、协议堆栈相结合，以便进一步简化完全实现 IoT 所需的多种设备的设计和构建过程。 如图 2 所示，Nordic Semiconductor 已推出一系列用于提供集成式硬件和软件解决方案的高集成度无线 MCU。 从标准 ARM Cortex-M0 处理器、CPU 外设、丰富的闪存和 SRAM 开始，Nordic 还集成了工作频率为 2.4 GHz 的多协议无线电。 这一些列中的器件引脚相互兼容，均支持低功耗蓝牙和 2.4 GHz 工作模式。 Nordic 提供经过预编译的（二进制）协议堆栈，让高级别应用代码的创建变得轻松自如。

图 2：Nordic nRF51822 无线 MCU 硬件模块。

在 IoT 边缘，设备将变得越来越专门化，因为需要满足各种能效要求，将没有多少空间可以留给臃肿的硬件“装备”了。 如 Nordic nRF51822 等高度集成的优化器件在 IoT 外设中最能满足相应的要求，并可作为简单的信标和传感器。 这类器件也最有可能实现专门化和多样化，且其中一些类型还包括存储、处理或者类似通信“中枢”的功能，从而将传感器管理融入外设，对源头中流动的数据进行优化。

将与传感器、信标、传感器融合设备连接的桥接设备、与更广 IoT 网络连接的其它桥接设备将需要支持各种各样的无线协议。 最初，可由每个 MCU 都针对特定标准的多个 MCU 来实现桥接设备，也许由 FPGA 实现，以实现总体控制、缓冲和安全功能。 如图 3所示，Freescale 的 MKW2x 系列（如 MKW21D256VHA5）可为低级别网络标准 IEEE 802.15.4 提供连接，目前有许多无线个人局域网 （WPAN） 设备支持该标准。 这款片载 RF 收发器符合或超过所有适用于 2.4 GHz ISM 频段和 MBAN 频段（医疗频段局域网）的 IEEE802.15.4 技术规格。 因此，这款收发器能为众多通信标准实现连接，具体包括针对 Smart Energy 1.x、家庭自动化、保健和 RF4CE 的 ZigBee Pro 网络堆栈和应用规范，以及 ZigBee IP 网络堆栈和 Smart Energy 2.0 应用规范。 ARM Cortex-M4 处理器具有 DSP 功能，可以提供重要的处理能力，且硬件密码验证单元支持包括 3DES、AES、SHA-1 和 SHA-256 在内的密钥加密算法。 芯片中包含唯一的 128 位 ID，有助于设备验证和安全密钥管理。

图 3：用于 IEEE802.15.4WPAN 桥接的 freescale MKW2x MCU 系列。

到桥接设备的其它连接需要更大的覆盖范围，这可能需要使用 Wi-Fi 标准。 为添加 Wi-Fi 连接，Microchip MRF22WB0MA/MB 等集成收发器模块采用简单的 SPI 接口与 MCU 或者 FPGA 连接，如图 4 所示。 既然 MRF22WB0MA/MB 当做一个完整的模块，那么设计人员就不受合规测试约束，进而实现设计快速面市。 如该模块与 Microchip PIC MCU 配合使用，就可用 TCP/IP 软件堆栈和代码库进一步简化实施过程。 该模块与 M2M PICTail Plus 子板配合使用时，会形成一个支持 GSM、GPRS 和 GPS 通信格式的完整参考设计。 Microchip 产品培训模块对该套件做了详细介绍。

图 4：Microchip MRF24WB0MA 提供 IEEE 802.11b 连接。

需要：更广、更深的支持生态系统

包括为加快开发而越来越多地支持更高级别的通信功能在内，这种发展趋势将成为 IoT 快速部署的关键推动因素。 音频领域的情况很好地说明了为什么快速部署 IoT 需要发展越来越广、越来越深的支持生态系统。 例如，Atmel 利用其 AT32UC3A0512 MCU 推出一个完整的数字音频网关参考设计 （EVK1105），该设计将关键的硬件特性和构建完整系统所需的必要软件基础架构组合在一起（Atmel 针对该套件推出了一个优秀的产品培训模块）。 该参考设计包括主板、C 源代码路（含浮点和 DSP 算法）、USB 和 TCP/IP 堆栈和用于优化音频、图片、视频编解码器的应用软件、显示驱动程序、网络服务器、文件系统，以及一个完整的 RTOS。

该套件中，最令人感兴趣的元件可能是解码器库中的软件音频解码器，如表 1 所示。 设计人员能轻松地确定哪个驱动器模块可用在项目中。 Atmel 甚至可以帮助您识别每个驱动器所需的密钥许可证。 为促进 IoT 发展，供应商不仅应提供一个开发生态系统，还应在新产品发布和启动所需的任何许可或第三方协议方面提供帮助。 IoT 会有大量许可证要求，因此消除发展道路上的相关障碍将是产品成败的关键。

中间件 CPU 负载 闪存 RAM 许可证 MP3 解码器 Libmad 21-25 MHz 51 KB 30 KB www.underbit.com/products/mad WMA 解码器 （V10） 30-45 MHz 136 KB 50 KB www.microsoft.com AAC （Helix） 48 MHz 27 KB 30 KB www.helixcommunity.org AAC+ （Helix）（估计值） 60 MHz 40 KB 100 KB www.helixcommunity.org

IoT 设备的多样化特性将需要大量不同的专门化 MCU 来实现多到使人眼花缭乱的边缘设备，并以最密切的方式与“现实世界”的通信。 设备进入 IoT 网络将需要与常见产品线一起进行多样化，具备有助于流量效率优化的各种通信、存储和计算功能。 供应商需要扩充专用 MCU，附带包括示例代码、驱动程序、堆栈的参考设计；甚至按照 MCU 制造商期待那样，尽可能快地协助解决 IoT 新品发布的许可证要求。