关于Wi-Fi、蓝牙Mesh网络、Z-Wave、窄带物联网的射频电路设计

电子工程师一直认为射频（RF）电路设计是一项令人费解的工作，最好交给相应专家来完成。使RF设计变得复杂的一个因素是，在设计中通常可以忽略的寄生成分在高频下变得非常重要。在考虑PCB布局时，还必须考虑传输线影响，信号延迟和反射等因素，以及任何可能干扰附近设备的杂散信号。要克服的最后障碍是遵守协议标准和法规要求。为了简化产品开发，现在市场可以提供现成的经过预先认证的RF模块，以及系统级封装（SiP）产品，其中包含了所有必需的功能。

这里考虑一个典型的无线模块，集成有无线收发器、晶体振荡器、RF电路和印刷电路天线，它还包括一个带有固件的微控制器，用以实现无线协议栈。该模块也可以集成其他功能，例如能源管理和外部接口等等。通常，这些模块会有专门的评估和开发套件。开发套件可帮助对无线模块进行初始评估，还可以用作软件开发平台，并构建产品演示或原型。但是，对于某些特定应用，仍然有必要了解确定无线技术性能和适用性的参数。例如，某些应用需要高数据速率或远程通信，而另一些应用则更侧重于低能耗。

Wi-Fi

Wi-Fi可能是最为熟知的无线标准，它广泛用于家庭和办公室环境，可360度接入高速数据。在室内环境下，由于障碍物（例如墙壁）的限制，其作用距离大约为10～30米，但是室外作用距离可以超过100米。目前的Wi-Fi标准使用2.4GHz和5GHz这两个频率。2.4GHz标准可提供高达600Mb/s的数据传输速率，较高的5GHz频段可以提供更快的数据速率，但是其作用距离受固体障碍物的影响和限制更大。

Microchip Technology AC164165 Wi-Fi智能设备支持套件是一个Wi-Fi演示和开发平台，该平台基于紧凑的单频段2.4GHz模块（ATWINC15x0），并针对低功耗IoT应用进行了优化。Wi-Fi控制器支持IEEE 802.11b/g/n标准，而高级物理层（PHY）可提供更出色的灵敏度和作用距离。

图1：AC164165 Wi-Fi智能设备支持套件。（来源：Microchip）

除微控制器和各种标准接口外，主板还包括电源管理电路。例如，用于外部锂离子或锂聚合物电池管理的充电控制器使其适合于便携式设备的原型制作。用于湿度，压力和环境光检测的板载环境传感器可提供更多附加功能。

该套件经过预编程，可与Amazon Alexa一起使用，能够提供云端连接以简化快速原型制作。之后，开发人员可以使用Atmel Studio 集成开发环境（IDE）编写专有的应用固件。

蓝牙Mesh网络

蓝牙主要用于短距离通信，它取代了与打印机等外围设备的有线连接。与Wi-Fi相比，蓝牙功耗更低，作用范围也更小，且最大数据速率仅为1或2 Mb/s。但随着最近蓝牙5标准的推出，蓝牙Mesh网络已明显增大了其作用范围。

图2：蓝牙Mesh网络的图形架构。（来源：Mouser Electronics）

为了评估蓝牙Mesh网络，赛普拉斯（Cypress）的EZ-BT Mesh评估套件包括有四个完整的蓝牙节点，这些节点可直接提供一个简单网络。要创建较大网络，只需添加更多节点。

该无线模块基于赛普拉斯低功耗双模Bluetooth 5器件CYW20819，并包括一个晶体振荡器和印刷电路天线。它还具有模数转换器（ADC）和脉宽调制（PWM）外设以及几个串行接口，包括PCM/I2S音频接口。为了提供更多功能，套件中的每个主板都带有USB和UART接口、软件定义的RGB LED和开关，环境光传感器，热敏电阻和无源红外（PIR）运动传感器。它的低功耗特性使其非常适合在电路板上装有纽扣电池座的电池供电应用。

图3：蓝牙mesh网络节点板功能。（来源：赛普拉斯）

为了支持物联网开发，ModusToolbox®软件开发环境包括一个IDE、板级支持包、中间件程序库以及各种应用代码示例。

Z-Wave

Z-Wave主要为家庭自动化应用而设计，是一种功耗非常低的无线协议。它能够间歇性地传输少量数据，通常使用纽扣电池或能量收集器供电。与其他无线技术一样，Z-Wave也使用mesh网络来实现所有设备之间的通信，并由此扩大作用范围。

图4：Z-Wave 700无线入门套件。（来源：Silicon Labs）

Silicon Labs的 Z-Wave 700 无线入门套件是功能全面的评估和开发平台。它包含两个主板，并带有附加射频板，其中包括射频收发器、晶体振荡器和支持组件。该射频板也可以用作ZGM130S SiP模块的参考设计。

每个主板都有广泛的外部接口，包括以太网和USB，以及microSD卡插槽，还包括一个128x128像素的LCD、湿度和温度传感器以及一个纽扣电池座。另外，该主板另有一个扩展头，用于附加板集成其他硬件。Simplicity Studio环境支持行业标准IDE中的软件开发，并提供用于能量分析、配置和无线网络分析的应用示例和工具。

窄带物联网（NB-IoT）

最后，LTE蜂窝技术或4G在移动电话领域已经广为人知。对于物联网和低功耗应用，NB-IoT标准使用LTE技术的子集，将带宽限制为200kHz，以便降低功耗。

Nordic Semiconductor的 Thingy:91™ 多传感器原型开发套件非常适合低功耗蜂窝物联网开发应用。它基于nRF9160 SiP，将RF前端与多模LTE-M/NB-IoT调制解调器集成在一起，能够提供对蓝牙、蜂窝无线和GPS的支持。该套件还具有用于板载可充电锂聚合物（Li-Po）电池的内置电源管理，使其非常适合开发便携式和电池供电应用。它还集成了一系列令人惊叹的环境传感器：如温度、湿度、空气质量和气压、光线和颜色传感器以及两个加速度计，这些对于概念验证和测试非常有用。

结论

当今市场上有许多可用的无线通信协议，如何选择最合适的协议取决于具体的应用需求。但无论选择哪种标准，都有许多成熟的模块和开发套件用来启动项目，加速产品开发，并缩短上市时间。经过初步的原型设计和开发，在最终产品中使用相同的无线模块可以节省大量时间和工程资源。
编辑：hfy