家庭物联网设计与实现

物联网(IoT)设计人员能够因应各种应用需求进行设计，但有越来越多的人并不满意仅支持一种无线连接技术的通讯协议。这种情况在智慧家庭中最常见，因为缺乏标准(或者更确切地说，它们其实也很多余)使得产品必须以各种方式进行连接。甚至还有些工业系统也可以利用多模无线技术。这些情况正推动着对于具有多种无线功能的处理器需求。

Nest Protect烟雾探测器就是一个很好的例子。它采用Wi-Fi连接到家中路由器，装置中还包括蓝牙(Bluetooth)无线电，让用户能在安装之前直接从手机或平板电脑配置产品。而在停电期间，这款以电池供电的装置采用专有的802.15.4协议――Nest Weave，持续在家中进行通信，而用户则可以透过蓝牙将手机的闹钟设定为静音。这种多模无线技术的组合确保了优化的连接性，同时转向使用更低功耗的802.15.4协议，以延长电池寿命。

Nest Protect烟雾探测器透过基于802.15.4的无线协议Nest Weave彼此互连，并经由Wi-Fi连接至家中路由器，还可以透过智能型手机的蓝牙功能进行控制智能门锁通常包括一个摄影机，让用户在决定是否打开门锁之前先看看是谁在门口。就像烟雾探测器一样，门锁通常经由Zigbee或Z-Wave (均为802.15.4变化版本)进行控制，即使断电期间也可以进行操作。但是这些简单的接口并没有用于视讯的带宽，所以相机通常透过Wi-Fi连接。

智能家庭网关通常包含多种协议。这些网关通常整合于控制面板中，作为各种物联网装置的中枢。例如，XFinity Home平台提供了一个触控面板，该面板使用Wi-Fi连接到因特网和监控摄影机，但透过Zigbee连接到安全传感器和其他智能设备。某些型号还包括一款蜂窝调制解调器，因此即使是在因特网联机中断的情况下，仍然可以传送紧急警报。网关也可以作为独立的装置，如Wink Hub，能够透过Wi-Fi、蓝牙、Zigbee、Z-Wave、Thread以及其他协议进行通讯。

虽然工业环境可以得到更好的控制，但厂房设施最终通常会使用不同协议的多套物联网系统。例如，智能照明系统可能使用Zigbee，而资产追踪依赖于蓝牙。当系统由不同的部门在不同的时间安装时，经常会发生这种不匹配的情况。在这些情况下，多协议网关能够简化物联网的数据收集和控制。如同消费装置一样，添加蓝牙就能让手机或平板电脑更加简单地配置和管理工业物联网设备。

将多个无线芯片添加到基于微控制器(MCU)的基本设计，可能使其变得非常复杂且成本高昂。更好的解决方案之一是选择一款多协议的物联网处理器。例如，高通(Qualcomm)的QCA4020结合Cortex-M4子系统以及Wi-Fi、蓝牙和802.15.4等三种无线协议。虽然有些系统设计可能会省略5GHz天线以降低成本，但为了实现最佳性能，这款芯片采用了双频(5GHz/2.4GHz) 802.11n Wi-Fi的设计。该芯片还建置了最新的蓝牙5协议，可在连接至兼容装置的同时扩展范围，它同时也支持新的蓝牙网状协议。

这三种无线技术整合了基带、收发器和放大器(PA/LNA)，从而减少了BOM。该芯片包括一个专用的CPU和内存，以及第二个CPU和内存，用于处理蓝牙和802.15.4 MAC，从主Cortex-M中卸除这些任务并提高安全性。硬件共存引擎有助于Wi-Fi和蓝牙MAC协调使用2.4GHz天线，以避免降低支持单独无线芯片的系统性能。

Cortex-M4F CPU工作频率高达128MHz。除了32KB L1快取之外，CPU还可以利用芯片SRAM。即使加载了基本的RTOS和驱动程序，内存也为应用程序留下了300KB以上的空间，而无需使用外部DRAM。然而，QCA4020依靠外部闪存，支持QSPI连接的就地执行(XIP)协议。该芯片还包括安全引擎和通用装边设备，包括串行端口、A/D转换器以及USB 2.0。

相较于市场上多家供应商提供整合一个或甚至两种无线协议的MCU，QCA4020则是一款支持3模的物联网处理器。随着越来越多的物联网设计人员试图将多种无线协议添加到系统中，这一类微处理器将有助于简化其物料清单(BOM)并缩短设计时间。
责任编辑：彭菁