无线物联网连接:如何选择无线技术

　　物联网（物联网）受到很多当之无愧的关注是因为它提供了很多潜在的好处。而IoT-connected节点安装在5、10年或以上是投机和市场研究的主题（以及猜测，），有一件事是明确的：数字将是巨大的。物联网是密切相关的工业机器对机器（M2M）应用程序的兄弟姐妹，所以有很多技术相似性和实现两类之间的重叠。

　　从高层的角度来看，一个物联网节点包含三个系统功能块（图1）：1）传感器或传感器（温度、流量、打开/关闭门的位置，为例）;2）数字处理器单元（单片机），抓住了传感器数据的处理和分析;3）连接端口，可以是有线或无线。前者是一个选项如果有一个可用的低成本网络或安装，如果安全是一个重要的考虑因素，如果背景是严重EMI / RFI区域，或者只有几个点被连接。然而，对于大多数物联网安装，一个无线连接方式是首选由于易于安装和整体的灵活性在初始位置，甚至如果需要迁移物联网节点。

　　

　　图1：物联网的高级系统框图或M2M节点显示三个主要功能：传感器、处理器和连接接口。

　　选择一个标准的无线连接并不意味着完成设计决策和设计过程很简单。无线连接必须遵守行业和监管标准，在很多情况下和地区批准。有许多设计师可能需要考虑无线物联网选项。在一些设施，决定已经由于授权或现有的网络。另一方面，设计师可以评估选项和做出选择基于性能的权衡和优先级，网络类型（网、无线局域网、点对点），范围，权力，频带（s），健壮性和，当然，成本。也有安全的重大问题，身份验证和加密。

　　选择可以很容易变得令人困惑

　　如果全部或大部分无线物联网连接选项可供考虑，可以挑战由于near-overwhelming设计分析的可行的可能性。除了行业标准接口选项，总有选择设计一个专有链接如果标准的不足或需要某种形式的“锁定”竞争或安全原因。作为一般规则，除非有一个强烈的令人信服的理由去使用专有的无线方法，它更容易，低风险，低成本，更快的进入市场的标准技术。即使???这些标准版本和版本有很多变化;再次，通常最好选择一个常见的一个，同样的实际原因，非专利方法被选中。

　　竞争者之间的物联网无线连接是wi - fi，蓝牙（包括蓝牙智能，以前蓝牙低能量），无线个域网，z - wave，DECT、ANT +。当然各有支持者和追随者，以及不同程度的供应商支持硬件，软件，和遵从性。表1显示了每一个标准的主要属性，但注意标准总是在不断变化，所以表只是一个粗略的向导。总的来说，物联网应用程序不需要太多的范围或高数据率，并保持低那些属性结果远低于电力需求供应和射频阶段。

　　标准名称标准名称标称频率（美国）范围数据速率Max。权力

　　无线网络IEEE 802.11（a，b，g，n，ac，广告）2.4，5.8，60 GHz100米11 - 600 Mbps1 W

　　z - wavez - wave联盟908.42兆赫30米100 kbps1兆瓦

　　蓝牙IEEE 802.15.12.4 GHz100米1 - 3 Mbps1 W

　　蓝牙智能（祝福）IEEE 802.15.12.4 GHz100米1 Mbps10 - 500兆瓦

　　无线个域网IEEE 802.15.42.4 GHz10米250 kbps1兆瓦

　　ANT +ANT +联盟2.4 GHz100米1 Mbps1兆瓦

　　表1：无线标准的主要属性。

　　实现下一个步骤

　　无线连接决定之后，下一步是决定如何真正实现节点。的选择分为三大组：

　　1）设计和建造一个从头设计。这是通常不选择，因为它需要相当大的射频经验和技能，以及在软件堆栈协议和管理方面的专业知识（其中一些可能是市场上可用的第三方来源）。自己动手可能是一个专有的无线连接的必要方法。

　　2）构建一个无线节点使用一个参考设计（硬件和软件）从一个有信誉的，IC供应商也提供开发工具进行验证。这需要技巧和更少的资源比上面的选项中，但仍有许多潜在的风险。这可能是成本最低的选项如果数量足够高和功能设置可以被剥夺降到最低。请注意，任何改变，即使是小的，参考设计的BOM或布局可能影响性能;射频在这方面很微妙。

　　3）使用一个完整的，准备好了模块可提供必要的软件工具。在理论上，这是最快的，风险最小的方法，而且可能是非常划算的选择# 2相比，如果供应商的体积是很高的。它还会带来一些额外的认证不同的监管标准。

　　不管所选择的选项，总有相关监管标准和限制，以满足使用频率，带宽、带内和带外功率，???曲和溢出，其他参数在处理射频链接。使用pre- certified模块是一个重大的一步，但这只是第一步。最终产品包含模块将需要自己的认证，如使用认证模块并不是一个保证最终设计满足功能和管理需求。问题，比如天线类型和位置，模块安排，水晶细节，附近的组件，包装是最后的认证和批准过程的一部分。

　　ICs成长为模块

　　许多供应商提供完整的射频模块基于混合，multi-chip，甚至单片机实现不同的物联网无线标准。除了性能和价格、电力使用在不同的模式是一个重要的考虑因素，因为大多数电池供电的物联网应用程序无法访问（不可能或很难替代），或use-scavenged（收获）能量。

　　蓝牙智能（以前蓝牙低能量）集成电路和相关模块说明设计师可以评估他们的选择和最佳解决方案，根据他们的应用程序和优先级。德州仪器公司提供了2.4 GHz的CC2541家庭蓝牙V4.0低能soc（如TICC2541F256）， 主要在机载内存不同，射频，数据链接，或I / O性能。设备支持的数据率250 kbps，500 kbps，1 Mbps，和2 Mbps，各种非常低的电源模式和协议，包括主动模式接受低至17.9 mA，主动模式传输（0 dBm）18.2 mA，电源模式1 4-μs叫醒在270μA，电源模式2（睡眠定时器），和权力模式3（外部中断）0.5μA，操作从2到3.6 V的供应。

　　6×6毫米SOC（图2），集成了一个广泛的其他功能和特性的列表，其中包括一个8051单片机，一个天生的格式和协议栈，相当大的内存，三个定时器，23日通用I / O（GPIO）针，一个八通道a / D转换器，一个看门狗定时器，一个电池监视器，一个温度传感器，和I2C / SPI和UART接口。设备的目标，但不能保证按时按量服药等全球无线电频率规定ETSI EN 300 328和EN 328（欧洲），FCC CFR47 15（美国）的一部分，还有STD-T66（日本）。

　　

　　图2：设备的蓝牙智能soc CC2451家族德州仪器高度集成，与许多特性和功能超出了基本要求，为了简化设计，减少空间，节约能源，降低成本。

　　随着IC，TI提供一系列的产品开发工具，如评估模块工具（CC2541EMK），一个迷你开发工具包（CC2541DK-MINI），SmartRF软件等等。的典型应用电路CC2541（图3）显示了所需的外部组件。

　　

　　图3：在一个典型的应用场景，只有少数外部被动组件需要提供完整的蓝牙智能CC2451功能的设备。

　　即使这种强大的和高度集成蓝牙集成电路，成功地将这个SOC的多方面的挑战他们的最终产品是比许多oem厂商愿意接受。在这些情况下，一个模块等TDKSESUB-PAN-T2541提供了一个替代（图4）。它使用TI CC2541F256 SOC但实际上是小（约4.6×5.6毫米），因为它是基于散装的死，也包括水晶、射频滤波器，旁路电容，和其他一些离散的组件应用程序电路（图5）。用户还必须添加一个天线的大小，类型和位置与最终产品兼容的细节。

　　

　　图4：尽管CC2451 SOC家庭的完整性，一些设计师不愿意应对任何挑战的rf电路布局，而不是想要一个完整的、认证SESUB-PAN-T2541从TDK等模块。

　　

　　图5：完全封闭SESUB-PAN-T2541模块广场，大约5毫米，需要直流电源和一个外部天线，以及软件驱动程序和接口栈。

　　物联网是一种偶然组成的应用程序组件和市场机会在一个正反馈relationship-ironically方便地相互支持，工程师一般都不愿看到的关系。供应商必要的RF-connectivity组件是投资于新产品来支持应用程序和驱动经济增长;反过来，应用程序增长是导致现有的和新的供应商进入市场并产生新的组件。在RF领域尤其有益，需要新的组件和软件工具来简化，设计师面对的挑战时，有效地与新的交互和经常神秘世界的成功，兼容标准设计。

　　总结

　　一个物联网节点有三个主要功能：传感器、处理器、和连接接口，后者通常是一个无线连接。决定使用哪个无线标准，如果有的话，然后如何有效实现它紧密配合设计师必须面对的挑战。有技术、性能、力量和成本的权衡，以及选择使用基本的集成电路，芯片+参考设计，或完成模块，连同供应商软件支持的深度，这是一个关键考虑应用领域。