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作者：安森美半導體產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理（TL）Dan Clement 互聯(lián)是物聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)基本組成部分，并使能和支持智能城市、工業(yè)4.0、家庭自動(dòng)化和自動(dòng)駕駛等趨勢。無(wú)線(xiàn)技術(shù)現在是一種常見(jiàn)的互聯(lián)形式，雖然可能很難說(shuō)無(wú)線(xiàn)聯(lián)接比有線(xiàn)聯(lián)接更多，但很難否認它是聯(lián)接新設備的首選方式。這在更廣泛的物聯(lián)網(wǎng)中尤為重要，因為許多端點(diǎn)將是位于相對遠程的小型傳感器或執行器，或用于移動(dòng)(如車(chē)輛)或便攜式(如平板電腦)的設備。 除了方便之外，無(wú)線(xiàn)聯(lián)接的另一個(gè)優(yōu)勢是范圍；在大多數情況下，如果網(wǎng)絡(luò )接入點(diǎn)與設備之間的距離超過(guò)3米，無(wú)線(xiàn)聯(lián)接就有意義了。此外，如果設備數很多，例如在智能辦公室中，可能有數百個(gè)端點(diǎn)，包括門(mén)窗上的接近傳感器，或者遠程控制的照明裝置，無(wú)線(xiàn)接入就有意義。一個(gè)接入點(diǎn)可支持的設備的理論數量實(shí)際上只受到它能提供的IP地址數的限制，但物理上實(shí)施數百個(gè)以太網(wǎng)端口將消耗大量的空間和功率。 選擇正確的無(wú)線(xiàn)協(xié)議 鑒于無(wú)線(xiàn)聯(lián)接的方便性、通用性和性能，再加上市場(chǎng)機會(huì )(我們預計在這十年內將有數百億臺設備聯(lián)接到物聯(lián)網(wǎng))，現在有許多無(wú)線(xiàn)協(xié)議可供使用不足為奇。 如今，主要得益于智能手機、平板電腦、耳機及電腦外設等個(gè)人設備的激增呈現出的規模經(jīng)濟效益，藍牙在普及。藍牙聯(lián)接的工作頻率為2.4GHz，根據環(huán)境的不同，藍牙聯(lián)接的范圍通常在20到30米之間。在同一波段工作的其他技術(shù)也同樣受限，但它們通過(guò)采用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )拓撲來(lái)克服這一問(wèn)題，在2.4GHz頻段內不同協(xié)議之間存在競爭，因為它們都在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域爭奪設計勝算。 早在2.4GHz的前景出現之前，工業(yè)應用中的無(wú)線(xiàn)聯(lián)接就傾向采用在MHz范圍內的頻率，這些頻率隨后被重新命名為低于1GHz（Sub-GHz）協(xié)議，以反映2.4GHz協(xié)議的出現。過(guò)去Sub-GHz頻段的標準化程度較低，法規方面也有實(shí)施專(zhuān)有方案的自由，因此它仍然很受歡迎。然而，為了應對物聯(lián)網(wǎng)的挑戰，它也隨著(zhù)越來(lái)越多的支持互操作性的標準化方案的發(fā)展而發(fā)展；它是物聯(lián)網(wǎng)及其許多垂直領(lǐng)域的首選協(xié)議。 為物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā) 物聯(lián)網(wǎng)大而無(wú)界，這說(shuō)明范圍極其重要。雖然這可通過(guò)使用基于網(wǎng)格拓撲的個(gè)人區域網(wǎng)絡(luò )(PAN)來(lái)實(shí)現，但它們仍然需要中繼器或相對接近的節點(diǎn)，以便在很長(cháng)的距離上傳播數據。正因為如此，開(kāi)發(fā)人員開(kāi)始轉向廣域網(wǎng)(WAN)。今天使用的最常見(jiàn)的無(wú)線(xiàn)WAN是移動(dòng)電話(huà)網(wǎng)絡(luò )，然而，將同樣的技術(shù)用于物聯(lián)網(wǎng)仍然會(huì )帶來(lái)挑戰；除了接入網(wǎng)絡(luò )的成本之外，端點(diǎn)的電池使用壽命將以天、而不是月甚或年為單位。 解決這一問(wèn)題的實(shí)際方案是低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）。為支持LPWAN而開(kāi)發(fā)的技術(shù)提供了可在較低載波頻率下實(shí)現的范圍，但對于物聯(lián)網(wǎng)端點(diǎn)所需的電池使用壽命，唯一真正的折中是在有效載荷上。LPWAN利用物聯(lián)網(wǎng)中的端點(diǎn)通常只需相對較低頻傳輸少量數據的優(yōu)勢，這說(shuō)明每次傳輸所用的能量保持絕對最低。 LPWAN使用的網(wǎng)絡(luò )拓撲模擬移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )，因為它通常使用基站的星形網(wǎng)絡(luò )，而不是由中繼器組成的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )。網(wǎng)絡(luò )可以是開(kāi)放的，也可以是專(zhuān)有的，這取決于應用。目前協(xié)議的例子包括無(wú)線(xiàn)計量總線(xiàn)(廣泛用于智能抄表)、KNX(用于家庭自動(dòng)化系統)和Sigfox(實(shí)際上是一種協(xié)議和一個(gè)全球LPWAN，專(zhuān)注于聯(lián)接物聯(lián)網(wǎng)傳感器)。 LPWAN聯(lián)接的單芯片方案 針對LPWAN應用領(lǐng)域的無(wú)線(xiàn)技術(shù)覆蓋的頻率范圍很廣，從27 MHz到1050 MHz。為了實(shí)現一個(gè)可以使用各種LPWAN協(xié)議解決許多不同的物聯(lián)網(wǎng)應用的單一設計，收發(fā)器需要能夠在整個(gè)范圍內工作。此外，在固件中運行的協(xié)議需要一個(gè)有能力的微控制器。 將這兩種功能元素整合到一個(gè)單一器件中，可創(chuàng )建一種靈活的方案，比雙芯片方案更具有成本優(yōu)勢且更高能效。由于這主要由軟件定義，為制造商提供了一個(gè)易調整的平臺，可通過(guò)使用不同無(wú)線(xiàn)協(xié)議滿(mǎn)足更廣泛應用的需求。 需要限制通過(guò)LPWAN運行的許多IoT端點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)交換的數據量，這更強調了邊緣處理；使端點(diǎn)能夠在本地處理數據并且在不涉及云平臺的情況下采取行動(dòng)。為了支持這一點(diǎn)，任何方案的處理性能都需要很好地平衡功率和性能。ARM CORTEX-M0核完全適合這個(gè)應用領(lǐng)域，因為它提供32位架構的性能，但具有領(lǐng)先行業(yè)的低功耗。ARM CORTEX-M0+是由安森美半導體選擇的用于A(yíng)XM0F243超低功耗RF微控制器的架構。圖1顯示了該器件的框圖，它集成了ARM核子系統和創(chuàng )建一個(gè)LPWAN設備所需的RF功能用于物聯(lián)網(wǎng)。 
圖1：AXM0F243的功能框圖 該集成的窄帶收發(fā)器兼容一系列調制方案，包括頻移鍵控(FSK)、最小(頻率)移位鍵控(MSK)、4-FSK、和高斯FSK和MSK，以及幅度移位鍵控(ASK)和相移鍵控(PSK)。因為它主要由軟件定義，所以可支持許多LPWAN協(xié)議，包括無(wú)線(xiàn)計量總線(xiàn)、Sigfox等等。 該收發(fā)器可采用或不采用前向糾錯(FEC)工作，以便使用所支持的任何調制技術(shù)對跨頻帶的給定數據速率給予接收靈敏度范圍。表1顯示了在868 MHz采用或不采用FEC的情況下接收器靈敏度的例子。 表1
AXM0F243支持在27 MHz到1050 MHz之間的載波頻率，數據速率從100 bit/s到125 kbit/s，并采用一個(gè)具有超快穩定時(shí)間的RF頻率合成器和具有帶寬升壓模式的VCO自動(dòng)測距以快速鎖定，這有助于設備的低功耗。它還可支持外部VCO，以及外部功率放大器。 無(wú)線(xiàn)電控制器采用RX/TX開(kāi)關(guān)控制支持天線(xiàn)分集，分組接收完全自動(dòng)化，無(wú)需使用片上微控制器即可工作，進(jìn)一步降低了整體功耗。 通用外設 除了集成微控制器和RF收發(fā)器外，AXM0F243還具有可編程和固定功能的模擬和數字外設。模擬塊由兩個(gè)運算放大器、一個(gè)12位SAR ADC、低功耗比較器和電流DAC組成。兩個(gè)專(zhuān)用總線(xiàn)使用可以通過(guò)固件控制的模擬開(kāi)關(guān)聯(lián)接模擬塊，能將任何I/O引腳路由到任何模擬塊�？删幊虜底謮K使用聯(lián)接到交換式網(wǎng)絡(luò )的LUT(查閱表)實(shí)現，類(lèi)似于FPGA的CPLD，支持將一系列固件定義的邏輯功能應用于從GPIO端口路由的任何信號。固定的功能包括一個(gè)定時(shí)器/計數器/PWM塊，一個(gè)可在I2C、SPI和UART模式下工作的串行通信塊。 總結 物聯(lián)網(wǎng)涵蓋許多垂直市場(chǎng)，包括家庭和建筑自動(dòng)化、抄表和傳感器/執行器監測。無(wú)線(xiàn)聯(lián)接是物聯(lián)網(wǎng)的基礎，LPWAN正在成為目前物聯(lián)網(wǎng)所含的許多應用的關(guān)鍵促成因素。 通過(guò)選擇一種靈活和可編程的單芯片方案，開(kāi)發(fā)人員能夠更好地以具性?xún)r(jià)比的和高能效的方式應對物聯(lián)網(wǎng)的挑戰。 |
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