【導(dǎo)讀】無線接口如今已經(jīng)到處存在，并可提供從消費(fèi)類設(shè)備到工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的各種連接。在本文中，我們將回顧四種市場流行無線標(biāo)準(zhǔn)（Wi-Fi、藍(lán)牙Mesh網(wǎng)絡(luò)（Bluetooth Mesh）、Z-Wave和蜂窩網(wǎng)絡(luò)）的功能，并介紹一些可用的開發(fā)平臺(tái)。
電子工程師一直認(rèn)為射頻（RF）電路設(shè)計(jì)是一項(xiàng)令人費(fèi)解的工作，最好交給相應(yīng)專家來完成。使RF設(shè)計(jì)變得復(fù)雜的一個(gè)因素是，在設(shè)計(jì)中通常可以忽略的寄生成分在高頻下變得非常重要。在考慮PCB布局時(shí)，還必須考慮傳輸線影響，信號(hào)延遲和反射等因素，以及任何可能干擾附近設(shè)備的雜散信號(hào)。要克服的最后障礙是遵守協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)要求。為了簡化產(chǎn)品開發(fā)，現(xiàn)在市場可以提供現(xiàn)成的經(jīng)過預(yù)先認(rèn)證的RF模塊，以及系統(tǒng)級(jí)封裝（SiP）產(chǎn)品，其中包含了所有必需的功能。
這里考慮一個(gè)典型的無線模塊，集成有無線收發(fā)器、晶體振蕩器、RF電路和印刷電路天線，它還包括一個(gè)帶有固件的微控制器，用以實(shí)現(xiàn)無線協(xié)議棧。該模塊也可以集成其他功能，例如能源管理和外部接口等等。通常，這些模塊會(huì)有專門的評(píng)估和開發(fā)套件。開發(fā)套件可幫助對(duì)無線模塊進(jìn)行初始評(píng)估，還可以用作軟件開發(fā)平臺(tái)，并構(gòu)建產(chǎn)品演示或原型。但是，對(duì)于某些特定應(yīng)用，仍然有必要了解確定無線技術(shù)性能和適用性的參數(shù)。例如，某些應(yīng)用需要高數(shù)據(jù)速率或遠(yuǎn)程通信，而另一些應(yīng)用則更側(cè)重于低能耗。
Wi-Fi
Wi-Fi可能是最為熟知的無線標(biāo)準(zhǔn)，它廣泛用于家庭和辦公室環(huán)境，可360度接入高速數(shù)據(jù)。在室內(nèi)環(huán)境下，由于障礙物（例如墻壁）的限制，其作用距離大約為10～30米，但是室外作用距離可以超過100米。目前的Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)使用2.4GHz和5GHz這兩個(gè)頻率。2.4GHz標(biāo)準(zhǔn)可提供高達(dá)600Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，較高的5GHz頻段可以提供更快的數(shù)據(jù)速率，但是其作用距離受固體障礙物的影響和限制更大。
Microchip Technology AC164165 Wi-Fi智能設(shè)備支持套件是一個(gè)Wi-Fi演示和開發(fā)平臺(tái)，該平臺(tái)基于緊湊的單頻段2.4GHz模塊（ATWINC15x0），并針對(duì)低功耗IoT應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。Wi-Fi控制器支持IEEE 802.11b/g/n標(biāo)準(zhǔn)，而高級(jí)物理層（PHY）可提供更出色的靈敏度和作用距離。
圖1：AC164165 Wi-Fi智能設(shè)備支持套件。（來源：Microchip）
除微控制器和各種標(biāo)準(zhǔn)接口外，主板還包括電源管理電路。例如，用于外部鋰離子或鋰聚合物電池管理的充電控制器使其適合于便攜式設(shè)備的原型制作。用于濕度，壓力和環(huán)境光檢測的板載環(huán)境傳感器可提供更多附加功能。
該套件經(jīng)過預(yù)編程，可與Amazon Alexa一起使用，能夠提供云端連接以簡化快速原型制作。之后，開發(fā)人員可以使用Atmel Studio 集成開發(fā)環(huán)境（IDE）編寫專有的應(yīng)用固件。
藍(lán)牙Mesh網(wǎng)絡(luò)
藍(lán)牙主要用于短距離通信，它取代了與打印機(jī)等外圍設(shè)備的有線連接。與Wi-Fi相比，藍(lán)牙功耗更低，作用范圍也更小，且最大數(shù)據(jù)速率僅為1或2 Mb/s。但隨著最近藍(lán)牙5標(biāo)準(zhǔn)的推出，藍(lán)牙Mesh網(wǎng)絡(luò)已明顯增大了其作用范圍。
圖2：藍(lán)牙Mesh網(wǎng)絡(luò)的圖形架構(gòu)。（來源：Mouser Electronics）
為了評(píng)估藍(lán)牙Mesh網(wǎng)絡(luò)，賽普拉斯（Cypress）的EZ-BT Mesh評(píng)估套件包括有四個(gè)完整的藍(lán)牙節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)可直接提供一個(gè)簡單網(wǎng)絡(luò)。要?jiǎng)?chuàng)建較大網(wǎng)絡(luò)，只需添加更多節(jié)點(diǎn)。
該無線模塊基于賽普拉斯低功耗雙模Bluetooth 5器件CYW20819，并包括一個(gè)晶體振蕩器和印刷電路天線。它還具有模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和脈寬調(diào)制（PWM）外設(shè)以及幾個(gè)串行接口，包括PCM/I2S音頻接口。為了提供更多功能，套件中的每個(gè)主板都帶有USB和UART接口、軟件定義的RGB LED和開關(guān)，環(huán)境光傳感器，熱敏電阻和無源紅外（PIR）運(yùn)動(dòng)傳感器。它的低功耗特性使其非常適合在電路板上裝有紐扣電池座的電池供電應(yīng)用。
圖3：藍(lán)牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)板功能。（來源：賽普拉斯）
為了支持物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)，ModusToolbox®軟件開發(fā)環(huán)境包括一個(gè)IDE、板級(jí)支持包、中間件程序庫以及各種應(yīng)用代碼示例。
Z-Wave
Z-Wave主要為家庭自動(dòng)化應(yīng)用而設(shè)計(jì)，是一種功耗非常低的無線協(xié)議。它能夠間歇性地傳輸少量數(shù)據(jù)，通常使用紐扣電池或能量收集器供電。與其他無線技術(shù)一樣，Z-Wave也使用mesh網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)所有設(shè)備之間的通信，并由此擴(kuò)大作用范圍。
圖4：Z-Wave 700無線入門套件。（來源：Silicon Labs）
Silicon Labs的 Z-Wave 700 無線入門套件是功能全面的評(píng)估和開發(fā)平臺(tái)。它包含兩個(gè)主板，并帶有附加射頻板，其中包括射頻收發(fā)器、晶體振蕩器和支持組件。該射頻板也可以用作ZGM130S SiP模塊的參考設(shè)計(jì)。
每個(gè)主板都有廣泛的外部接口，包括以太網(wǎng)和USB，以及microSD卡插槽，還包括一個(gè)128x128像素的LCD、濕度和溫度傳感器以及一個(gè)紐扣電池座。另外，該主板另有一個(gè)擴(kuò)展頭，用于附加板集成其他硬件。Simplicity Studio環(huán)境支持行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)IDE中的軟件開發(fā)，并提供用于能量分析、配置和無線網(wǎng)絡(luò)分析的應(yīng)用示例和工具。
窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）
最后，LTE蜂窩技術(shù)或4G在移動(dòng)電話領(lǐng)域已經(jīng)廣為人知。對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)和低功耗應(yīng)用，NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)使用LTE技術(shù)的子集，將帶寬限制為200kHz，以便降低功耗。
Nordic Semiconductor的 Thingy:91™ 多傳感器原型開發(fā)套件非常適合低功耗蜂窩物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)應(yīng)用。它基于nRF9160 SiP，將RF前端與多模LTE-M/NB-IoT調(diào)制解調(diào)器集成在一起，能夠提供對(duì)藍(lán)牙、蜂窩無線和GPS的支持。該套件還具有用于板載可充電鋰聚合物（Li-Po）電池的內(nèi)置電源管理，使其非常適合開發(fā)便攜式和電池供電應(yīng)用。它還集成了一系列令人驚嘆的環(huán)境傳感器：如溫度、濕度、空氣質(zhì)量和氣壓、光線和顏色傳感器以及兩個(gè)加速度計(jì)，這些對(duì)于概念驗(yàn)證和測試非常有用。
圖5：Thingy:91™ 多傳感器原型開發(fā)套件。（來源：Nordic Semiconductor）
結(jié)論
當(dāng)今市場上有許多可用的無線通信協(xié)議，如何選擇最合適的協(xié)議取決于具體的應(yīng)用需求。但無論選擇哪種標(biāo)準(zhǔn)，都有許多成熟的模塊和開發(fā)套件用來啟動(dòng)項(xiàng)目，加速產(chǎn)品開發(fā)，并縮短上市時(shí)間。經(jīng)過初步的原型設(shè)計(jì)和開發(fā)，在最終產(chǎn)品中使用相同的無線模塊可以節(jié)省大量時(shí)間和工程資源。
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