雙無(wú)線(xiàn)電連接：在物聯(lián)網(wǎng)應用中實(shí)現兩全其美

引言

據統計，物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)預計將從2020年的2480億美元增長(cháng)到2025年的1.6萬(wàn)億美元。物聯(lián)網(wǎng)設備的迅速崛起及其廣泛的應用案例也大大增加了其設計的復雜程度和多功能。選用一種合適的互聯(lián)通訊方案對任何一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)設備來(lái)講都是至關(guān)重要的，但往往單獨的一種互聯(lián)方式無(wú)法滿(mǎn)足其所有的功能需求。本文著(zhù)重論述了將近程和遠程通訊方式結合在一起使用的需求，以顯著(zhù)提高物聯(lián)網(wǎng)設備的整體性能和多功能的特性。同時(shí)本文將重點(diǎn)聚焦在低功耗藍牙(BLE)和Sigfox技術(shù)上，因為它們已被視為優(yōu)化物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品技術(shù)架構的首選項。

物聯(lián)網(wǎng)設備連接拓撲

物聯(lián)網(wǎng)連接設備可大致分為三類(lèi)：

1)    直接連接到遠程基礎設施的設備
GPRS、CDMA等技術(shù)使我們的智能手機或物聯(lián)網(wǎng)設備可直接連接到電信塔。隨著(zhù)Sigfox、LoRa和NBIOT等LPWAN技術(shù)的出現，可在低功耗、低通訊速率及相近的距離內實(shí)現設備間的互聯(lián)通訊。這些設備允許物聯(lián)網(wǎng)連接設備漫游，而不必局限于特定位置。

2)    連接到本地網(wǎng)關(guān)并進(jìn)而連接到遠程基礎設施的設備

通過(guò)無(wú)線(xiàn)技術(shù)（如WiFi）或有線(xiàn)技術(shù)（如LAN、IO-Link、PLC等）可將本地的物聯(lián)網(wǎng)設備接入網(wǎng)關(guān)。借助該方法，可通過(guò)一個(gè)連接的網(wǎng)關(guān)將多個(gè)設備連接到云。通常，這些技術(shù)具有非常高的數據速率，并用于高帶寬應用，如互聯(lián)網(wǎng)瀏覽、在線(xiàn)視頻或音頻等。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是，您可以遠程控制或監控家庭、辦公室或工業(yè)設施中的多個(gè)設備。因此，它還用于物聯(lián)網(wǎng)設備的許多控制應用中。但是，由于它們依賴(lài)于網(wǎng)關(guān)，因此不能像第一種方法那樣隨意移動(dòng)。

3)    從本地連接到智能手機或彼此相連（通過(guò)或不通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)連接）的設備

藍牙、Zigbee、Thread和超低功耗藍牙[BLE]等技術(shù)可實(shí)現較短距離的點(diǎn)對點(diǎn)通信。在許多情況下，它們將手機作為云網(wǎng)關(guān)。近程通信的優(yōu)勢在于可獨立工作，而對云網(wǎng)絡(luò )無(wú)任何要求。

隨著(zhù)人機接口（HMI）的出現，可連接設備(如手機或筆記本電腦)通常提供多種連接方式，如低功耗藍牙[BLE]，經(jīng)典藍牙，WIFI,GPRS等。但是，大多數的物聯(lián)網(wǎng)設備通常是被設計用來(lái)完成某項特定的任務(wù)，所有往往只會(huì )選用上述三種方式中的其中一種通訊方式，這中設計思路也限制了這些設備的可用性，產(chǎn)品使用壽命和多用途的特性。

優(yōu)化的雙重連接

優(yōu)化的架構結合了遠程技術(shù)和近程技術(shù)，可成為物聯(lián)網(wǎng)設備向廣泛應用滲透的里程碑。遠程連接允許與通信基礎設施進(jìn)行通信，甚至允許漫游。同一設備中的近程技術(shù)可實(shí)現獨立的近程通信，以滿(mǎn)足廣泛的要求。

低功耗藍牙[BLE]是一種難以置信的近程技術(shù)，可在多種使用場(chǎng)景中作為遠程連接技術(shù)的補充。BLE可實(shí)現近程直接連接，而遠程連接則可以為物聯(lián)網(wǎng)設備提供云連接。
BLE在物聯(lián)網(wǎng)設備中實(shí)現的一些功能包括

-   用戶(hù)界面

BLE連接設備可連接到智能手機應用，從而使用戶(hù)能夠以直觀(guān)的方式與設備進(jìn)行交互。這也可以減少設備所需的按鈕數量或顯示裝置，從而使其更便宜、更輕便且防水或防塵。

-   可配置性

BLE還可用于配置設備，以使其以某種方式運行。允許在用戶(hù)端進(jìn)行配置，設備制造商無(wú)需在工廠(chǎng)定制產(chǎn)品。甚至可以為設備配置各種自定義功能，如根據佩戴位置工作的計步器、設置鬧鈴或切換LED等。甚至可以使用BLE配置工業(yè)產(chǎn)品（如LED驅動(dòng)器），以適應消費者所需的LED配置類(lèi)型

-   本地監控
基于BLE的接口支持在無(wú)云連接的情況下直接監測傳感器數據。這在需要快速本地響應的情況下尤其重要。它也可用于優(yōu)化數據成本，因為用戶(hù)可決定需要將哪些數據發(fā)送到云，以及需要在本地監控哪些數據

-   診斷

通常，當設備發(fā)生故障時(shí)，服務(wù)工程師需要打開(kāi)設備或將電纜連接到設備，以便訪(fǎng)問(wèn)設備。這很復雜，并限制了設備的創(chuàng )造力和功能。例如，如果設備具有開(kāi)放端口并可以通過(guò)螺釘輕松打開(kāi)，則該設備可能不防水。在主系統發(fā)生故障且BLE接口啟用的情況下，BLE接口便于無(wú)線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)設備。在許多情況下，BLE可能無(wú)法供用戶(hù)使用，而只能出于診斷用途被激活。

-   固件升級
固件升級功能允許在發(fā)貨后更新設備固件。即使在設備發(fā)貨后，這對于提供新功能和漏洞更新也很重要。通過(guò)固件升級，也可以根據用例配置設備功能。固件升級也是一種重要的診斷功能。

BLE可以與其他遠程技術(shù)（如GPRS或LPWAN）相輔相成，以提供遠程連接。Sigfox是一種重要的多用途低功耗遠程技術(shù)。當BLE SOC驅動(dòng)Sigfox無(wú)線(xiàn)電時(shí)，可在盡量不增加功耗、外形尺寸和價(jià)格的情況下實(shí)現廣泛的新功能和用例。Sigfox是一種可提供全球云、遠程連接且功耗極低的LPWAN技術(shù)。Sigfox設備可在全球范圍內自由連接，而無(wú)需與網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)商達成任何獨立協(xié)議，也無(wú)漫游費用。

某些功能可通過(guò)在同一設備中實(shí)施遠程技術(shù)來(lái)實(shí)現。我們來(lái)了解使用Sigfox所實(shí)現的功能。

-   遠程監控

可使用Sigfox網(wǎng)絡(luò )將傳感器數據發(fā)送到云，而無(wú)需本地網(wǎng)關(guān)。設備可直接將數據上傳到Sigfox運營(yíng)商運營(yíng)的Sigfox網(wǎng)關(guān)。這些網(wǎng)關(guān)可直接實(shí)現長(cháng)達數公里的連接。

-   數據聚合

需要將煤氣表、水表或其他傳感器的數據匯總到云中，以便合并、計費或分析。通過(guò)Sigfox網(wǎng)絡(luò )長(cháng)期發(fā)送的數據可用于此目的。

-   跟蹤和定位

跟蹤和定位是使用最廣泛的物聯(lián)網(wǎng)設備用例之一。如果需要精確定位，則可通過(guò)Sigfox網(wǎng)絡(luò )將GPS坐標發(fā)送到云端。許多用例（如車(chē)隊監控）均接受幾公里的精度。在這類(lèi)用例中，Sigfox網(wǎng)絡(luò )自身可使用三角測量法進(jìn)行定位，而無(wú)需GPS信號。Sigfox引入了一種名為Monarch的新功能，以根據當地法規識別無(wú)線(xiàn)電服務(wù)并管理無(wú)線(xiàn)電頻率變化。借助該功能，設備可跨國界漫游，并始終保持連接。

-   事件通知

當有人使用BLE解鎖時(shí)，也需要使用獨立網(wǎng)絡(luò )將信息記錄在云端。開(kāi)門(mén)、超過(guò)傳感器閾值、防盜警報、火警之類(lèi)的事件同樣需要獨立于本地接口工作。配備正確的傳感器、邏輯和Sigfox無(wú)線(xiàn)電的設備可輕松實(shí)現該目標。

-   診斷和協(xié)助

如果需要幫助或設備的某些部分出現故障，則物聯(lián)網(wǎng)設備可通過(guò)Sigfox網(wǎng)絡(luò )發(fā)出警報。Sigfox也允許發(fā)送下行消息，以便在診斷模式下配置設備并提供相關(guān)數據。

意法半導體推出了獨特的解決方案，以便將BLE和Sigfox無(wú)線(xiàn)電合并成一種通用解決方案。雙無(wú)線(xiàn)電通過(guò)Sigfox提供遠程連接，并通過(guò)BLE提供智能手機連接。與Sigfox設備的智能手機連接支持用戶(hù)界面[UI]、無(wú)線(xiàn)固件更新[FUOTA]、直接配置和控制。

STDES-MONARCH已通過(guò)Sigfox認證，并免費提供所有必要的設計文檔和軟件。該參考設計同時(shí)嵌入了BlueNRG-2低功耗BLE片上系統（SoC）和S2-LP窄帶超低功耗sub-1GHz收發(fā)器。
意法半導體的BlueNRG-2是一種經(jīng)過(guò)超低功耗BLE 5.0認證的無(wú)線(xiàn)處理器，它支持與傳感器無(wú)縫連接、Privacy 1.2、Secure Connection 4.2、數據長(cháng)度擴展、8dBm的輸出功率和與物聯(lián)網(wǎng)

BLE Mesh連接支持通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)解決方案的Mesh網(wǎng)絡(luò )連接多個(gè)BLE設備。通過(guò)引進(jìn)Mesh解決方案，即使設備不在網(wǎng)絡(luò )的直接范圍內，也可以進(jìn)行連接。

S2-LP是高性能超低功耗RF收發(fā)器，適用于sub-1GHz頻段的RF無(wú)線(xiàn)應用?？蓪⑵渚幊虨樵?13-479 MHz、452-527 MHz、826-958 MH、904-1055 MHz頻段的sub-1GHz頻率下運行。S2-LP支持不同的調制格式：2（G）FSK、4（G）FSK、OOK和ASK。S2-LP的遠程通信RF鏈路預算高于140 dB，并符合世界各地（包括歐洲、日本、南亞、印度、中國和美國）適用法規的要求。

結論

隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)用例的發(fā)展，同一設備將需要更多連接選項。這將增強設備的可用性、多功能性和可靠性。BLE SoC驅動(dòng)sub-1Ghz無(wú)線(xiàn)電組合預計將有良好的發(fā)展勢頭，因為它在不犧牲成本、功耗和外形尺寸的前提下實(shí)現了額外的連接。意法半導體在兩種世界級的無(wú)線(xiàn)電技術(shù)中采用了該架構，并在客戶(hù)中取得了巨大反響。