多模式连接设备提供灵活性，低功率的物联网设计
在过去,企业目标消费者和商业物联网(物联网)应用程序通常需要支持单独的基于蓝牙和802.15.4-based设计。使用一个新类的设备,然而,开发者可以轻松配置一个设计来支持模式,甚至同时操作两种模式。更重要的是,在这些设备低功耗模式使工程师能够实现高效无线连接非常紧密的内部预算,使扩展操作在电池或ambient-powered能量采集的设计。
支持特定的无线连接选项已成为一个主要的区别在物联网的设计目标消费者和商业市场。消费者物联网设计,蓝牙低能量(bie)——也称为蓝牙智能——仍然是事实上的标准不仅由于其低功耗的特点,也由于其无处不在的支持在一个巨大的安装基础的移动BLE-capable主机包括智能手机和平板电脑。
为了解决无线个人区域网络应用,如健身设备,灯塔,家庭娱乐,祝福为短程连通性选项提供了优越的能源效率(图1)。以其广阔的市场吸引力,半导体制造商继续提供更高级的祝福SoC(SoC)设备功耗非常低。例如,半导体DA14580的对话框要求3.4 3.4马在传输过程中,马英九在接待和600 nA的睡眠模式。
图形内部的祝福与802.15.4功耗提供服务
图1:在内部的祝福与802.15.4功耗提供服务的一项研究中,研究人员发现,祝福(左)提供了一个更高的能源效用(字节发送每焦耳的能量消耗)内部比802.15.4(右)提供服务与显著更大的差异越来越多的帧在单个连接事件(CE)。
然而,现成的BLE收发器支持蓝牙V4.1,擅长BLE-based设备连接到一个主机,但缺乏能够提供网络连接所需的大多数商业物联网应用程序。蓝牙V4.2概要文件提供了一个互联网协议支持IPv6 BLE传输层数据包交换,但祝福V4.2 ICs和相关软件为这些设备仍在开发的早期阶段,不太可能提供一个现成的选择更低功耗网络协议成立有一段时间了。
因此,设计师针对工业或商业物联网应用程序利用内部连通性选项基于IEEE 802.15.4。提供服务这个标准是无线网络协议的基础,如无线个域网和线程,可以使用6 lowpan标准网络协议来构建一个无线嵌入式Internet。设计师可以很容易找到这些协议的软件栈和其他内部从802.15.4芯片制造商和第三方提供服务。
直到最近,甚至设计师希望构建一个简单的温度传感物联网应用程序,例如,会很快遇到不同市场之间的连通性的二分法。目标消费者和工业市场和他们的应用程序中,设计师需要构建物联网设备的两个版本——一个BLE-based版本能够与消费者智能手机和一个802.15.4-based版本能够连接工业网络。多模收音机的出现提供了更灵活的解决方案,以解决不同的物联网应用程序市场。
统一的设计
使用德州仪器CC2650无线单片机,开发人员可以创建一个物联网设备设计能够解决不同的物联网连接需求。TI SimpleLink家族的一员,CC2650,特点是低功耗2.4 GHz收发器能够支持多个连接标准包括蓝牙智能、无线个域网,6 lowpan,ZigBee RF4CE遥控应用程序与TI-provided软件栈。同时,该设备提供了一种低功耗操作所需的物联网应用。单片机本身仅消耗61μA /兆赫和设备特性非常低功耗无线操作。马CC2650通常消耗大约6在积极接收方式和相同的活跃的传输方式(在0 dBm),同时提供统一的Tx输出功率在宽的温度和电压供应范围(图2)。
用于无线传感器应用中,CC2650集成了一个32位的ARM Cortex-M3,128 KB Flash,SRAM和多个外围设备包括一个低功耗传感器控制器。这个传感器控制器片上外设管理包括12位每秒200个ksamples模拟-数字转换器(ADC)八通道模拟多路复用器。它可以接口与外部传感器和自动收集模拟和数字数据系统的其余部分是在睡眠模式。
RF核心包括一个专用的ARM Cortex-M0处理器，它有一个4 KB的SRAM块，并从单独的ROM内存中运行。RF的内部处理器使RF核心能够自主地处理各种无线电协议的时间关键方面，卸载主CPU，为设计者的应用程序提供更多的资源。虽然部分的BLE和802.15.4协议被嵌入到芯片ROM中，但是CC2650的128kb的Flash不足以同时容纳多个协议的软件栈。事实上，TI注意到一个特定的软件构建一次只能支持一个无线协议。因此，设计人员可以使用相同的基于cc2650的设计来实现不同的、多个连接，但是需要重新构建软件系统以支持BLE或802.15.4的协议。
图:德州仪器CC2650无线单片机传输功率。
图2:德州仪器CC2650无线单片机的传输功率在不同的温度范围(左)和电源电压(右)都保持相对均匀，4×4的外部单端(4XS)和5×5的外微分(5XD)操作。
同时支持BLE和802.15.4的连通性对于低功耗的应用来说尤其有问题，这些应用仅限于小的形式因素和有限的电源。通常，这些问题迫使设计人员创建多个设备版本，并将目标应用于基于蓝牙的移动领域或基于802.15.4的网络领域。反过来，基于蓝牙的物联网设备不得不依靠网络连接的蓝牙主机间接连接到互联网。类似地，802.15.4基于IoT设备的IoT设备不得不依赖于用户移动设备的间接连接，通过一个中间蓝牙设备802.15.4网关。
同时连接
通过智能手机应用程序对网络连接物联网设备的更直接控制的期望，转化为对蓝牙移动设备和802.15.4网络同时连接的日益增长的需求。例如，用户将期望通过他们的智能手机直接与设备进行交互，即使同一设备与云进行整体的家庭管理服务通信，或者设备暂时失去其云连接。
对于这些设计，开发人员可以利用Freescale半导体KW40Z无线单片机来构建能够同时连接到BLE主机和802.15-4的网络的系统。MCU集成了2.4 GHz收发器，支持一系列FSK/GFSK和O-QPSK调制，而只需要6.5 mA (Rx)和8.4 mA (Tx)。除了收发器外，MCU还集成了节能的ARM Cortex-M0+ CPU、160kb闪存和20kb SRAM、BLE link层硬件、802.15.4包处理器、硬件安全以及16位ADC等许多其他模拟和数字外设。它具有更大的闪存块，集成了足够的芯片内存，可以同时运行一个BLE栈和一个IEEE 802.15.4 MAC/PHY，用于多模式连接需求的应用程序。
MCU提供了极长的电池寿命，这要感谢皮质- M0+核心的高效代码执行，以及设备的多种低功耗运行模式的可用性。一个芯片上的电源管理控制器(PMC)支持9种低功率模式以满足特定于应用程序的功率优化要求。例如，虽然核心是在它的各种停止模式之一，PMC允许射频无线电保持状态，并保持在低电流消费模式下的设备，以确保射频收音机能够迅速地唤醒足够的通信事务。
设计师希望创造低功耗多模设计与KW40Z可以把一组广泛的飞思卡尔资源,包括软件栈BLE主机和应用程序配置文件,IEEE 802.15.4-2011 MAC / PHY无线个域网专业和应用程序配置文件,和线程——一个基于ipv6协议建立在6 lowpan为安全IP网络设计的。
作为他们自己设计的起点，工程师可以利用Freescale FRDM-KW40Z开发工具包，它提供了一个完全的多模式解决方案，适合于IoT应用程序。FRDM-KW40Z有一个四层板，它结合了MKW40Z SoC和它的完整的所需射频电路，32 MHz参考振荡器晶体，和一个电源与DC/DC转换器提供的旁路，buck，和boost模式。
连同一份完整的材料清单，FRDM-KW40Z组件提供了详细的图表和参考布局——减少了对敏感的RF部分的设计或布局错误的机会。例如，RF设计(图3)包括一个外部的50:100 balun连接一个单端50 Ohm端口到MKW40Z SoC收发器的差分RF端口。参考板的布局包括一个“F”的印刷金属天线，它的设计是为了减少碳足迹和成本而不影响无线电性能。该设计还提供了可选的带外信号抑制(图3中的组件L4和C33)。
“凯利讯半导体”的图表(点击“全尺寸”)
图3:Freescale为KW40Z单片机提供了一套综合的资源，包括关键射频段的设计和布局，用于将MCU的差动双向射频端口通过一个balun和可选的信号抑制滤波器连接到一个“F”打印的金属天线。（凯利讯半导体）
结论
蓝牙低能量提供了优越的低功耗连接，但可使用的BLE设备仍然无法支持802.15.4的解决方案提供的网络选项。多模无线电设备的出现提供了一种灵活的方法来构建一个单一的设计，能够在基于基础的消费应用程序或802.15.4的商业/工业设计中运行。实际上，在Freescale Semiconductor KW40Z中，开发人员可以构建能够同时连接到BLE和802.15.4模式的物联网设计——提供一个有效的解决方案，用于构建不同的IoT应用程序，以支持与移动设备、其他物联网设备和云本身的并发连接。