透過個人和廣域網路,在 IoT 應用中添加連線能力

作者:歐洲編輯群

資料提供者:Digi-Key 歐洲編輯群

沒有 RF 技術就無法造就 IoT。自十九世紀末起,電磁能量的調變、傳輸和接收技術已大幅演進;從微不足道的小技術發展成全球採用的強大技術。 此技術進展的最新成就就是 IoT。

有關 RF 技術用途的法規已出現明顯變化,但目前已經有許多免執照的解決方案影響著現代生活的每個層面。只要遵守特定的限制,任何人都能使用現成裝置享受無線電「網路」的服務,這也逐漸改變工業和商業的面貌。

雖然原則不變,但調變技術已大幅改變,對此,數位訊號處理技術的發展功不可沒。對於 IoT 導向之無線解決方案的需求,現在更促進個人和廣域網路技術的創新。使用無線技術也有所要求,必須符合區域性限制、觀察並回應安全威脅,並且確保在網路內保持相容性。若要解決這些問題,就必須深入瞭解矽晶層級的協定和協定的實作。

藍牙 5 的興起

在個人區域網路 (PAN) 方面,藍牙的豐富應用沒有任何單一技術可及,且隨著藍牙 5 的推出,藍牙勢必將更廣泛應用。最新版規格屬於重大升級,因為開始支援網狀網路,此拓撲允許裝置間直接連線,因此無需中樞。如此一來,藍牙 PAN 幾乎再也不會有規模以及裝置數量的限制,對 IoT 而言是一大優勢。

更多值得肯定的改善項目包括訊號範圍、酬載大小以及能耗,這些改善將可提升藍牙的適用性,進而增加適用裝置的數量。Dialog SemiconductorDA14586 是首款支援藍牙 5 的整合式裝置之一。此高度整合的 SoC 內建三個處理器:應用程式碼用的 ARM® Cortex®-M0、鏈路層專用的處理器,以及 AES 128 位元加密處理器。此外也整合了一個 2.4 GHz 無線電收發器,並可支援一個單線天線。

DA14586 等裝置非常適合穿戴式裝置,因為其尺寸小、整合度高且電力需求低。在此類應用中,天線可能會安裝在 PCB 上,以減少 BOM 並縮小系統整體覆蓋區。一般而言,這是理想的使用情境,但就像任何 RF 設計一樣,都必須採取特定的預防措施。

例如,裝置需要連接良好且堅固的接地面 (盡可能使用愈多通孔愈好),並保持小型的整體覆蓋區,藉此將高頻運作元件間的交叉耦合作用減到最小。要達到此目標最簡單的方法就是使用多層 PCB,這有助於實作最常見的倒 F 型天線 (IFA) 樣式。若是應用到藍牙鏈路,則可使用摺疊 IFA 樣式,與完整 IFA 不同的是,能將所需的 PCB 區域減半,但仍可提供可接受的頻寬。圖 1a 與 1b 分別顯示全尺寸和縮小尺寸的印刷 IFA,配置在 DG14586 所使用的多層 PCB 的最上層。

1 mm 基板上的全尺寸印刷 IFA 圖片

圖 1a:1 mm 基板上的全尺寸印刷 IFA。

1 mm 基板上的縮小尺寸印刷 IFA 圖片

圖 1b:1 mm 基板上的縮小尺寸印刷 IFA。

有一點很重要:配對的網路將視使用的基板和整體 PCB 厚度而定。當然,天線也必須與各種型式的干擾源保持足夠距離,一般會建議在天線四周維持 5 mm 的水平和垂直間隙,並避免在外殼中使用金屬材質。

若是使用 DA14586,則可將天線配置在單層 PCB 上,但在沒有連續接地面的情況下,IFA 設計則通常會以印刷偶極天線取代。不過,這種做法需使用平衡不平衡轉換器,因此會增加成本。

多協定解決方案

雖然藍牙的應用廣泛,但並非 IoT 用的唯一無線通訊協定。任何單一協定幾乎無法滿足所有應用的需求,因此多種協定共存於 2.4 GHz ISM 頻段的需求還會持續一陣子。

在認知此前提下,有些製造商推出可在相同裝置內實作多種無線協定的裝置,讓製造商和消費者享有最大彈性。Silicon LabsMighty Gecko 多重通訊協定無線 SoC 系列就是主要例子之一。

EFR32MG12 採用高效能 ARM Cortex-M4 搭配 DSP 擴充項目,可支援 ZigBee、Thread、藍牙 5 和專用通訊協定。此外也整合了一系列 IoT 應用的 Silicon Labs 周邊裝置,例如低功耗感測器介面 (LESENSE) 和多通道電容式感測介面 (CSEN)。圖 2 顯示全整合且靈活的無線電收發器,其中包含一個晶片上平衡不平衡轉換器。RFSENSE 區塊允許裝置在接收到 RF 訊號時喚醒,並對訊號自主解調 (無需喚醒 MCU)。此特點能讓以電池或採集能量供電的應用達到最大使用壽命。

Silicon Labs EFR32MG12 的全整合式無線電收發器示意圖

圖 2:EFR32MG12 的全整合式無線電收發器。

EFR32 系列非常適合從陽光、熱或振動等再生能源採集能量的應用。EFR32 甚至能從工業應用中的 4 至 20 mA 電流迴路所採集的能源進行運作。圖 3 說明 EFR32 的低功率運作如何讓裝置用採集能源操作。

低功率模式促成 IoT 應用示意圖

圖 3:低功率模式促成僅以採集能源操作的 IoT 應用。

能效管理在能源採集應用中非常重要,包括儲存所有未立即使用的能量。可採用的能量庫包括電解電容、超級電容或小型可充電式電池等。由於啟動時會產生電流突波,因此可能必須納入方法,禁止 SoC 在能量庫充分充電前啟動。圖 4 顯示此類壓控電源開關如何實作的概念圖。應在開關設計中納入磁滯,以免在啟動期間,若電壓位準降至欠壓位準以下時 MCU 發生關斷。

壓控式電源開關實作示意圖。

圖 4:壓控式電源開關實作。

值得注意的是,EFM32 系列的能源模式 4 需要重置,因此在能源採集設計中應小心使用。Silicon Labs 建議,在可行時使用 EM1 至 EM3 睡眠模式。

低功率 WAN

無線通訊不僅只有 PAN,也可在無線 WAN 上實作 IoT 應用,在更長的距離提供通訊能力。目前有不少低功率廣域網路技術可用於電池供電式應用,例如 LoRaWAN、Weightless、Sigfox,甚至是 LTE。

在訊號範圍方面,Sigfox 以長達 1000 km 的直視距離最令人印象深刻。此技術達到此優勢的原因在於,採用在專用網路上操作的超窄頻無線電技術,以及不需在傳輸前建立連線的簡易通訊協定。

低功率 WAN 在實作上與 PAN 不同,但進行連線並不困難。舉例而言,MicrochipATA8520D 是用於 Sigfox 網路的單晶片收發器。圖 5 展示了一項應用實例。

Microchip 的 ATA8520D Sigfox 收發器圖片

圖 5:ATA8520D Sigfox 收發器的用途範例。

雖然已經內建執行 Sigfox 通訊協定和驅動整合式 RF 前端元件所需的全部韌體,並且在裝置的 CPU 上執行,但仍需由主機處理器透過 SPI 發起對發射和接收功能的控制。

此裝置被主機處理器「喚醒」前仍會維持關機狀態,在 25°C 下的典型耗電量少於 5 nA。在典型應用中,TX/RX 週期從喚醒開始,接著執行一連串指令:取得狀態;寫入 TX 緩衝區;傳送/接收訊框;取得狀態;讀取 RX 緩衝區。在讀取指令之後,也可透過 SPI 傳送關機指令,讓裝置進入省電模式。

結論

IoT 將透過無線技術獲得強大威力,但不太可能由單一解決方案獨佔市場。目前有單晶片裝置可實作一系列多重無線通訊協定,正好證實規格的分化不會成為 IoT 拓展的阻力。

實作無線連線能力的成本逐漸降低,設計的複雜度也是如此。在低功率解決方案中開發嵌入通訊協定堆疊、RF 前端並搭配強大 MCU 的全整合式 SoC,將可在未來促使更多裝置連線。

但要為特定應用選擇適合的無線通訊協定,可能會變得更加困難。隨著功能重疊的情況增加,通訊協定的選擇差異將變得不明顯,而且可能變得較無關緊要。只要努力打造多重通訊協定裝置,就可在問題出現時儘快解決。

有件事相當明確。PAN 和 WAN 層級的無線連線越來越廣泛,將可為各個垂直領域帶來更顯著的靈活性、控制能力以及整體功能性。

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