双无线电连接：在物联网应用中实现两全其美

由 winniewei 提交于周三, 23 十二月 2020 - 11:46

意法半导体：Vishal Goyal

引言

据统计，物联网市场预计将从2020年的2480亿美元增长到2025年的1.6万亿美元。物联网设备的迅速崛起及其广泛的应用案例也大大增加了其设计的复杂程度和多功能。选用一种合适的互联通讯方案对任何一个物联网设备来讲都是至关重要的，但往往单独的一种互联方式无法满足其所有的功能需求。本文着重论述了将近程和远程通讯方式结合在一起使用的需求，以显著提高物联网设备的整体性能和多功能的特性。同时本文将重点聚焦在低功耗蓝牙(BLE)和Sigfox技术上，因为它们已被视为优化物联网产品技术架构的首选项。

物联网设备连接拓扑

物联网连接设备可大致分为三类：

1)    直接连接到远程基础设施的设备

GPRS、CDMA等技术使我们的智能手机或物联网设备可直接连接到电信塔。随着Sigfox、LoRa和NBIOT等LPWAN技术的出现，可在低功耗、低通讯速率及相近的距离内实现设备间的互联通讯。这些设备允许物联网连接设备漫游，而不必局限于特定位置。

2)    连接到本地网关并进而连接到远程基础设施的设备

通过无线技术（如WiFi）或有线技术（如LAN、IO-Link、PLC等）可将本地的物联网设备接入网关。借助该方法，可通过一个连接的网关将多个设备连接到云。通常，这些技术具有非常高的数据速率，并用于高带宽应用，如互联网浏览、在线视频或音频等。这种方法的优点是，您可以远程控制或监控家庭、办公室或工业设施中的多个设备。因此，它还用于物联网设备的许多控制应用中。但是，由于它们依赖于网关，因此不能像第一种方法那样随意移动。

3)    从本地连接到智能手机或彼此相连（通过或不通过互联网连接）的设备

蓝牙、Zigbee、Thread和超低功耗蓝牙[BLE]等技术可实现较短距离的点对点通信。在许多情况下，它们将手机作为云网关。近程通信的优势在于可独立工作，而对云网络无任何要求。

随着人机接口（HMI）的出现，可连接设备(如手机或笔记本电脑)通常提供多种连接方式，如低功耗蓝牙[BLE]，经典蓝牙，WIFI,GPRS等。但是，大多数的物联网设备通常是被设计用来完成某项特定的任务，所有往往只会选用上述三种方式中的其中一种通讯方式，这中设计思路也限制了这些设备的可用性，产品使用寿命和多用途的特性。

优化的双重连接

优化的架构结合了远程技术和近程技术，可成为物联网设备向广泛应用渗透的里程碑。远程连接允许与通信基础设施进行通信，甚至允许漫游。同一设备中的近程技术可实现独立的近程通信，以满足广泛的要求。

低功耗蓝牙[BLE]是一种难以置信的近程技术，可在多种使用场景中作为远程连接技术的补充。BLE可实现近程直接连接，而远程连接则可以为物联网设备提供云连接。 
BLE在物联网设备中实现的一些功能包括

-          用户界面

BLE连接设备可连接到智能手机应用，从而使用户能够以直观的方式与设备进行交互。这也可以减少设备所需的按钮数量或显示装置，从而使其更便宜、更轻便且防水或防尘。

-          可配置性

BLE还可用于配置设备，以使其以某种方式运行。允许在用户端进行配置，设备制造商无需在工厂定制产品。甚至可以为设备配置各种自定义功能，如根据佩戴位置工作的计步器、设置闹铃或切换LED等。甚至可以使用BLE配置工业产品（如LED驱动器），以适应消费者所需的LED配置类型

-          本地监控 
基于BLE的接口支持在无云连接的情况下直接监测传感器数据。这在需要快速本地响应的情况下尤其重要。它也可用于优化数据成本，因为用户可决定需要将哪些数据发送到云，以及需要在本地监控哪些数据

-          诊断

通常，当设备发生故障时，服务工程师需要打开设备或将电缆连接到设备，以便访问设备。这很复杂，并限制了设备的创造力和功能。例如，如果设备具有开放端口并可以通过螺钉轻松打开，则该设备可能不防水。在主系统发生故障且BLE接口启用的情况下，BLE接口便于无线访问设备。在许多情况下，BLE可能无法供用户使用，而只能出于诊断用途被激活。

-          固件升级 
固件升级功能允许在发货后更新设备固件。即使在设备发货后，这对于提供新功能和漏洞更新也很重要。通过固件升级，也可以根据用例配置设备功能。固件升级也是一种重要的诊断功能。

BLE可以与其他远程技术（如GPRS或LPWAN）相辅相成，以提供远程连接。Sigfox是一种重要的多用途低功耗远程技术。当BLE SOC驱动Sigfox无线电时，可在尽量不增加功耗、外形尺寸和价格的情况下实现广泛的新功能和用例。Sigfox是一种可提供全球云、远程连接且功耗极低的LPWAN技术。Sigfox设备可在全球范围内自由连接，而无需与网络运营商达成任何独立协议，也无漫游费用。

某些功能可通过在同一设备中实施远程技术来实现。我们来了解使用Sigfox所实现的功能。

-          远程监控

可使用Sigfox网络将传感器数据发送到云，而无需本地网关。设备可直接将数据上传到Sigfox运营商运营的Sigfox网关。这些网关可直接实现长达数公里的连接。

-          数据聚合

需要将煤气表、水表或其他传感器的数据汇总到云中，以便合并、计费或分析。通过Sigfox网络长期发送的数据可用于此目的。

-          跟踪和定位

跟踪和定位是使用最广泛的物联网设备用例之一。如果需要精确定位，则可通过Sigfox网络将GPS坐标发送到云端。许多用例（如车队监控）均接受几公里的精度。在这类用例中，Sigfox网络自身可使用三角测量法进行定位，而无需GPS信号。Sigfox引入了一种名为Monarch的新功能，以根据当地法规识别无线电服务并管理无线电频率变化。借助该功能，设备可跨国界漫游，并始终保持连接。

-          事件通知

当有人使用BLE解锁时，也需要使用独立网络将信息记录在云端。开门、超过传感器阈值、防盗警报、火警之类的事件同样需要独立于本地接口工作。配备正确的传感器、逻辑和Sigfox无线电的设备可轻松实现该目标。

-          诊断和协助

如果需要帮助或设备的某些部分出现故障，则物联网设备可通过Sigfox网络发出警报。Sigfox也允许发送下行消息，以便在诊断模式下配置设备并提供相关数据。

意法半导体推出了独特的解决方案，以便将BLE和Sigfox无线电合并成一种通用解决方案。双无线电通过Sigfox提供远程连接，并通过BLE提供智能手机连接。与Sigfox设备的智能手机连接支持用户界面[UI]、无线固件更新[FUOTA]、直接配置和控制。

STDES-MONARCH已通过Sigfox认证，并免费提供所有必要的设计文档和软件。该参考设计同时嵌入了BlueNRG-2低功耗BLE片上系统（SoC）和S2-LP窄带超低功耗sub-1GHz收发器。 
意法半导体的BlueNRG-2是一种经过超低功耗BLE 5.0认证的无线处理器，它支持与传感器无缝连接、Privacy 1.2、Secure Connection 4.2、数据长度扩展、8dBm的输出功率和与物联网

BLE Mesh连接支持通过物联网解决方案的Mesh网络连接多个BLE设备。通过引进Mesh解决方案，即使设备不在网络的直接范围内，也可以进行连接。

S2-LP是高性能超低功耗RF收发器，适用于sub-1GHz频段的RF无线应用。可将其编程为在413-479 MHz、452-527 MHz、826-958 MH、904-1055 MHz频段的sub-1GHz频率下运行。S2-LP支持不同的调制格式：2（G）FSK、4（G）FSK、OOK和ASK。S2-LP的远程通信RF链路预算高于140 dB，并符合世界各地（包括欧洲、日本、南亚、印度、中国和美国）适用法规的要求。

结论

随着物联网用例的发展，同一设备将需要更多连接选项。这将增强设备的可用性、多功能性和可靠性。BLE SoC驱动sub-1Ghz无线电组合预计将有良好的发展势头，因为它在不牺牲成本、功耗和外形尺寸的前提下实现了额外的连接。意法半导体在两种世界级的无线电技术中采用了该架构，并在客户中取得了巨大反响。

参考: https://www.statista.com/statistics/976313/global-iot-market-size/</spa…;