使用模塊化平臺實現高能效物聯網設備

安森美半導體，美國

一、前言

物聯網（IoT）的發展正在獲得實質性的推動力，新型傳感技術的研發和新的通信協議的出現有助于推動IoT的發展。IoT的多學科特性使其需要更為廣泛的技術能力，資源或經驗有限的用戶在將設備連接到云服務時可能會遇到挑戰。而要確保IoT能夠更快地應用于不同的垂直市場，電池使用壽命或設備獨立性則是另一個挑戰。

用于數據采集或者動作執行的IoT節點位于網絡邊緣，通常采用電池供電。頻繁更換電池不切實際，也使維護成本提高，影響了許多IoT應用的實現，這一問題對于部署在遠程位置的節點尤為嚴重。

對于IoT的潛在用戶和方案提供商，掌握能夠保證高效工作的互連技術至關重要，如低功耗藍牙技術（Bluetooth?Low Energy，BLE）或低功耗廣域網（Low Power Wide Area Network，LWAN）技術。此外，創新性的免電池傳感器的研發也很有意義，它消除了用戶在電池壽命方面的顧慮，產品無需維護，且能對難以進入的區域進行監測。

二、低功耗藍牙技術

BLE技術是智能家居、樓宇自動化、智能零售、數字健康等IoT垂直領域應用最為廣泛的通信協議之一。幾乎每一部智能手機和平板電腦都可用藍牙，加之協議的功能增強，非常適用于IoT網絡邊緣。

BLE引入了傳輸小數據包然后進入睡眠模式的理念，大大降低了整體功耗。這種工作模式非常適于傳感器節點，因為在傳感器節點中不需要恒定的數據流。由于采用了無連接模式、更寬通道、更短數據包和更簡單的堆棧，BLE得以優化以提高能效。為了進一步支持IoT模式，在BLE規范中增加了新的網絡拓撲，如廣播、網格和更強大的安全功能，包括“中間人”保護和AES-128加密。

BLE規范最近的更新是Bluetooth 5，在提供IoT相關的功能和性能方面又有重大進步。Bluetooth 5將峰值帶寬增加到2Mbps，通訊距離擴展了4倍，理論上可以達到300m。尤其重要的是，針對IoT應用Bluetooth 5可配置為網狀網絡，無需中央集線器——這顯著地增加了潛在覆蓋范圍并使網絡更具靈活性。

安森美半導體的RSL10[1]是一款 Bluetooth 5多協議系統單芯片（SoC）（圖1），具有業界最低的休眠和接收功耗（RSL10在深度睡眠模式下、電壓1.25V時消耗的電流為50nA，在0dBm時的傳輸（Tx）和接收（Rx）峰值分別為8.9mA和5.6mA），非常適用于BLE電池供電的應用。RSL10已獲得嵌入式系統行業標準基準ULPMAX?[2]驗證，得分超過1000分（得分越高，功耗越低）。RSL10的CortX-M3核與32位低功耗DSP核、寬輸入電壓范圍、嵌入式閃存和超微型尺寸為用戶的設計提供了極大的靈活性。

三、智能無源傳感器技術

安森美半導體的智能無源傳感器（Smart Passive Sensor，SPS）擴展了超低功耗工作的概念和便利性，無論是數據傳輸還是提供能量都是基于無線模式下的（圖2）。

SPS“標簽”[3]（圖3）可以監測環境參數，如溫度、壓力和濕度，這是許多IoT應用的關鍵參數。“標簽”內含一個超薄集成電路，用于電源管理、RF連接和傳感，無需另外的微控制器。“標簽”從超高頻RF傳輸中獲取能量，因此只需將RF讀卡器靠近就可以使它們正常工作。

SPS“標簽”體積小、成本低，能進入以往難以進入的區域完成測量，所以在IoT的創新應用上極具潛力，它們特別適用于難以更換電池的領域，如嵌入墻壁或地板。

SPS“標簽”用于與病人接觸的醫療應用中是完全安全的；它們的低成本使其可用于大批量一次性應用，如用于監測運輸中的食物；無需電池這一事實既節省了成本，也避免了與電池處理有關的任何環境問題。

四、IoT開發平臺

目前已加入IoT概念的各行業正在實現能效提高、成本降低和收入增長。然而，許多看到IoT潛在利益的企業仍在觀望，這在一定程度上是由于學習曲線陡峭，一個可行的IoT方案所涉及的技術范圍很大。

雖然特定的挑戰將取決于不同的應用，但無外乎選擇正確的連接、傳感、驅動、電源管理、云服務及數據安全方案，所以提供一個平臺允許用戶通過快速嘗試各種配置以達到各種功能塊的最佳選擇、滿足應用目標是必不可少的。

從本質上講，IoT是靈活的，任何成功的開發工具都必須與這種靈活性相匹配，使工程師能夠在一個單一的、集成的開發環境（Integrated Development Environment，IDE）中定制自己的設計、融合軟硬件以滿足應用需求。

安森美半導體的IoT開發套件（IoT Development Kit，IDK）[4]（圖4）就是這樣一款極其靈活的模塊化、節點-云的快速原型平臺，使一些IoT用例的開發更為簡化。IDK提供多種連接、傳感和驅動選項，使用戶可以根據需要靈活地定制方案。這套綜合工具箱使“設備-云”應用程序能夠開箱即用，包括一個IDE、多個云互聯選項以及40多個客戶可以構建的用例。

IDK的主處理器是NCS 36510，這是一款低功耗、全集成的系統單芯片，包括強大的32位ARM Cortex-M3處理器以及相關的存儲器和外設。

主基板連接一系列的子卡（‘屏蔽板’）以擴展功能。互連方面，可根據各種無線和有線通信協議選擇子卡，如BLE、Wi-Fi、802.15.4（ZigBee、Thread）、SigFox、CAN總線和以太網等。傳感器方面，有包含溫度、運動、濕度、環境光、壓力和生物傳感器的子卡。此外，還可通過步進、無刷電機驅動器和LED驅動器屏蔽板添加執行功能。

SPS屏蔽板進一步提高了IDK的價值，允許從免電池的無線傳感器獲取數據，使網絡邊緣的溫度、濕度和壓力測量變得非常方便。最近，隨著新的多傳感器屏蔽板和移動app的推出，這款IDK的功能也得到了進一步擴展。新的屏蔽板與之前推出的IDK屏蔽板相結合，可實現一些IoT應用的快速原型化，以支持設計快速從概念轉向生產，包括聯網健康、工業可穿戴設備、智能家居設備、資產追蹤等。

五、總結

IoT為企業提供了巨大的商業機會，以擴大其產品的價值和能力。但是將不熟悉的技術納入IoT應用，其技術的廣度對于企業來說可能非常具有挑戰性，特別是對市場新人來說。

開發套件和工具可以提供一個無限擴展的、高度靈活的開發生態系統，這對新開發人員和經驗豐富的設計人員都有好處。諸如IDK這樣的套件，通過將許多先進的低功耗技術（包括BLE和SPS）整合到一個直觀的“封裝”中，可以提供一種無風險的方式，從節點到云，快速開發物聯網解決方案的硬件和軟件方面。

安森美半導體致力于提供低功耗感測、電源管理、控制和互聯解決方案。綜合性端到端開發套件，結合低功耗組合，幫助客戶快速原型制作相關物聯網用例，減少上市時間和推出長電池壽命的產品。