使用模塊化平臺實現高能效IoT設備

Pavan Mulabagal

引 言

物聯網(IoT)的部署正在獲得實質的動力，感測方面新的技術進展和新興的通信協議將有助于推動IoT的發展。IoT的多學科特性需要一系列廣泛的能力，資源或經驗有限的組織在將設備連接到云方面可能會遇到挑戰。當涉及到確保在不同的垂直市場更快地采用IoT，電池使用壽命或設備獨立性是另一個挑戰。

在網絡邊緣進行數據采集和/或執行活動的IoT節點通常是電池供電的。頻繁更換電池的不切實際和維護成本是開啟許多物聯網應用的障礙。部署在遠程位置的節點進一步加劇了這一問題。

對于物聯網的潛在用戶和方案提供商，掌握提供高能效工作的互連技術,如藍牙低功耗(BLE)或低功耗廣域網(LWAN)技術至關重要。此外，創新的免電池傳感器，如安森美半導體的智能無源傳感器(SPS)，通過采集超高頻(UHF)射頻(RF)能量來工作，消除了對電池使用壽命管理的任何顧慮。它們無需維護，還能對難以進入的區域進行監測.

藍牙低功耗生態系統

藍牙低功耗(BLE)技術是智能家居、樓宇自動化、智能零售、數字健康等IoT垂直領域最受歡迎的通信協議之一。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，非常適合用在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。BLE采用無連接模式，更寬通道，更短數據包和更簡單的堆棧，優化以提供高能效。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。

最近的更新——藍牙5,是在提供與IoT相關的功能和性能方面的又一重大進步。藍牙5將峰值帶寬增加到2 Mbps，并擴展了4倍的范圍，達到了300米的理論數字。對于IoT應用而言，特別重要的是藍牙5能被配置為網狀網絡，而不需要中央集線器——這顯著地增加了潛在覆蓋范圍并使網絡更具靈活性。

安森美半導體的多協議藍牙5認證的SoC RSL10具有業界最低的睡眠和接收功耗，非常適用于電池供電的應用。RSL10還獲ULPMAX驗證，獲得超過1000分的可觀成績(得分越高，功耗越低)。ULPMAX是嵌入式系統的行業標準基準(https://www.eembc.org/ulpmark/index.php)。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提供了極大的設計靈活性。

智能無源傳感器開辟IoT的機會

安森美半導體的SPS技術擴展超低功耗工作的概念和便利性，是完全無線的,既可用于數據傳輸，也提供運行所需的極小功率。

圖1 SPS技術是完全無需電池和無線的

如圖2所示，SPS“標簽”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。它們含一個超薄的集成電路(IC)，管理電源、RF互聯和感測，無需微控制器。這些器件從UHF RF傳輸中采集能量，因此只需將RF讀取器靠近，就可以使它們正常工作。

由于小體積、低成本的SPS標簽有革新IoT的潛力，能在以前難以進入的區域感測，它們特別適用于難以更換電池的領域，如嵌入墻壁或地板。

圖2 SPS技術實現了一種全新的IoT感測方法

SPS標簽用于病人接觸醫療應用中是完全安全的，它們的低成本使其可用于大批的一次性應用，如用于監測運輸中的食物。在一次性應用中，SPS標簽不需要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。

助力IoT開發

圖3 安森美半導體的IDK采用通用的模塊化方法

含IoT概念的各垂直行業在不斷提高能效、節約成本和增加收入。然而，許多看到IoT潛在好處的組織仍在觀望。這部分原因是由于陡峭的學習曲線，因為提供可行的IoT方案所涉及的技術范圍很大。

雖然特定的挑戰將取決于應用，但它們可能涉及選擇正確的互聯、感測、驅動、電源管理和云服務及數據安全方案。能提供快速嘗試各種選項的平臺對于達到各種功能塊的最佳選擇以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，使工程師能夠定制自己的設計和結合軟硬件，以在單個集成開發環境(IDE)中滿足應用需求。

安森美半導體屢獲殊榮的模塊化的、節點到云的快速原型平臺IoT開發套件(IDK)是極其靈活的，支持一些IoT用例的更簡單的開發。IDK提供多種連接、感測和致動選項，為用戶提供根據行業垂直需求定制方案的靈活性。全面的套件支持“設備到云”的應用開箱即用，包括一個IDE、多個云互聯選項以及客戶可利用的40多個用例。

IDK的主要處理器件是安森美半導體的NCS 36510，這是一款低功耗、全集成的系統單芯片(SoC)，包括強大的32位ARM Cortex-M3處理器以及相關的存儲器和外設。

主基板連接到一系列廣泛的子卡(“屏蔽板”)，以擴展功能?；ヂ摲矫妫こ處熆舍槍LE、Wi-Fi、802.15.4(ZigBee、Thread)、SigFox、CAN總線和以太網等各種無線和有線通信協議選擇子卡。傳感器方面，有含溫度、運動、濕度、環境光、壓力和生物傳感器的子卡。此外，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，支持免電池的無線傳感器獲取數據，以能夠很方便地在網絡邊緣測量溫度、濕度和壓力。最近推出新的多傳感器屏蔽板和移動應用程序使該套件得以擴展。新的屏蔽板結合先前推出的IDK屏蔽板，可實現一些IoT應用的快速原型制作，包括互聯的健康、工業可穿戴設備、智能家居設備、資產追蹤等。

安森美半導體現可提供完整的IDK屏蔽文件，包括設計圖、PCB布板和Gerber文件，以支持設計快速從概念轉向生產。

總 結

IoT為組織提供了一個巨大的機會，以擴大其產品的價值和能力。將有時不熟悉的技術納入IoT成功實施的廣度可能通常具有挑戰性，特別是對市場新進入者來說。

開發套件和工具可提供無限可擴展的、高度靈活的開發生態系統，使新的和有經驗的設計師都受益。諸如IDK這樣的套件，通過將包括BLE和SPS在內的許多先進的低功耗技術集成到一個直觀的“封裝”中，可以提供一種無風險的方式，以從節點到云快速開發物聯網方案的硬件和軟件方面。