物聯(lián)網(wǎng)硬件開發(fā)，無線SoC該如何選？

物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)

如果說互聯(lián)網(wǎng)改變了我們的工作和交流方式，那么，物聯(lián)網(wǎng)則通過一次將多個設備連接到互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)了人與機器和機器與機器的交互。如今，物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)不僅在特定領域，在家庭自動化、車輛自動化、工廠自動化、醫(yī)療、零售、醫(yī)療保健等領域都有著廣泛的商業(yè)應用。

這種看起來無所不在的物聯(lián)網(wǎng)主要由四個組件構成，包括：傳感器/設備、連接、數(shù)據(jù)處理和用戶界面，涉及多個技術領域。今天，我們重點討論在物聯(lián)網(wǎng)中擔當智能設備連接任務的射頻技術。

為什么選擇無線SoC進行物聯(lián)網(wǎng)硬件開發(fā)？

物聯(lián)網(wǎng)是由多種技術實現(xiàn)的，射頻技術是必不可少的重要組件之一，比如可穿戴設備使用射頻模塊與智能手機和其他智能設備進行連接和通信；智能家居設備中使用Wi-Fi或藍牙將設備連接至互聯(lián)網(wǎng)；RFID技術在工業(yè)、供應鏈管理、智慧農(nóng)業(yè)和許多其他應用中是快速連接的首選；無線收發(fā)器與溫度、濕度和火災傳感器的集成模塊，更是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用中必不可少的組件。

在物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)過程中，設計人員常常為了尋找價格合理、高性能和高功能的RF器件而犯難。為了實現(xiàn)這一點，SoC方案與其他集成度較低的選項相比具有顯著優(yōu)勢。

例如，多芯片方案對應的材料清單可能需要廣泛的供應商采購，制造成本或?qū)⒏哂赟oC；為了確保所有組件都能準確無誤地一起工作，多芯片方案在研發(fā)階段將需要更多的調(diào)測時間，可能拉長產(chǎn)品進入市場所需的時間。

而基于SoC的方案從構思到設計、到完成制造要簡單得多，不僅縮短了產(chǎn)品的上市時間，低功耗特性對于電池供電的物聯(lián)網(wǎng)設備更是有極大的助力。

如何選擇用于物聯(lián)網(wǎng)的無線SoC？

將無線設備添加到物聯(lián)網(wǎng)設備中，大大增加了設備的復雜性。通常，物聯(lián)網(wǎng)設備需使用各種無線協(xié)議，包括Wi-Fi、BLE、Zigbee、Thread、Z-Wave和蜂窩。特定設備的無線通信協(xié)議的選擇取決于應用、尺寸、成本、功率和其他幾個因素。

藍牙低功耗（BLE）是一種用于家庭溫度傳感器的協(xié)議，功耗低，價格便宜，在典型的家庭環(huán)境中提供了必要的覆蓋范圍；NFC適合類似于非接觸式支付的應用，它具有極小的范圍和極低的吞吐量；對于包括安全攝像頭在內(nèi)的許多應用而言，Wi-Fi提供了所需的更高的數(shù)據(jù)吞吐量。很多情況下，我們需要的是一個能夠支持多個無線協(xié)議的RF組件。

那么，我們又將如何解決一臺物聯(lián)網(wǎng)設備必須支持多個協(xié)議這樣的需求呢？半導體廠商給出的答案是：無線SoC。因為無線SoC有三大優(yōu)勢：

1、尺寸更小

在物理上尺寸更小，集成更多的外設使得設備的總成本更低，非常有利于產(chǎn)品設計師設計出外形小巧、更具創(chuàng)新性的產(chǎn)品，這些優(yōu)勢幾乎適用于所有物聯(lián)網(wǎng)終端應用。

2、多協(xié)議集成

無線SoC為物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)人員提供了一個多協(xié)議集成方案，通過在內(nèi)部處理同一ISM頻帶上的多個協(xié)議之間的共存問題來簡化設計。

3、管理簡單

無線SoC消除了對多個設備RF設計的管理問題。

在為物聯(lián)網(wǎng)設備選擇無線SoC時，有許多重要的考慮因素。毫無疑問，對于物聯(lián)網(wǎng)應用，功耗一定是選擇無線SoC的非常重要因素之一。若想找到一個與應用非常貼合的無線SoC，除了功耗，下面這些因素也必須考慮，包括無線協(xié)議、性能、價格、尺寸、工具支持和易于集成等。

其中，應用和性能要求是決策的關鍵。比如，對于家庭溫度傳感等應用，BLE就是一種非常適用的協(xié)議，它功耗低，成本也比其他一些協(xié)議低，覆蓋范圍完全滿足典型的家庭環(huán)境需求。

NFC的吞吐量不大，數(shù)據(jù)傳輸距離較短，但對非接觸式支付等應用它就是合適的選擇。Wi-Fi是一種基于802.11 b/g/n 標準的無線局域網(wǎng)（LAN）協(xié)議，從用戶的角度來看，Wi-Fi是通過手機、平板電腦或筆記本電腦等具有無線功能的設備接入互聯(lián)網(wǎng)。大多數(shù)現(xiàn)代設備都支持Wi-Fi，使得Wi-Fi成為在固定位置無線通信的常用方式。因此，Wi-Fi是需要更高吞吐量的物聯(lián)網(wǎng)應用的首選，比如安全攝像頭。

什么樣的無線SoC會受到市場青睞？

下面我們就介紹幾款功能強大、應用廣泛、頗受市場好評的多協(xié)議無線SoC。??? Microchip PIC32CX-BZ2系列

針對無線照明、家居自動化、物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)自動化以及其他低功耗藍牙或Zigbee相關應用，Microchip公司推出了PIC32CX-BZ2系列，這是一款基于Arm Cortex M4F的無線SoC，除藍牙低功耗無線SoC功能外，還包括Zigbee協(xié)議棧和空中（OTA）更新功能。

該款SoC集成了經(jīng)全球法規(guī)認證的射頻支持模塊——藍牙低能耗（BLE）5.2和Zigbee 3.0，硬件功能還包括一個12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、多個控制用定時器/計數(shù)器（TCC）通道、一個板載加密引擎，以及一套用于觸摸、CAN、傳感器、顯示器和其他外設的接口。

BLE和Zigbee軟件堆棧建立在強大的MPLAB Harmony v3框架上，以確保無縫的多協(xié)議實現(xiàn)。集成MPLAB代碼配置器使開發(fā)人員能夠利用拖放式自動代碼生成技術快速開始PIC32CX-BZ2系列的原型設計。

圖1：PIC32CX-BZ2系列無線SoC（圖源：Mouser）

????Nordic nRF52832

對于需要高級BLE功能、協(xié)議并發(fā)性以及豐富多樣的外圍設備和功能之類的應用，Nordic公司的nRF52832無疑是一個非常出色的解決方案。這是一款通用多協(xié)議無線SoC，功能強大且高度靈活，通過使用復雜的片上自適應電源管理系統(tǒng)實現(xiàn)了異常低的能耗，非常適合用于BLE、ANT和2.4GHz超低功耗無線應用。nRF52832 SoC采用32位ARM Cortex-M4F CPU，內(nèi)有512kB閃存和64kB RAM。嵌入式2.4GHz收發(fā)器支持BLE、ANT和專有的2.4GHz協(xié)議棧。此外，nRF52832擁有的NFC-A標簽，可用于簡化配對和支付解決方案。

圖2：nRF52832是一款通用多協(xié)議無線SoC（圖源：Nordic semiconductor）

????Nordic?nRF58220

nRF58220是Nordic公司的另一款多協(xié)議無線SoC，它在小封裝中提供了USB和高級無線連接，適用于HID、智能家居、商業(yè)和工業(yè)應用。這款SoC有兩大特色：一是支持的無線通信非常豐富，2.4GHz多協(xié)議無線電功能齊全，包括所有BLE功能，以及藍牙Mesh、Thread和Zigbee Mesh協(xié)議，可提供高達+8dBm的輸出功率；二是添加了USB接口，可以與PC、平板電腦、智能手機和網(wǎng)關等一系列主機進行低延遲和高帶寬通信。

此外，nRF58220還添加了通過USB執(zhí)行設備固件更新（DFU）的選項，當連接到USB主機時，nRF58220可以由5V VBUS信號直接供電。nRF58220采用Arm Cortex-M4處理器，時鐘頻率為64MHz，有256KB閃存和32KB RAM，以及一系列模擬和數(shù)字接口，如模擬比較器、UART、SPI、TWI、QDEC以及USB。

圖3：提供USB和高級無線連接的nRF58220 SoC（圖源：Nordic semiconductor）

????NXP?88MW32X

對于家庭、企業(yè)和工業(yè)自動化的各種智能設備以及智能配件等應用，可以選擇NXP的88MW32X，這是一款高度集成的、支持802.11 b/g/n Wi-Fi雙頻微控制器SoC，只需很少的外部組件即可實現(xiàn)完整的系統(tǒng)運行。

目前該系列中已經(jīng)大量應用的88MW320/322 SoC，內(nèi)置的Arm Cortex-M4F CPU工作頻率高達200MHz，還支持集成的512KB SRAM、128KB掩模ROM和外部閃存的QSPI接口。帶有32KB SRAM緩存的集成閃存控制器支持閃存固件的就地執(zhí)行（XIP），實現(xiàn)了低系統(tǒng)成本和高WLAN協(xié)議處理。例如，SoC中的高度集成只需要一個3.3V的電源輸入、38.4MHz的晶體和SPI閃存，而RF路徑只需要用于天線連接的低通濾波器。

NXP經(jīng)過驗證和成熟的IEEE 802.11n/g/b技術更為SoC中的全功能WLAN子系統(tǒng)提供了助力。該WLAN子系統(tǒng)集成了WLAN MAC、基帶和直接轉(zhuǎn)換RF無線電，并集成了PA、LINA和發(fā)射/接收開關。它還將CPU子系統(tǒng)與集成存儲器集成，以運行NXP WLAN固件，處理實時WLAN協(xié)議處理，從而從主應用程序CPU卸載許多WLAN功能。

此外，88MW322 SoC包括一個高速USB On-The-Go（OTG）接口，用于支持USB音頻、視頻和其他應用。一套完整的數(shù)字和模擬接口實現(xiàn)了I/O的直接接口，并避免了對外部芯片的需要。應用程序CPU可以用于支持自定義應用程序開發(fā)，并且避免了對另一個微控制器或處理器的需要。高集成度和低功耗操作，使得88MW320/322成為低成本、高效率智能設備、電器和能源應用的理想解決方案。

圖4：NXP 88MW32X是一款支持802.11 b/g/n Wi-Fi雙頻微控制器SoC（圖源：NXP）

集成無線SoC有諸多優(yōu)勢，目前它的主要挑戰(zhàn)在于：設計者缺乏獨立優(yōu)化計算性能或無線性能的靈活性，而且無線SoC本身的功能是不變的，這是因為它不能像分立解決方案那樣可以單獨優(yōu)化產(chǎn)品的單個組件或某一個功能。

結(jié)語

物聯(lián)網(wǎng)為所有設備提供了一個轉(zhuǎn)儲數(shù)據(jù)的平臺，并為所有設備之間建立通信方式提供了一種通用語言。數(shù)據(jù)通過各種傳感器從設備發(fā)出，并安全地發(fā)送到物聯(lián)網(wǎng)平臺。Mckinsey在其研究報告中表示，物聯(lián)網(wǎng)的潛在價值巨大且始終保持不斷增長，據(jù)估計，到2030年，全球來自物聯(lián)網(wǎng)的收入可能高達12.5萬億美元，除去占比達到四分之一的工業(yè)應用，物聯(lián)網(wǎng)在人類健康環(huán)境中的經(jīng)濟影響可能達到總估計值的14%左右。

物聯(lián)網(wǎng)是一個龐大的互聯(lián)設備生態(tài)系統(tǒng)，它的發(fā)展為投資者、科技公司和工程師打開了一扇研究、分析和改進傳統(tǒng)系統(tǒng)的機會之門，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)楦悄?、?jié)能和安全的系統(tǒng)。RF技術使我們能夠輕松地將智能物聯(lián)網(wǎng)設備相互連接，而無需任何復雜的配置要求。

對于物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關或其他設備的設計，選擇一款合適的、完全滿足應用需求的無線SoC是很困難的。功耗、尺寸和成本只是需要仔細考慮的幾個變量。對于物聯(lián)網(wǎng)應用和網(wǎng)絡，SoC還需要支持豐富的無線協(xié)議，這將涉及到覆蓋范圍、延遲和吞吐量等因素。由于性能權衡取決于具體應用，因此還需要仔細評估關鍵設計要求，如電池壽命、計算能力和內(nèi)存資源以及占地面積等。

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