IoT無(wú)線連接的技術(shù)方案與未來(lái)趨勢(shì)

作者 / 王瑩 毛爍 《電子產(chǎn)品世界》記者

摘要：無(wú)線產(chǎn)品越來(lái)越趨于多樣化，器件不斷創(chuàng)新出更多功能。為此，《電子產(chǎn)品世界》特邀請(qǐng)業(yè)內(nèi)部分代表廠商就無(wú)線連接現(xiàn)有技術(shù)和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)方面進(jìn)行了深入探討。

無(wú)線芯片

中興微電子：獨(dú)立無(wú)線芯片的未來(lái)趨勢(shì)

　　藍(lán)牙，LoRa, NB-IoT, zigbee/ 802.15.4，sigfox，eMTC等不同的無(wú)線短距離通信技術(shù)，由于其各自技術(shù)特點(diǎn)的不同，導(dǎo)致他們?cè)诓煌膽?yīng)用場(chǎng)景中，有各自的優(yōu)勢(shì)，當(dāng)然也有交叉的使用場(chǎng)景。大家在各自的優(yōu)勢(shì)領(lǐng)域扮演重要角色，不存在誰(shuí)全部替代誰(shuí)的問(wèn)題，長(zhǎng)期看，應(yīng)該是一個(gè)共存的狀態(tài)。

　　其中，NB-IoT是一種遠(yuǎn)距離無(wú)線通信技術(shù)，這種技術(shù)在水氣表、煙感等場(chǎng)景中，和LoRa技術(shù)有較大重疊的市場(chǎng)。但是，LoRa技術(shù)被企業(yè)獨(dú)家壟斷、基站維護(hù)成本高、工作在非授權(quán)頻段、演進(jìn)困難等等困難，但是NB-IoT技術(shù)開(kāi)放，多家芯片廠家加入，形成競(jìng)爭(zhēng)并且形成了終端芯片、模組廠家、終端廠家完整的產(chǎn)業(yè)鏈。NB作為5G的演進(jìn)技術(shù)，必將在不久的將來(lái)，成為最重要的一種通信技術(shù)。

　　市面上的無(wú)線解決方案中，有些是獨(dú)立的無(wú)線芯片，有些是集成到MCU中，有的是做成模塊，其中，獨(dú)立或整合的好處是什么?

　　對(duì)于無(wú)線芯片，其獨(dú)立的好處是，無(wú)線芯片作為模組提供，僅僅提供通信功能，可以隨時(shí)更換。有利于廠家選擇更優(yōu)的無(wú)線芯片，也有利于芯片的優(yōu)勝劣汰，但是這一般是無(wú)線芯片發(fā)展早期的狀態(tài)，隨著技術(shù)的發(fā)展會(huì)越來(lái)越成熟，最終技術(shù)都會(huì)趨于穩(wěn)定。在穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，成本的需求會(huì)越來(lái)越重要，最終就會(huì)走向集成MCU的整體方案，整體方案的好處首先是成本的下降，另外，整體解決方案使解決方案更加簡(jiǎn)單。

　　各項(xiàng)功能在芯片層面的集成化，是一個(gè)趨勢(shì)，這個(gè)從現(xiàn)有的行業(yè)發(fā)展規(guī)律可以看出來(lái)。水氣表和煙感的MCU不斷集成外圍功能，最早的智能機(jī)也是AP+CP的方案到SoC方案的演進(jìn)。所以，未來(lái)，獨(dú)立無(wú)線芯片集成到MCU中是個(gè)確定的事情。

　　中興在NB-IoT終端芯片解決方案上，一直在安全和OpenCPU方案上走在世界的前列。

　　中興的朱雀7100 NB-IoT終端芯片使用了中天微(注：已被阿里收購(gòu)，又整合成平頭哥半導(dǎo)體)的CK802核，自帶TEE功能，支持安全啟動(dòng)、版本數(shù)字簽名、安全運(yùn)行、安全隔離區(qū)、提供芯片級(jí)的硬件加減密算AES/HASH/RSA等?；赥EE，中興聯(lián)合阿里、中天微、果通科技做了TEE eSIM方案，簡(jiǎn)稱SiT(SIM in TEE)。該方案具有低成本、高安全的特點(diǎn)，解決了Soft SIM不夠安全的缺點(diǎn)。同時(shí)，基于TEE，實(shí)現(xiàn)了整套的云接入安全方案，通過(guò)預(yù)先分配的密鑰，在產(chǎn)線燒錄，不可修改，保證接入終端的云是合法的。

　　基于未來(lái)通信功能集成到MCU的趨勢(shì)判斷，中興已提前開(kāi)始布局。在OpenCPU方案上，中興在煙感上已有案例在商用，水氣表的OpenCPU方案也在進(jìn)行中。

Dialog：無(wú)線低功耗元器件和專有安防機(jī)制

　　在過(guò)去的幾年里，無(wú)線連接和物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域經(jīng)歷了巨大而迅速的變化?？纱┐髟O(shè)備的大規(guī)模使用，新的藍(lán)牙mesh協(xié)議推出，智能家居、智能辦公室和智能汽車功能的部署 - 從燈泡到恒溫器再到輪胎等各種應(yīng)用。世界正以前所未有的速度進(jìn)行互連 – Dialog就活躍在技術(shù)最前線，為他們客戶的產(chǎn)品提供互連解決方案。

　　Dialog提供一系列藍(lán)牙低功耗器件，以滿足市場(chǎng)上的各種應(yīng)用需求。由于很多應(yīng)用都采用電池供電，因此Dialog將很多重心放在降低器件的功耗上，這是Dialog產(chǎn)品的關(guān)鍵差異化特性之一。

　　此外，Dialog在理解最終客戶的應(yīng)用上投入了大量精力，并確保Dialog的芯片產(chǎn)品能提供盡可能多的必要功能，例如將外部元件數(shù)量減到最少，從而降低終端產(chǎn)品的成本。

　　隨著需要連接的設(shè)備數(shù)量增加，有各種方法可以嘗試并減少可用帶寬的壓力。基礎(chǔ)設(shè)施將在很大程度上取決于應(yīng)用的需求，并根據(jù)后者的需求進(jìn)行定制。

　　從Dialog的角度來(lái)看，作為藍(lán)牙低功耗元件制造商，Dialog與藍(lán)牙協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)制定機(jī)構(gòu) - 藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟(Bluetooth SIG)緊密合作，以盡可能地減少傳輸數(shù)據(jù)所需的時(shí)間。通過(guò)這樣做，Dialog減少了設(shè)備占用帶寬的時(shí)間。這還可以帶來(lái)另一層好處，即允許其他設(shè)備在帶寬空載期間運(yùn)行。

　　Dialog還部署了先進(jìn)的共存接口，使Dialog的器件能夠與同一系統(tǒng)中的其他相似無(wú)線電協(xié)調(diào)其活動(dòng)。比如說(shuō)，在Dialog的SmartBond?藍(lán)牙低功耗芯片旁有一個(gè)Wi-Fi無(wú)線電，通過(guò)使用Dialog的共存接口，應(yīng)用將可以協(xié)調(diào)在這兩個(gè)無(wú)線電上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，達(dá)到干擾最小，甚至無(wú)干擾。

　　Dialog相信市場(chǎng)最有可能使用的協(xié)議是藍(lán)牙、Wi-Fi、4/5G和NB-IoT。這些協(xié)議都具有一個(gè)優(yōu)勢(shì)，就是它們都能為智能手機(jī)和平板電腦等智能設(shè)備所采用，這使它們無(wú)處不在。

　　此外，盡管這些標(biāo)準(zhǔn)在應(yīng)用中的部署存在一些重疊，但它們都有各自的強(qiáng)項(xiàng)和弱項(xiàng)，使它們既適用于特定應(yīng)用，又能夠相互補(bǔ)充。藍(lán)牙和Wi-Fi在短到中等距離內(nèi)運(yùn)行。前者涵蓋低功耗、低數(shù)據(jù)速率應(yīng)用，Wi-Fi擴(kuò)展到需要更高數(shù)據(jù)速率的應(yīng)用。4/5G和NB-IoT分別針對(duì)遠(yuǎn)距離、高數(shù)據(jù)速率應(yīng)用，和遠(yuǎn)距離、低數(shù)據(jù)速率應(yīng)用。

　　由于這種互補(bǔ)性，這些標(biāo)準(zhǔn)將在相應(yīng)的應(yīng)用中共存和繁榮。

　　根據(jù)威脅級(jí)別，多種安全機(jī)制正被集成到設(shè)備中，以滿足應(yīng)用的安全需求。

　　Dialog最新的SmartBond器件集成了一系列硬件安全模塊，有助于客戶檢查設(shè)備上正在執(zhí)行的軟件的安全性，然后在應(yīng)用程序?qū)訉?duì)數(shù)據(jù)通信加密，實(shí)現(xiàn)端到端的加密，同時(shí)在鏈路層符合藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)安全規(guī)范。

　　此外，Dialog的器件具有專用機(jī)制來(lái)進(jìn)行安全密鑰的存儲(chǔ)和處理，確保黑客無(wú)法從設(shè)備盜取安全密鑰。

　　有了所有這些安全措施后，還有一件事至關(guān)重要：那就是，Dialog的客戶和終端用戶實(shí)際上會(huì)使用這些工具，來(lái)確保他們的數(shù)據(jù)安全。再好的安全措施，如果沒(méi)有啟用并正確使用，那也是毫無(wú)價(jià)值的。

　　隨著越來(lái)越多的設(shè)備實(shí)現(xiàn)無(wú)線連接，需要解決兩個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)才能繼續(xù)擴(kuò)展。

　　第一個(gè)挑戰(zhàn)源于這樣一個(gè)事實(shí)，即企業(yè)希望將無(wú)線連接擴(kuò)展到成本結(jié)構(gòu)很緊湊的產(chǎn)品和設(shè)備中。如何為只使用一個(gè)月或一周的產(chǎn)品(即一次性用品)添加無(wú)線連接功能?為了實(shí)現(xiàn)這些應(yīng)用的連接功能，需要權(quán)衡這些產(chǎn)品的總體系統(tǒng)成本，并通過(guò)創(chuàng)新找到方法，將無(wú)線連接成本降低到像藍(lán)牙低功耗這樣的協(xié)議以前無(wú)法想象的低水平。

　　第二個(gè)挑戰(zhàn)涉及為數(shù)十億連接設(shè)備供電所需的電量。鑒于絕大多數(shù)設(shè)備多數(shù)時(shí)間不會(huì)連接著主電源，因此需要開(kāi)發(fā)出創(chuàng)造性的解決方案，使設(shè)備能夠以越來(lái)越少的電量運(yùn)行，從而使能量采集電源解決方案在藍(lán)牙低功耗應(yīng)用中成為現(xiàn)實(shí)。

　　Dialog公司非常重視這些挑戰(zhàn)，已經(jīng)在提供低功耗的藍(lán)牙低功耗芯片，并且在持續(xù)投資技術(shù)創(chuàng)新，以進(jìn)一步推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步，解決挑戰(zhàn)，助力實(shí)現(xiàn)具有數(shù)百億臺(tái)無(wú)線連接設(shè)備的未來(lái)。

Nordic：超低功耗無(wú)線通信領(lǐng)域

　　Nordic一直專注在超低功耗無(wú)線(ULP Wireless)通信領(lǐng)域，最開(kāi)始Nordic公司做的是低功耗的2.4GHz，該協(xié)議被無(wú)線鼠標(biāo)和鍵盤廣泛采用，獲得了巨大的成功。經(jīng)過(guò)多方和多年的努力，該協(xié)議最終演變?yōu)榇蠹沂熘牡凸乃{(lán)牙，所以說(shuō)Nordic是低功耗藍(lán)牙協(xié)議的重要貢獻(xiàn)者。Nordic舉全公司之力，深耕低功耗藍(lán)牙領(lǐng)域，為用戶打造低功耗藍(lán)牙整體解決方案，大大降低了低功耗藍(lán)牙的開(kāi)發(fā)門檻。

　　低功耗藍(lán)牙主要應(yīng)用場(chǎng)景為一對(duì)一或者一對(duì)多短距離無(wú)線通信場(chǎng)合，隨著物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來(lái)，更多的低功耗無(wú)線通信場(chǎng)景被發(fā)掘。比如智能家居，這是一個(gè)典型的低功耗多對(duì)多通信場(chǎng)景，即mesh組網(wǎng)應(yīng)用，而802.15.4目前在智能家居市場(chǎng)占據(jù)了一個(gè)主導(dǎo)位置，其與低功耗藍(lán)牙有很強(qiáng)的互補(bǔ)性，而且802.15.4對(duì)低功耗要求也是很高的，而低功耗無(wú)線正是Nordic一貫的優(yōu)勢(shì)和戰(zhàn)略，所以Nordic公司進(jìn)入了802.15.4領(lǐng)域。基于802.15.4，Nordic推出了Thread和ZigBee兩種解決方案。Thread支持IPv6，具有自動(dòng)恢復(fù)、高可靠性、低延時(shí)等特點(diǎn)，是智能家居理想的解決方案之一。ZigBee是一種典型的Mesh解決方案，技術(shù)成熟，市場(chǎng)接受度高，生態(tài)系統(tǒng)也比較齊全。

　　低功耗藍(lán)牙和802.15.4都是低功耗短距離無(wú)線通信協(xié)議，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用還有很多低功耗長(zhǎng)距離無(wú)線通信需求，比如共享單車、水表燃?xì)獗怼⒅腔鄢鞘泄芾?、物流追蹤等，目前看起?lái)，低功耗蜂窩物聯(lián)網(wǎng)將成為這些市場(chǎng)的主流解決方案。蜂窩物聯(lián)網(wǎng)包括NB-IoT和eMTC兩種協(xié)議，主打長(zhǎng)電池續(xù)航時(shí)間，有很高的低功耗要求，符合Nordic一貫的優(yōu)勢(shì)和戰(zhàn)略，所以Nordic公司又進(jìn)入了NB-IoT和eMTC領(lǐng)域。NB-IoT和eMTC，兩者各有所長(zhǎng)，NB-IoT更專注在少量數(shù)據(jù)通信，靜態(tài)部署，更低功耗的應(yīng)用場(chǎng)合，而eMTC的優(yōu)勢(shì)則在于高通信速率，可移動(dòng)性，以及空中升級(jí)。

　　對(duì)于創(chuàng)新解決方案問(wèn)題，Nordic表示，主要提的就是Nordic公司的低功耗，Nordic公司的SoC是全Flash制程(Flash制程好處是方便開(kāi)發(fā)和維護(hù)，但是它的功耗會(huì)比較高)，即便如此，Nordic公司的功耗也是業(yè)界最低的。比如，在每1秒收發(fā)一包數(shù)據(jù)的低功耗藍(lán)牙連接通信條件下，Nordic公司的平均功耗只有6μA左右，可以說(shuō)非常的低。

無(wú)線射頻技術(shù)

　　Semtech的LoRa器件及無(wú)線射頻技術(shù)(LoRa技術(shù))是一種經(jīng)過(guò)大量現(xiàn)場(chǎng)部署驗(yàn)證過(guò)的低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)(LPWAN)技術(shù)，雖然很難去與這里提到的其他短距離無(wú)線協(xié)議直接相比，但LoRa的優(yōu)勢(shì)在于其長(zhǎng)距離和低功耗等特性，以及許多短距離技術(shù)無(wú)法企及的穿墻能力。LoRa技術(shù)適合在智能表計(jì)、智能家居和智能樓宇領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用，例如中國(guó)的智能表計(jì)提供商采用LoRa技術(shù)不僅滿足了中國(guó)的智能化公用事業(yè)管理需求，而且他們的產(chǎn)品更是銷往全球市場(chǎng)。

　　通過(guò)使用長(zhǎng)距離的數(shù)據(jù)通信且消耗極少的功率，LoRa技術(shù)徹底變革了物聯(lián)網(wǎng)。當(dāng)連接到LoRaWAN?網(wǎng)絡(luò)時(shí)，LoRa設(shè)備通過(guò)傳輸帶有重要信息的分組信息來(lái)適應(yīng)廣泛的IoT應(yīng)用。LoRaWAN標(biāo)準(zhǔn)填補(bǔ)了其他網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的空白，這些網(wǎng)絡(luò)需要高帶寬或高功率，或者具有有限的范圍或者不能穿透深層室內(nèi)環(huán)境。實(shí)際上，對(duì)于智能城市、智能住宅和建筑、智能農(nóng)業(yè)、智能計(jì)量以及智能供應(yīng)鏈和物流中的農(nóng)村或室內(nèi)應(yīng)用場(chǎng)景，LoRa技術(shù)是非常靈活的。憑借其在全世界80個(gè)國(guó)家和地區(qū)擁有的超過(guò)8000萬(wàn)臺(tái)連接到網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備，并且不斷增長(zhǎng)，LoRa技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)的DNA (device, network and application)，致力于創(chuàng)造更加智慧的星球。

　　當(dāng)前LoRa在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的挑戰(zhàn)，也來(lái)自于其極為廣泛的、可滿足物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域多種需求的適用性，它既可以為家庭、樓宇或者小區(qū)里的單個(gè)/臺(tái)或者數(shù)個(gè)/臺(tái)傳感器或者物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供便捷經(jīng)濟(jì)的網(wǎng)絡(luò)連接，也可以利用開(kāi)放的LoRaWAN協(xié)議為一座城市、一個(gè)省/州、一個(gè)國(guó)家甚至跨洲提供物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，而物聯(lián)網(wǎng)包含了不同應(yīng)用方式或者商業(yè)模式，因此LoRa技術(shù)所面臨的挑戰(zhàn)是如何盡快去滿足全球物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的廣泛需求。

　　總之，LoRa技術(shù)是一種顛覆性的無(wú)線傳輸方式，具有靈敏度高、功耗低、簡(jiǎn)單靈活、易于部署等特點(diǎn)，更為重要的是它可以根據(jù)客戶的需求來(lái)形成創(chuàng)新的物聯(lián)網(wǎng)連接解決方案，因而基于LoRa技術(shù)的各種創(chuàng)新解決方案被廣泛應(yīng)用在智慧城市、智能家居與建筑、智慧農(nóng)業(yè)、智能表計(jì)以及智能供應(yīng)鏈和物流。

　　此外，Semtech及其合作伙伴目前已經(jīng)在國(guó)內(nèi)乃至全球都已為L(zhǎng)oRa建立了很完整的、豐富的生態(tài)，因而可以很快為最終客戶形成更多創(chuàng)新的解決方案。LoRa生態(tài)中有專門做LoRa芯片、SiP的公司，有專門提供LoRa模組和節(jié)點(diǎn)傳感器的公司，有專門做LoRa網(wǎng)關(guān)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的公司，還有專門做LoRa應(yīng)用、服務(wù)運(yùn)營(yíng)的公司，Semtech與這些合作伙伴一起，給不同行業(yè)提供了很多LPWAN的解決方案。所以Semtech認(rèn)為，只有與行業(yè)客戶一起共建和擴(kuò)展LoRa生態(tài)，才能創(chuàng)造出針對(duì)各種各樣不同的應(yīng)用場(chǎng)景的解決方案。

無(wú)線模塊

u-blox講述無(wú)線

　　對(duì)于本地網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備，u-blox公司看好在移動(dòng)設(shè)備上廣泛應(yīng)用的兩種技術(shù)——低功耗藍(lán)牙和Wi-Fi。這兩種技術(shù)具有高度互操作特性，并且在將來(lái)可以支持物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)功能，如網(wǎng)狀網(wǎng)、安全性或室內(nèi)定位。由于無(wú)需申請(qǐng)?jiān)S可的頻段，通過(guò)短距離無(wú)線技術(shù)連接的設(shè)備成本較低。

　　對(duì)于較遠(yuǎn)距離的無(wú)線連接或移動(dòng)設(shè)備連接，運(yùn)營(yíng)商的NB-IoT網(wǎng)絡(luò)可以為其提供服務(wù)。該技術(shù)可與現(xiàn)有的3G和4G移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)無(wú)縫集成。

　　其他技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)是沒(méi)有電信運(yùn)營(yíng)商的強(qiáng)力推廣，也沒(méi)有集成到手機(jī)和平板電腦等大量的移動(dòng)設(shè)備中。

　　u-blox公司首先關(guān)注MCU與無(wú)線芯片的集成。一旦某種無(wú)線技術(shù)變得成熟并且廣泛使用時(shí)，它的收發(fā)器就會(huì)集成到MCU中。之前的移動(dòng)通信技術(shù)是這樣，現(xiàn)在的Wi-Fi和藍(lán)牙技術(shù)也是如此。對(duì)集成解決方案的資金投入遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于獨(dú)立的無(wú)線芯片，特別是當(dāng)客戶使用的收發(fā)器和MCU之間存在多種組合的情形下，投入會(huì)更大。

　　無(wú)論設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的是芯片還是集成模塊，都要考慮到生產(chǎn)率和總體擁有成本的問(wèn)題。雖然獨(dú)立的無(wú)線芯片只需要最少的成本就能實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)，但模塊集成解決方案在設(shè)計(jì)和認(rèn)證方面需要較少的專業(yè)知識(shí)，工作量和風(fēng)險(xiǎn)也少得多。

　　u-blox為蜂窩和短距離無(wú)線技術(shù)提供完整系列的小型模塊，用于工業(yè)、汽車和消費(fèi)類應(yīng)用場(chǎng)景。u-blox公司的客戶可以首先選擇一種外形規(guī)格，然后選擇一種或多種適用的通信技術(shù)。基于選定的外形規(guī)格可以支持后期的快速升級(jí)或調(diào)整，同時(shí)保持控制軟件和PCB設(shè)計(jì)不變。u-blox公司為全球大多數(shù)國(guó)家和地區(qū)提供全面的設(shè)計(jì)服務(wù)，包括模塊設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)審核及模塊認(rèn)證等。

村田：無(wú)線傳感器的細(xì)分市場(chǎng)

　　隨著IoT產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，以個(gè)人、家庭為單位的智能生活正在朝著以城市為單位的智慧城市轉(zhuǎn)變，越來(lái)越多的節(jié)點(diǎn)將會(huì)一同連入城市大網(wǎng)之中，所以對(duì)節(jié)點(diǎn)數(shù)量、通信距離、可靠性等提出了更高的要求。LPWAN無(wú)疑是應(yīng)時(shí)代而生的產(chǎn)物。但是全面鋪開(kāi)LPWAN依然面臨著不小的挑戰(zhàn)，如何建設(shè)一體化的城域網(wǎng)就是其中的難點(diǎn)，NB-IoT是運(yùn)營(yíng)商在現(xiàn)有通信基站上加以更新以實(shí)現(xiàn)全城布網(wǎng)的效果，LoRa?則需要網(wǎng)絡(luò)服務(wù)商在城市主要干點(diǎn)新建網(wǎng)關(guān)來(lái)搭建城市級(jí)網(wǎng)絡(luò)，其中涉及到的資源也是非常巨大的。

　　作為國(guó)際知名的電子元器件制造商，村田在通訊模塊領(lǐng)域已經(jīng)耕耘多年。前些年互聯(lián)網(wǎng)飛速發(fā)展的時(shí)代里，村田2.4G Hz的通訊模塊就已經(jīng)在各行各業(yè)扮演著舉足輕重的角色，從手機(jī)內(nèi)的Wi-Fi模塊，到汽車內(nèi)使用的藍(lán)牙模塊，再到智能家居涉及到的ZigBee模塊，村田靠著廣泛的產(chǎn)品線和優(yōu)異的品質(zhì)口碑一次又一次贏得了客戶的信賴。如今正值物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)呈爆發(fā)增長(zhǎng)趨勢(shì)的關(guān)鍵時(shí)期，村田也緊隨著市場(chǎng)的浪潮，在LPWAN(低功耗廣域網(wǎng))領(lǐng)域里搶得了先機(jī)?；贚oRa?技術(shù)的種種優(yōu)點(diǎn)，村田搶先抓住了某些細(xì)分市場(chǎng)。眾所周知，歐美技術(shù)水平和自動(dòng)化程度較高，人口密度低，因此類似于水電公司、通信燃?xì)夤緦?duì)抄表這個(gè)問(wèn)題一直很頭疼。這種情況下，國(guó)外抄表行業(yè)率先使用了LPWAN的技術(shù)，結(jié)合村田L(fēng)oRa?模組，基礎(chǔ)服務(wù)供應(yīng)商(水電公司、通信燃?xì)夤?可以遠(yuǎn)程進(jìn)行抄表，節(jié)省了大量人力物力以及時(shí)間進(jìn)行用戶資費(fèi)核算，并且通過(guò)后臺(tái)的大數(shù)據(jù)分析，對(duì)用水用電高峰區(qū)域和時(shí)間進(jìn)行定位，加強(qiáng)維護(hù)措施及應(yīng)急預(yù)案，更好地為用戶提供服務(wù)。

　　在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，村田同樣以LoRa?模塊為切入點(diǎn)，在消防煙感產(chǎn)品上加上了無(wú)線功能，依托于國(guó)內(nèi)LoRa?平臺(tái)商的后臺(tái)管理系統(tǒng)，用戶可以很方便地進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控、實(shí)時(shí)警報(bào)等功能，非常適合用于家庭或是九小場(chǎng)所等。

　　村田對(duì)NB-IoT市場(chǎng)的高速增長(zhǎng)也十分重視，不斷推出針對(duì)NB-IoT市場(chǎng)的模塊及產(chǎn)品。

無(wú)線SoC

TI：兼容多種無(wú)線通信協(xié)議的開(kāi)發(fā)平臺(tái)

　　短距離無(wú)線產(chǎn)品的主要應(yīng)用場(chǎng)景來(lái)自于方興未艾的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用場(chǎng)景多種多樣，各類短距離的無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)在數(shù)據(jù)采集端設(shè)備均有用武之地，TI通過(guò)統(tǒng)一的SimpleLink開(kāi)發(fā)平臺(tái)可以支持低功耗藍(lán)牙、ZigBee/ 802.15.4、Thread，WiFi、6LoWPAN，Sigfox 等各種不同協(xié)議。開(kāi)發(fā)者面對(duì)碎片化的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，其最大挑戰(zhàn)是需要花費(fèi)大量的研發(fā)資源在不同的芯片平臺(tái)上開(kāi)發(fā)不同的協(xié)議軟件。TI SimpleLink平臺(tái)的推出以SDK的方式支持不同的短距離無(wú)線協(xié)議，節(jié)省開(kāi)發(fā)者開(kāi)發(fā)時(shí)間，應(yīng)用層代碼可實(shí)現(xiàn)100%兼容，真正做到統(tǒng)一平臺(tái)。

　　獨(dú)立RF收發(fā)芯片的好處是靈活，可以配合不同主控芯片實(shí)現(xiàn)不同應(yīng)用。無(wú)線SoC集成度高，可以提供更優(yōu)的系統(tǒng)成本和更小的PCB尺寸。無(wú)線模塊可降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜度，特別針對(duì)無(wú)RF經(jīng)驗(yàn)的用戶可以快速上手。TI提供全面的無(wú)線產(chǎn)品系列，包括無(wú)線SoC和RF收發(fā)芯片，針對(duì)部分型號(hào)也有模塊產(chǎn)品。在中國(guó)市場(chǎng)，TI也有專業(yè)的模塊合作伙伴提供模塊產(chǎn)品。

　　TI創(chuàng)新的SimpleLink開(kāi)發(fā)平臺(tái)可以支持低功耗藍(lán)牙，ZigBee/ 802.15.4，Thread，WiFi，6LoWPAN，Sigfox 等各種不同協(xié)議.以SDK的方式支持不同的短距離無(wú)線協(xié)議，讓物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)者縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間，應(yīng)用層帶碼可實(shí)現(xiàn)100%兼容，輕松實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開(kāi)發(fā)。

具有無(wú)線功能的SoC的應(yīng)用場(chǎng)景

　　不久前，意法半導(dǎo)體(ST)宣布出貨STM32WB系列SoC，它是雙核無(wú)線通信芯片，整合一個(gè)功能豐富的Arm Cortex-M4微控制器和一個(gè)Arm Cortex-M0+內(nèi)核處理器。Arm Cortex-M4微控制器用于運(yùn)行主要應(yīng)用軟件;Arm Cortex-M0+內(nèi)核用于減輕主處理器負(fù)荷，執(zhí)行低能耗藍(lán)牙(BLE) 5和IEEE 802.15.4射頻實(shí)時(shí)處理任務(wù)。射頻控制器還能同時(shí)運(yùn)行其它無(wú)線通信協(xié)議，包括OpenThread、ZigBee或?qū)Ｓ型ㄐ艆f(xié)議，為設(shè)備聯(lián)入物聯(lián)網(wǎng)(IoT)提供更多連接選擇。

　　那么，為何ST現(xiàn)在才推出無(wú)線的SoC?實(shí)際上，此前ST有單獨(dú)的MCU以及藍(lán)牙BlueNRG來(lái)支持無(wú)線或者是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，但是注意到客戶用的“MCU+藍(lán)牙雙芯片”方案會(huì)有成本壓力，所以希望可以把內(nèi)部的IP放到STM32里，做成單芯片。

　　STM32WB為何選擇藍(lán)牙或2.4G射頻協(xié)議?以照明為例，傳統(tǒng)上用得較多的是mesh，其中的ZigBee有一個(gè)小問(wèn)題，需要專用的設(shè)備去控制燈，而現(xiàn)在人們希望用平板、手機(jī)或智能設(shè)備去控制燈。當(dāng)使用智能設(shè)備控制時(shí)，藍(lán)牙是現(xiàn)有的最好連接方式。當(dāng)要以這種連接方式去改變傳統(tǒng)的已經(jīng)存在的ZigBee的應(yīng)用時(shí)，最好的方式是當(dāng)中有一個(gè)橋接，有一個(gè)設(shè)備可以同時(shí)支持這兩種協(xié)議，這也就是為什么STM32WB要支持不同的協(xié)議，而且在應(yīng)用場(chǎng)景下，能夠同時(shí)支持這兩種協(xié)議。

　　在工業(yè)應(yīng)用上，“MCU+射頻模塊”組合目前有三塊比較大的應(yīng)用市場(chǎng)。一是工業(yè)照明，它可能需要mesh的方式來(lái)覆蓋，在較大的工廠環(huán)境以及多鐵和金屬的條件下要做到廣覆蓋，用藍(lán)牙的方式會(huì)比較好。第二是表計(jì)，表計(jì)是一項(xiàng)對(duì)連接有較大需求的應(yīng)用，這個(gè)應(yīng)用的趨勢(shì)是用藍(lán)牙的方式進(jìn)行控制(如平板、手機(jī)控制)來(lái)監(jiān)測(cè)表的狀態(tài)。或者可以作為傳統(tǒng)應(yīng)用的補(bǔ)充，因?yàn)樗旧硎菚?huì)接到網(wǎng)關(guān)，再連接到網(wǎng)絡(luò)，這個(gè)網(wǎng)關(guān)如果需要帶藍(lán)牙功能，就可以采用STM32WB來(lái)實(shí)現(xiàn)。第三，在工業(yè)應(yīng)用上會(huì)有更多的傳感器，工業(yè)設(shè)備需要較多的傳感器用于監(jiān)測(cè)狀態(tài)，監(jiān)測(cè)到的信息通過(guò)藍(lán)牙的方式傳遞會(huì)比較方便。STM32WB具有低功耗，而且里面的藍(lán)牙5.0有長(zhǎng)距離優(yōu)勢(shì)，可以在較大的廠區(qū)里去完成相應(yīng)的工作。

　　分立的藍(lán)牙芯片或ZigBee芯片今后的市場(chǎng)機(jī)會(huì)如何?客戶的需求是多樣化的，特別是物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)特別碎片化，有的可能需要比較小的資源，只是做一些透?jìng)鞯纳漕l的功能，有的可能需要非常強(qiáng)大的資源，外部要加很強(qiáng)大的處理功能的主芯片，如MCU或者M(jìn)PU。因此，傳統(tǒng)的射頻芯片還會(huì)存在，而集成化也是一個(gè)趨勢(shì)，STM32WB的出現(xiàn)覆蓋了很多主流的應(yīng)用，它可以用單芯片來(lái)完成控制和射頻的功能，所以說(shuō)這兩種架構(gòu)的芯片其實(shí)是互補(bǔ)的，都會(huì)存在，關(guān)鍵是看市場(chǎng)有什么需求。

　　STM32WB主要的技術(shù)挑戰(zhàn)是什么?實(shí)際上，做一個(gè)芯片相對(duì)來(lái)講不是特別難的事情，但是如何讓芯片用起來(lái)，則存在很大的差距。芯片應(yīng)用與生態(tài)系統(tǒng)、軟件和第三方合作伙伴支持是相關(guān)的，STM32WB作為STM32家族里其中一個(gè)產(chǎn)品，它受益于整個(gè)現(xiàn)有的STM32生態(tài)，這個(gè)生態(tài)會(huì)讓新的STM32WB用戶更快建立它的項(xiàng)目，而現(xiàn)有的項(xiàng)目也很容易做升級(jí)。

　　STM32WB采用了雙核方案，開(kāi)發(fā)的難度是否增加了?Hakim稱，雙核中的M0+不開(kāi)放給用戶使用，M0+只是運(yùn)行藍(lán)牙協(xié)議棧以及安全密鑰的權(quán)限，客戶的應(yīng)用是在M4上運(yùn)行，因此雙核對(duì)客戶來(lái)講只是單核的MCU，因?yàn)镸0+加上藍(lán)牙只是外設(shè)或者可以看成一個(gè)鏈接，而客戶做應(yīng)用是基于M4。這比過(guò)去的單核藍(lán)牙芯片更簡(jiǎn)單，過(guò)去單核MCU需要處理應(yīng)用，還需要處理協(xié)議棧，因此更加復(fù)雜。而WB是把藍(lán)牙的協(xié)議包起來(lái)，是獨(dú)立的內(nèi)核，不會(huì)跟應(yīng)用的內(nèi)核搶占它的資源，這是非常巧妙的設(shè)計(jì)。

　　無(wú)線協(xié)議包在M0+里面，對(duì)用戶不可見(jiàn)，那么用戶如何去做這部分的修改?首先WB出廠就包含協(xié)議棧，放在M0+里;同時(shí)ST有HCI的接口，客戶可以不用標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議棧，而使用自己的私有協(xié)議棧，這個(gè)協(xié)議?？煞旁贛4里，也可以放在M0+里面，但是M0+是密私鑰，你需要通過(guò)鑰匙的認(rèn)證，才可以把自己的ZigBee、Thread和私有協(xié)議棧放在M0+里。

　　在WiFi的方案方面，ST的計(jì)劃是什么? WiFi現(xiàn)在是物聯(lián)網(wǎng)中非常主流的應(yīng)用。WiFi與藍(lán)牙最大的區(qū)別在于WiFi通常用于功耗要求比較高的應(yīng)用中，藍(lán)牙則用于功耗比較敏感的應(yīng)用。另外WiFi在智能家居領(lǐng)域覆蓋較多。ST也注意到在智能家居中，WiFi通過(guò)網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)成藍(lán)牙這一趨勢(shì)，當(dāng)然藍(lán)牙現(xiàn)在還是多用于可穿戴和個(gè)人近場(chǎng)通訊方面。從ST的產(chǎn)品路線來(lái)看，STM32WB是第一款無(wú)線的產(chǎn)品線，ST將會(huì)投資更多的無(wú)線或者連接的產(chǎn)品來(lái)擴(kuò)充STM32的產(chǎn)品線，未來(lái)大家可以期待更多產(chǎn)品面世，甚至是帶有WiFi的SoC。

無(wú)線IP

Ensigma連接方案

　　Imagination的Ensigma半導(dǎo)體知識(shí)產(chǎn)權(quán)(IP)產(chǎn)品包括2.4 GHz和5 GHz頻段的Wi-Fi，以及2.4 GHz頻段的藍(lán)牙和802.15.4。提供這些頻段的產(chǎn)品是因?yàn)樗鼈冊(cè)谌蚍秶鷥?nèi)都可用;而其他技術(shù)則使用例如1 GHz以下的其他頻譜，其中的監(jiān)管框架和頻譜可用性則因國(guó)家和地區(qū)而異。經(jīng)驗(yàn)告訴我們，對(duì)于大多數(shù)大眾市場(chǎng)應(yīng)用，客戶更愿意使用全球可用的頻段而不是各個(gè)國(guó)家/地區(qū)各自不同的頻譜。諸如LoRa和sigfox等技術(shù)傾向于使用不是全球性標(biāo)準(zhǔn)的頻譜。

　　對(duì)于無(wú)線解決方案，獨(dú)立芯片解決方案和集成化解決方案都具有各自的優(yōu)勢(shì)。這實(shí)際上取決于用戶想要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，因?yàn)檫@將影響最終的選擇。

　　如果制造商正在推出一種全新的、前沿的產(chǎn)品，并且制造商預(yù)計(jì)它會(huì)發(fā)生變化，或者制造商計(jì)劃基于一種通用架構(gòu)來(lái)創(chuàng)建一系列產(chǎn)品，那么采用一個(gè)單獨(dú)芯片或獨(dú)立的方法是最有效的，它將為制造商帶來(lái)可以更改連接的靈活性，然而這時(shí)所使用的解決方案尺寸會(huì)更大，但隨著產(chǎn)品的發(fā)展演變，這種靈活性是值得的。

　　Ensigma連接解決方案旨在為半導(dǎo)體產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造商提供超低功耗且具靈活性的解決方案。這種方案非常適合集成到MCU中，從而實(shí)現(xiàn)快速、輕松的連接。

CEVA：無(wú)線應(yīng)用的趨勢(shì)與優(yōu)勢(shì)

　　物聯(lián)網(wǎng)(IoT)是一個(gè)巨大的市場(chǎng)，未來(lái)能達(dá)到數(shù)十億個(gè)連接設(shè)備，有數(shù)百個(gè)甚至數(shù)千個(gè)使用案例。因此，CEVA公司相信至少在未來(lái)幾年內(nèi)，許多無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)都有發(fā)展空間。例如，Wi-Fi和藍(lán)牙成為在家中的主導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)是合理的，因?yàn)檫@種標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)融入了智能手機(jī)中，因而可以輕松用于控制其它設(shè)備。但是， Thread、ZWave和Zigbee已經(jīng)存在，不想被趕出市場(chǎng)。但CEVA公司認(rèn)為，在接下來(lái)的十年左右，Wi-Fi和藍(lán)牙最終將超越ZWave和ZigBee，不過(guò)在此之前，所有這些協(xié)議將并行存在，ZWave和ZigBee至少具有相容性。而且，每一代新的藍(lán)牙和Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展，都增加了其競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

　　例如，Wi-Fi 6包含專門用于IoT應(yīng)用的低功耗版本，這是Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)首次針對(duì)IoT設(shè)備的規(guī)范級(jí)別。至于針對(duì)一般IoT用例的更長(zhǎng)距離連接，CEVA公司認(rèn)為最終將圍繞NB-IoT和Cat-M1蜂窩技術(shù)進(jìn)行整合，因?yàn)檫@些是3GPP定義的標(biāo)準(zhǔn)，將在全球范圍內(nèi)實(shí)施，這樣可以降低成本并且獲得很高的互操作性。

　　對(duì)芯片獨(dú)立或整合的好處，實(shí)際上取決于客戶和最終應(yīng)用。

　　? 如果用戶正在開(kāi)發(fā)一款不計(jì)成本的產(chǎn)品，并且需要非?？斓纳鲜袝r(shí)間，那么帶有所需連接功能的現(xiàn)成無(wú)線芯片是很方便的方案。雖然總體材料成本會(huì)較大，但用戶有很好的選擇，這可降低設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。

　　? 如果用戶想到一個(gè)更具體的應(yīng)用，需要專用解決方案，例如智能電表或健身可穿戴設(shè)備，那么可以使用專用的MCU器件，以此將所有必需的模塊集成到低功耗解決方案中。雖然這將增加開(kāi)發(fā)設(shè)備的復(fù)雜性，但由于芯片的專用特性，因此可以提供更好的性能。

　　? 最后有第三種選擇，即是針對(duì)市場(chǎng)開(kāi)發(fā)自己的芯片。當(dāng)用戶看到市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品的需求數(shù)量足夠多時(shí)，讓“中間人”無(wú)線芯片或MCU供應(yīng)商參與進(jìn)來(lái)不再合算，用戶可以省下購(gòu)買這些芯片的費(fèi)用。這方面的很好例子是無(wú)線揚(yáng)聲器或無(wú)線耳機(jī)市場(chǎng)，每年的產(chǎn)品數(shù)量達(dá)到數(shù)億，因此市場(chǎng)容量足夠大，使得某些公司為其產(chǎn)品進(jìn)行自己的工程研發(fā)變得合理。

　　CEVE擁有不同的客戶，他們分別采用采購(gòu)無(wú)線芯片、MCU和定制芯片這三種商業(yè)模式。

　　參考文獻(xiàn)：

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　　[2] Martha Zemede. 無(wú)線技術(shù)和電子自動(dòng)化設(shè)計(jì)軟件的發(fā)展將打造物聯(lián)網(wǎng)美好未來(lái)[J],電子產(chǎn)品世界，2016(5);12-14

　　[3] 莊緒強(qiáng). 基于強(qiáng)度值遞歸測(cè)量機(jī)制的無(wú)線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)定位算法研究[J],電子產(chǎn)品世界，2016(8);54-57

　　本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第11期第9頁(yè)，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。