滿足多種工業無線標準和協議的芯片選型考量

　　迎 九 （《電子產品世界》，北京 100036）

　　摘?要：工業物聯網(IIoT)通常有多種無線標準或協議，到底哪種無線方案最佳？芯片方案如何滿足市場上多種無線連接方案的需求？為此，《電子產品世界》采訪了TI、Silicon Labs、Nordic、u-blox、儒卓力、CEVA等公司。

　　關鍵詞：工業；無線；藍牙；Zigbee；LTE

　　1 應對多種無線標準/協議，TI的SimpleLink平臺與BAW技術不斷更新

　　1.1 IIoT對無線連接的要求

　　相對于消費類物聯網系統，工業物聯網對于設備各個方面的性能要求更高。在一個相對復雜的工業環境下，產品需要提供更穩定的應用、更安全健壯的連接、更廣泛的可擴展性和供電系統的適應性，這無疑對方案供應商提出了更高的要求，安全、可靠、低功耗是無線方案在IIoT（工業物聯網）無線連接里面的核心競爭力。同時，連接標準的持續演變也對方案的研發成本提出了挑戰，容易使用并且方便升級擴展的系統也是未來對于IIoT方案的另外一個需求。

　　作為成熟的通信標準，Wi-Fi、BLE、ZigBee、NB-IoT、3G/4G modem等仍舊會持續在工業物聯網市場解決相應的網絡問題。與此同時，TI的TI15.4Stack、LoRa、Sigfox等Sub-1G的協議又作為Sub-1G類遠距離傳輸網絡在IIoT中發揮重要的作用。但隨著2.4 GHz頻段和433 MHz/470 MHz頻段的設備越來越多，對于設備的共存和抗干擾性能提出了更高的要求。同時，也對新的應用頻段和協議提出了新的需求，例如5 GHz頻段的SoC 物聯網Wi-Fi產品。

　　另外，當今工業物聯網的無線系統也變得越來越復雜。由于場景的需求，也許有更多的協議會被復合采用，從多協議到多頻段系統，從感知端到云端實現穩定可靠方便的傳輸。

　　1.2 TI的SimpleLink平臺與BAW技術

　　眾所周知，TI在工業應用市場上投入很大，對于工業物聯網市場也不例外。

　　此前，TI已經推出了基于CC26xx、CC13xx、CC32xx系列芯片的SimpleLink TM 開發平臺，可以支持低功耗藍牙、ZigBee/802.15.4、Thread、Wi-Fi、6LoWPAN、Sigfox、Sub-1G等協議的并行開發，通過在不同協議中完美復用應用層代碼，簡化和降低工業客戶的研發難度和成本，從而解決了IIoT應用連接標準持續演變和復雜性的顧慮。

　　2019年初，TI推出了第三代2.4G/5G雙頻Wi-FiCC3235S/CC3135S，將客戶的無線連接方案頻段擴展到了干擾更小的5G頻段，使通信鏈路更為可靠穩定。另外，CC32XXS系列無線MCU（微控制器）包含了諸如安全存儲、克隆保護、安全啟動和網絡安全性等25種豐富的嵌入式安全特性，這些特性為開發人員提供了強大的工具，幫助他們在無需使用外部安全MCU或元件的情況下保護IoT（物聯網）器件，避免知識產權、數據竊取和其他風險。

　　TI已經發布的體聲波（BAW）技術，也幫助工業物聯網客戶提供了一顆更為穩定可靠的芯片——CC2652RB。由于不再需要外部的射頻晶振，利用TIBAW技術的創新芯片可以縮減物料清單成本，減小設備的尺寸和設計的復雜性，提高網絡的性能。并且，BAW技術相對應crystal（晶體）材料晶振，在工業和電信應用中可以大幅提升抗振動和沖擊的能力，從農業到工廠，客戶都可以利用這項技術開發出更高性能的系統。

　　2 Silicon Labs支持多樣化的無線協議

　　2.1 IIoT對無線連接的要求

　　在工業物聯網（IIoT）應用中有3種通用類型的無線網絡：1）由客戶開發、實施和維護的專有網絡；2）由客戶部署和維護的基于標準的無線網絡；3）客戶以付費形式接入的現有蜂窩物聯網（IoT）網絡，例如LTE-M或NB-IoT。蜂窩物聯網網絡是工業物聯網應用的一個理想選擇，例如應用在跨越遠距離和大區域（如城市、州/省甚至全國范圍）內的資產跟蹤。

　　在為工業物聯網應用選擇通信網絡時，客戶必須考慮各種技術和成本因素。對于許多客戶而言，這些考慮因素將繼續推動他們使用專有的或基于標準的無線網絡來構建和維護他們自己的網絡。據Silicon Lans預測，在可預見的將來，這些網絡還將與蜂窩技術共存。盡管5G在工業物聯網方面具有廣闊的應用前景，但現有的無線技術可以為僅需要低數據速率的機器對機器（M2M）和機器對云端應用提供可擴展且經濟高效的連接。

　　2.2 看好哪類無線通信標準

　　Silicon Labs的無線物聯網解決方案廣泛支持多樣化的無線協議，包括Zigbee、Thread、藍牙mesh、低功耗藍牙、Wi-Fi、Z-Wave和專有協議等 ^[1] 。SiliconLabs為物聯網應用提供了豐富的器件組合，包括無線SoC和模塊、微控制器和傳感器，使客戶能構建完整的系統，來監測環境變化，在本地處理數據，并使用無線技術將數據傳輸到云端進行分析?？蛻艉秃献骰锇檫€可以使用Silicon Labs的射頻產品，來實現WirelessM-Bus、Wi-SUN、ISA-100和WirelessHART等更多的無線通信協議，以滿足特定的工業應用需求。

　　作為Silicon Labs的關鍵差異化要素之一，SiliconLabs為工業物聯網提供了恰到好處的無線連接。SiliconLabs為客戶提供了靈活性，他們可以從多種可選的無線協議中選擇任何一種，這是因為Silicon Labs的無線器件是在一個可支持多種標準和專有協議的通用的、可擴展的平臺上構建的。針對工業物聯網，Silicon Labs提供了靈活的連接技術選擇，包括能在2.4 GHz運行各種領先的、基于標準的協議，以及大部分在1 GHz以下運行的專有協議，所有這些功能都可以集成在同一個無線系統級芯片（SoC）器件上。

　　工業物聯網涉及數量眾多、各自不同的應用和市場。Silicon Labs將關注點放在了樓宇自動化、智能照明、智能表計、資產管理和其他類似的工業物聯網應用上，它們需要基于標準的和專有的低功耗無線連接 ^[2] 。

　　Silicon Labs的解決方案主要有Wireless GeckoSeries 2平臺和 Wireless Gecko Series 1平臺，它們都包含無線SoC和模塊。

　　3 Nordic看好LTE-M和NB-IoT前景

　　3.1 IIoT對無線連接的要求

　　工業物聯網（IIoT）可以實現高水平的超高效自動化運作，前提是需要一個能夠在廣泛的工業環境中實現快速數據吞吐的無線解決方案。

　　由于IIoT的運作也嚴重依賴于傳感器陣列，而這些傳感器由微型電池或能量收集技術供電，因此這個無線網絡的功耗必須非常低。由于網絡通常需要通過廣域網（WAN）進行通信，因此理想的解決方案是可以用作低功耗WAN（LPWAN）的無線技術。這就是無線IIoT的主要難題 ^[3] 。

　　然而，我們還有其他考量，例如這個無線網絡必須可靠且不受外部攻擊。在理想情況下，它還應該支持GPS之類的定位服務，以實現資產跟蹤。

　　3.2 看好LTE-M和NB-IoT

　　Nordic Semiconductor認為用于IIoT的蜂窩無線解決方案將被廣泛采用，尤其是LTE-M和NB-IoT。這些開放標準由3GPP開發和管理，確保了全球范圍內的互操作性和可靠性。

　　LTE-M非常適合要求低功耗、低延遲和移動性的中等吞吐量應用，例如資產跟蹤、可穿戴設備、醫療和家庭安全應用，當然還有IIoT領域中的眾多應用。

　　NB-IoT非常適合需要低功耗和長距離的低吞吐量靜態應用，例如智能計量、智能農業和智慧城市應用。

　　能源效率是蜂窩物聯網技術的基石。LTE-M和NB-IoT均是為了使設備能夠以電池驅動來運行數年而設計。這可以通過使用多種技術來實現，但在任何一個用例中，數據吞吐量都低于標準LTE，從而降低了能耗。

　　3.3 Nordic的解決方案

　　Nordic的nRF9160是緊湊的高集成度系統級封裝（SiP）器件，可為各種單一設備低功耗蜂窩物聯網（cIoT）設計（包括IIoT應用設計）提供最新的低功耗LTE技術以及先進的處理功能和安全性，并且易于使用。

　　nRF9160集成了Arm Cortex-M33應用處理器、完整的LTE調制解調器、RF前端（RFFE）和電源管理系統，是緊湊、完整、節能的蜂窩物聯網解決方案。

　　集成調制解調器同時支持LTE-M和NB-IoT，可以在全球范圍內運行，而無需使用任何區域特定型款。nRF9160支持包括eDRX和PSM的所有節能功能。

　　為實現安全可靠的執行以及密匙生成和存儲，nRF9160采用重要的額外安全措施，其中包括ArmTrustZone和Arm CryptoCell，進一步增強了設備安全性。

　　GPS接收器已集成到無線電中，并提供各種運作模式以配合采用位置跟蹤的多種應用。

　　4 工業無線用LTE和5G方案

　　4.1 IIoT對無線連接的要求因應用而不同

　　無線連接的要求完全取決于各個應用場景的不同需求。針對工業物聯網，應用場景主要分為兩個核心需求。首先是對低功耗和網絡覆蓋廣域提出的極高要求，這一需求主要是來自于數據吞吐量較低的電池驅動設備，該類設備有可能位于蜂窩網絡覆蓋有限的區域。其次，另一個需求則源于超可靠、低延時的通信技術，而這對于工業領域的高可靠度作業起著至關重要的作用，例如管理工業控制回路。順帶一提的是這兩個核心應用場景正是當下5G技術的主要目標場景?？偠灾?，客戶需要能夠提供安全且可靠的無線連接的產品, 并且能在整個產品生命周期中提供支持。

　　4.2 u-blox的模塊與芯片方案

　　4.2.1 模塊方案

　　u-blox始終從工業應用場景的核心需求出發，設計并研發杰出的無線通信解決方案，覆蓋領域包括工廠自動化、智能儀表、資產追蹤和聯網醫療設備等等。這也就是為什么u-blox能夠基于LTE-M、窄帶物聯網等低功耗廣域以及LTE Cat 1、LTE Cat 4等無線通信標準，開發出獨有的產品組合。

　　與此同時，越來越多的客戶和市場都開始關注端到端網絡安全的重要性，u-blox也希望能夠為他們的業務流程、資產和客戶信息提供最大限度的保障。因此，u-blox一直以來都竭力在產品性能和安全性上精益求精，力求為客戶提供超出預期的產品組合，讓高性能、高安全性不僅僅為產品銷售而服務，更要讓其貫穿整個客戶產品的生命周期。

　　4.2.2 芯片產品

　　自2019年以來，u-blox發布了數款全新芯片產品。盡管這需要在研發上投入相當大的成本，但是這一切都是值得的，因為這使u-blox能完全控制產品的功能以滿足市場需求。另外，這也讓u-blox不再依托于第三方供應商，實現進一步的獨立創新。

　　u-blox也與另一家瑞士企業Kudelski展開合作，該公司在數字資產保護技術領域有著豐富的經驗，針對工業物聯網中特有的、基于硬件可信根的嵌入式端到端網絡安全需求，研發出相應的5G的芯片組。

　　5 IIoT需要多種無線連接方案，儒卓力可提供一攬子方案

　　5.1 IIoT用無線連接的應用現狀

　　根據應用本身，IIoT無線連接的要求有很大的不同，這里沒有“一刀切”的解決方案。NB-IoT贏得了遠程超低功耗技術之戰，這要歸功于移動網絡運營商(MNO)的優秀基礎設施。Sigfox和LoRa在某些應用中仍然適用，但是現在NB-IoT被更廣泛地用于不同的場景。Sigfox和LoRa率先在市場上出現的時間優勢已經消失，NB-IoT已經超越了它們。在功耗無關緊要的遠程技術方面，4G技術仍處于領先地位。儒卓力正向市場提供首個5G工業模塊，但是在基礎設施和價格與4G技術處于同一水平之前，客戶不會選擇使用5G技術。

　　在短程環境中，IIoT無線連接的要求取決于各項任務：能量收集傳感器使用了1 GHz以下的 EnOcean技術。如果使用小型電池，佳明（Garmin）的ANT產品越來越受歡迎，因為新的工業應用配置文件正在研究中。ANT已經在超低功耗消費設備中建立了良好地位，如今也開始涉足工業領域。藍牙Mesh ^[4] 則用于工業照明應用。由于市場上已經出現了第一批使用IEEE802.11ax的路由器和智能手機，Wi-Fi技術正在從第5代過渡到第6代。新一代技術也在影響工業Wi-Fi模塊的選擇。RFID和NFC是舊式無線技術，但在工業物聯網環境中的使用仍不斷增長。

　　5.2 工業無線通信標準在應用中的挑戰

　　眾所周知的大型無線標準技術也將在工業應用中獲得更多的市場份額，其中包括Wi-Fi、藍牙、RFID和5G。

　　如果單一應用需要特殊功能，則需要專有解決方案。在成本、功耗、范圍、速度或安全性方面，專有解決方案可以調整為最佳性能。

　　標準技術始終是在這些不同的關鍵性能指標方面作出妥協的折衷方案，但相互操作性可以得到保證。

　　5.3 儒卓力的解決方案

　　儒卓力早在2005年便建立了無線技術中心，當時第一部iPhone和物聯網設備還沒有問世。這個無線產品部門管理著大約40家不同供應商的產品組合，從而確保為每項應用提供最佳的產品和技術。儒卓力現在提供收發器IC、無線連接IC、系統級芯片，以及與即用型模塊相同的解決方案，包括天線、天線匹配網絡、認證和屏蔽。此外，儒卓力的產品組合還包括一些無線設備，諸如網關、信標、調制解調器以及包括各種無線技術的完整計算機系統。因此，客戶可以和儒卓力無線技術中心團隊成員接洽以便為找到正確的解決方案。

　　6 藍牙、Wi-Fi和NB-IoT的應用場景分析

　　6.1 工業無線的應用場景

　　市場上沒有適合所有工業物聯網（IIoT）應用的“一體適用”無線連接解決方案。不同的應用具有不同的要求，使得某種解決方案比其他解決方案更合適。不過，任何無線應用通常有多個典型的關鍵要求，包括：數據速率，功耗/電池壽命，連接范圍和穩定性，安全性，互操作性和通用生態系統，當然還有成本。

　　工業物聯網采用了幾種無線通信標準和專有解決方案。不過，CEVA認為最受歡迎的是藍牙、Wi-Fi和NB-IoT。它們都具有強大的安全功能并擁有大型生態系統。需要用戶根據具體應用來決定其中哪個方案較合適。

　　例如以下有幾個典型應用。

　　1）資產跟蹤。如果應用要求在國家或世界范圍內跟蹤資產（例如集裝箱），那么蜂窩通信解決方案是最好的選擇，以便在各處進行通信。NB-IoT（帶有GNSS）是低成本和低功耗應用的最佳選擇，并且已獲所有移動網絡運營商（MNO）在全球范圍部署。

　　如果應用是在小范圍內或建筑物、工廠、倉庫或醫院等室內跟蹤資產，Wi-Fi或低功耗藍牙都是很好的選擇。這兩種技術都包含本地化功能。盡管Wi-Fi的連接范圍更廣，但低功耗藍牙不僅具有更低的功耗，并提供了更好的精度（遠低于1 m），這要歸功于使用AoA/AoD（到達角/出發角）方法的全新低功耗藍牙5.1測向功能。

　　2）無線傳感器/執行器監控。最合適的方案選擇還是取決于連接范圍、吞吐量和功耗限制。例如在智能農業、智能計量和智慧城市中，連接范圍通常很廣（從幾百米到幾千米），數據吞吐量非常低，維護周期很長，因此NB-IoT是充分利用MNO的高可用性基礎架構的絕佳選擇。如果是用于范圍較小的室內應用，連接醫療傳感器或智能建筑傳感器（諸如狀態檢測、門鎖、溫度計、機器控制和缺陷檢測），那么Wi-Fi或低功耗藍牙更合適。若要直接連接到云，則Wi-Fi會更好；如果低功耗（即電池壽命）更為重要，則低功耗藍牙是首選方案。無電池低功耗藍牙設備（注：具有太陽能或其他能量收集技術）越來越受歡迎。實際上，低功耗藍牙標準在過去數年中已經獲得長足發展以滿足此類應用需求，具有長距離和mesh支持，尤其是mesh已證明很受歡迎，可以覆蓋經典藍牙范圍以外的領域。如果吞吐量要求很高（超過100 kbit/s數倍），則Wi-Fi更合適，例如心電圖（ECG）應用需要在幾天的時間內，連續將患者的生體信號從各種ECG單元流傳輸到機器。

　　6.2 CEVA的IP解決方案

　　CEVA提供藍牙、Wi-Fi和帶有GNSS的NB-IoT交鑰匙解決方案。CEVA的客戶將解決方案集成到SoC中，用于各種物聯網應用。CEVA的解決方案涵蓋了無線電、調制解調器、基帶/MAC和軟件協議棧，其中后者可在通用CPU或CEVA DSP上執行，以實現最佳性能。

　　CEVA的交鑰匙平臺有：CEVA-Dragonfly NB2，是NB-IoT平臺；CEVA RivieraWaves藍牙IP；CEVARivieraWaves Wi-Fi IP。

　　參考文獻

　　[1] MAUPIN M.無線IIoT：邁向下一代工業互聯.電子產品世界,2019(3):15-16.

　　[2] 李仁慶.Silicon Labs藍牙Mesh應用實例.電子產品世界,2019(4):72-75.

　　[3] 王瑩,毛爍.IoT無線連接的技術方案與未來趨勢.電子產品世界,2018(11):11.

　　[4] WOOLLEY M.如何使用藍牙mesh擴展無線網狀網絡.電子產品世界,2018(10):22-26.

　　本文來源于科技期刊《電子產品世界》2019年第11期第12頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。