經(jīng)驗(yàn)證的嵌入式調(diào)制解調(diào)器：幫助輕松實(shí)現(xiàn)蜂窩IoT技術(shù)，并推動(dòng)基礎(chǔ)設(shè)施蓬勃發(fā)展

與使用免授權(quán)頻段的低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)(LPWAN)相比，蜂窩物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的缺點(diǎn)之一是終端設(shè)備在加入LTE-M或NB-IoT網(wǎng)絡(luò)之前，需要先進(jìn)行無(wú)線電頻段規(guī)劃分配的驗(yàn)證。驗(yàn)證工作既耗費(fèi)時(shí)間又花錢(qián)，但只要選擇合適的技術(shù)供貨商，就能縮短成功驗(yàn)證的路徑。一旦通過(guò)驗(yàn)證便可享用規(guī)范嚴(yán)格的蜂窩網(wǎng)絡(luò)的全球覆蓋范圍和服務(wù)質(zhì)量(QoS)等優(yōu)勢(shì)，這是很豐厚的回報(bào)。

要證明蜂窩IoT的終端設(shè)備已通過(guò)性能和質(zhì)量保證測(cè)試，便需要驗(yàn)證；而這些測(cè)試是滿(mǎn)足監(jiān)管機(jī)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)連接規(guī)范。產(chǎn)品若沒(méi)有完成驗(yàn)證，就無(wú)法推出市場(chǎng)。

1 芯片組、模塊和終端設(shè)備驗(yàn)證

蜂窩IoT終端設(shè)備通常需要滿(mǎn)足三層產(chǎn)品驗(yàn)證：一是驗(yàn)證芯片組，然后是驗(yàn)證終端設(shè)備使用的模塊，最后則是驗(yàn)證終端設(shè)備本身。

一般來(lái)說(shuō)，芯片組供貨商會(huì)對(duì)芯片組進(jìn)行驗(yàn)證。接著，模塊供貨商會(huì)將芯片組整合進(jìn)模塊并進(jìn)行驗(yàn)證。然后，將該模塊集成到終端產(chǎn)品中，再進(jìn)行驗(yàn)證。

但是，也有少數(shù)例外。其中一例是Nordic采用系統(tǒng)級(jí)封裝的nRF9160 SiP，它集成了LTE-M/NB-IoT調(diào)制解調(diào)器和GPS。nR9160 SiP是低功耗蜂窩IoT解決方案，整合了芯片組(也是由Nordic開(kāi)發(fā))以及RF前端和電源管理IC等組件。Nordic還兼顧到這款SiP的模塊級(jí)驗(yàn)證，以供全球范圍蜂窩網(wǎng)絡(luò)使用。

如果要以?xún)H通過(guò)模塊驗(yàn)證程序的模塊來(lái)將設(shè)備連接到網(wǎng)絡(luò)，便要獲得運(yùn)營(yíng)商的特別許可，而這項(xiàng)特別權(quán)限僅用于測(cè)試，而且只能擴(kuò)展到少量幾個(gè)設(shè)備。如果之后想要將基于該模塊的設(shè)計(jì)用于小批量生產(chǎn)，制造商就需要提交產(chǎn)品以進(jìn)行終端設(shè)備驗(yàn)證。這可能既耗時(shí)又昂貴，需要經(jīng)過(guò)多次設(shè)計(jì)迭代才能進(jìn)入生產(chǎn)的情況尤其如此，因?yàn)槊恳淮蔚牡家枰碌尿?yàn)證。

2 嵌入式調(diào)制解調(diào)器路由

要驗(yàn)證終端設(shè)備，還有另一條可以降低風(fēng)險(xiǎn)并節(jié)省時(shí)間和金錢(qián)的途徑，就是使用嵌入式調(diào)制解調(diào)器作為蜂窩IoT設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

相比模塊，嵌入式調(diào)制解調(diào)器因?yàn)榧尤肓四K所不提供的基本設(shè)計(jì)元素，例如確保接入I/O引腳，包括天線連接以及增加電壓調(diào)節(jié)功能，因此在設(shè)計(jì)上可以再進(jìn)一步，創(chuàng)造一個(gè)功能全面的調(diào)制解調(diào)器。由于嵌入式調(diào)制解調(diào)器是一個(gè)完善并且可工作的蜂窩IoT解決方案，因此調(diào)制解調(diào)器制造商可以成功達(dá)成終端產(chǎn)品的驗(yàn)證，而不僅是模塊級(jí)階段的驗(yàn)證而已。

終端產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員因此可以采用“安裝即用”(drop-in)的嵌入式調(diào)制解調(diào)器，因?yàn)樗坏腔谕ㄟ^(guò)驗(yàn)證和測(cè)試的蜂窩IoT設(shè)計(jì)，而且一旦被整合進(jìn)終端產(chǎn)品中，就不需要進(jìn)一步的驗(yàn)證。

美國(guó)嵌入式調(diào)制解調(diào)器公司NimbeLink所推出的Skywire Nano NL-SW-LTE-NRF9160是第一個(gè)公開(kāi)發(fā)布并通過(guò)了第三方終端設(shè)備驗(yàn)證的嵌入式調(diào)制解調(diào)器(圖1)，它正是基于Nordic的nRF9160 SiP而設(shè)計(jì)。這代表除了少數(shù)的特殊情況之外，任何包含Skywire Nano的產(chǎn)品或應(yīng)用，都不用再經(jīng)過(guò)蜂窩技術(shù)運(yùn)營(yíng)商的驗(yàn)證程序，就可以加入LTE-M或NB-IoT網(wǎng)絡(luò)。

圖1 Skywire Nano NL-SW-LTE-NRF9160基于nRF9160 SiP而設(shè)計(jì)，是一款已通過(guò)驗(yàn)證、適用于蜂窩IoT應(yīng)用開(kāi)發(fā)的全功能嵌入式調(diào)制解調(diào)器

3 簡(jiǎn)化蜂窩IoT設(shè)計(jì)

nRF9160 SiP和相關(guān)的開(kāi)發(fā)工具在很大程度上消除了蜂窩IoT設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，并且簡(jiǎn)化了驗(yàn)證程序，以鼓勵(lì)幾乎沒(méi)有或者完全沒(méi)有蜂窩IoT經(jīng)驗(yàn)的企業(yè)進(jìn)入這個(gè)領(lǐng)域。

這款SiP專(zhuān)用的應(yīng)用程序內(nèi)存空間使得開(kāi)發(fā)人員可以移植和執(zhí)行自己開(kāi)發(fā)的程序代碼，同時(shí)可將控制嵌入式調(diào)制解調(diào)器功能的固件儲(chǔ)存在單獨(dú)的內(nèi)存分配區(qū)中。

NimbeLink已將Nordic的設(shè)計(jì)易用性延續(xù)到Skywire Nano。該公司表示，有了嵌入式調(diào)制解調(diào)器，便可致力于為客戶(hù)減少很多設(shè)計(jì)工作，使得產(chǎn)品開(kāi)發(fā)人員可以更輕松實(shí)現(xiàn)蜂窩連接技術(shù)。

想要在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中增加蜂窩IoT連接功能的開(kāi)發(fā)人員，只要使用嵌入式調(diào)制解調(diào)器，便可以在短短幾周內(nèi)輕松將其產(chǎn)品從概念發(fā)展到部署階段。

4 蜂窩IoT將實(shí)現(xiàn)高成長(zhǎng)

為設(shè)計(jì)人員簡(jiǎn)化蜂窩IoT設(shè)計(jì)方法是極其重要的。所有的跡象都表明了，在未來(lái)幾年內(nèi)，NB-IoT + LTE-M解決方案將呈現(xiàn)快速的高成長(zhǎng)，屆時(shí)該平臺(tái)將取代Sigfox和LoRa等專(zhuān)有的LPWAN解決方案。展望未來(lái)，在針對(duì)IoT應(yīng)用的4G及5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的支持下，蜂窩IoT將可提供無(wú)所不在的低功耗連接。

2018年愛(ài)立信移動(dòng)報(bào)告預(yù)測(cè)，到2023年蜂窩IoT連接的數(shù)量可能高達(dá)35億，其中的22億可望出現(xiàn)在東北亞。該報(bào)告還指出，蜂窩IoT連接領(lǐng)域有望達(dá)到比整體市場(chǎng)更快速的增長(zhǎng)。

而除了目前進(jìn)行中的大規(guī)模基礎(chǔ)設(shè)施的部署之外，有一個(gè)正在威脅采用蜂窩IoT技術(shù)的因素，就是它的復(fù)雜性。某些供貨商的LTE-M產(chǎn)品在新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)階段時(shí)就陷于挑戰(zhàn)，在某些情況下所能提供的功能有限，但正如我們所看到的，采用Nordic的nRF9160就不會(huì)發(fā)生這些情況。

蜂窩IoT的全球基礎(chǔ)架構(gòu)已經(jīng)妥善部署并且運(yùn)作良好，基本LTE技術(shù)滿(mǎn)足了驗(yàn)證、可靠性、互操作性要求且高度安全。在目前，沒(méi)有任何競(jìng)爭(zhēng)的LPWAN解決方案可與之匹敵。

5 IoT對(duì)照明的影響

照明是普遍存在于整個(gè)已發(fā)展世界的基礎(chǔ)建設(shè)。智能照明完美融合了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的連接性、控制性和可擴(kuò)展性，以及固態(tài)照明(SSL)的美學(xué)、效率和長(zhǎng)使用壽命。這種融合的完美之處，幾乎可以說(shuō)是LED和IoT的低功耗無(wú)線連接(這兩項(xiàng)支撐智能照明的技術(shù))已經(jīng)成為一體。實(shí)際上，這樣的組合是完全偶然發(fā)生的，但盡管如此，這樣的結(jié)合提供了驚人的潛力，因此該行業(yè)即將有爆發(fā)性成長(zhǎng)。

產(chǎn)業(yè)分析公司IndustryARC表示，智能照明(無(wú)線連接的SSL)正在迅速取代不具智能的“啞”LED燈具。該公司表示，2018年全球智能照明市場(chǎng)價(jià)值68.7億美元，并呈現(xiàn)兩位數(shù)的年增長(zhǎng)率。

這樣的增長(zhǎng)部分是由LED的綠色證書(shū)(green credential)所帶動(dòng)的，該技術(shù)可以節(jié)省能源并減少碳的排放和消費(fèi)者的支出。美國(guó)能源部(DoE)表示，與白熾燈泡相比，LED至少節(jié)能75%，使用壽命則延長(zhǎng)25倍。僅僅是在美國(guó)一地，以LED代替?zhèn)鹘y(tǒng)燈泡已將電力消耗減少了348 TWh，并減少了300億美元支出。此外，因?yàn)闇p少了燃燒發(fā)電而節(jié)省了化石燃料使用，從而避免了1億噸二氧化碳排放。

然而，智能照明不僅僅是一項(xiàng)干凈、高效和可持續(xù)的技術(shù)這么簡(jiǎn)單而已。由于照明是每棟建筑結(jié)構(gòu)的基本元素，每臺(tái)燈具內(nèi)置無(wú)線技術(shù)后不但可以簡(jiǎn)化配置和控制，以獲得最佳照明效果，還可支持各種分布式傳感器，通過(guò)協(xié)調(diào)來(lái)節(jié)省更多的能源，提高生產(chǎn)率并增強(qiáng)建筑物的安全性。

6 照明即平臺(tái)(LaaP)

盡管如此，蜂窩IoT可望在現(xiàn)有的照明基礎(chǔ)設(shè)施上大幅增加更多的附加價(jià)值。根據(jù)藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟(SIG)的“照明即平臺(tái)”(Lighting as a Platform, LaaP)報(bào)告，智能照明控制可以節(jié)省多達(dá)50%的照明能源成本，而且，使用智能照明技術(shù)所實(shí)現(xiàn)的附加服務(wù)價(jià)值，甚至可能比節(jié)能的價(jià)值高十倍。換句話(huà)說(shuō)，照明控制僅是智能照明真正效益的皮毛，其效益已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了照明本身，成為物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)支柱：LaaP。

未來(lái)的智能建筑和智能城市中的照明設(shè)備，將有如人體的“中樞神經(jīng)系統(tǒng)”，它使用“神經(jīng)”和“脊椎”在網(wǎng)絡(luò)上收集感覺(jué)信息，管理數(shù)據(jù)并指示在適當(dāng)時(shí)候進(jìn)行適當(dāng)操作以達(dá)至最佳的效果。

照明在這方面擁有獨(dú)特定位，因?yàn)槊織澖ㄖ镏械拿總€(gè)房間都需要這項(xiàng)必要的基礎(chǔ)設(shè)施，我們城市中的每條街道和十字路口也是如此。照明無(wú)所不在，因此照明系統(tǒng)可以成為遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越照明功能的平臺(tái)。

現(xiàn)在還未走到這一步。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò) (mesh networking)是關(guān)鍵，雖然可以擴(kuò)展和支持節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，以及用于智能建筑或城市所有傳感器數(shù)據(jù)的吞吐量等條件都還不是很成熟，但是它們已日漸進(jìn)步，并且也取得了重大進(jìn)展，讓LaaP的所有固有優(yōu)勢(shì)得以實(shí)現(xiàn)。

隨著上一代不具備智能的“啞“LED燈具被低功耗藍(lán)牙支持的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)、Thread或Zigbee無(wú)線連接燈具所取代，開(kāi)發(fā)人員在燈具中逐漸增加嵌入各種各樣的附加傳感器，這些傳感器為許多其他由數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。資產(chǎn)追蹤及保護(hù)、測(cè)向功能、安全性、空間優(yōu)化、市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)以及居住者的生產(chǎn)力和安適感，將可全部由我們頭頂上的燈具來(lái)助力實(shí)施，同時(shí)通過(guò)蜂窩IoT進(jìn)行全球通信。

（注：本文來(lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2021年第1期。）