物聯(lián)網(wǎng)（IoT）由于其提供的許多潛在好處而受到了很多當(dāng)之無愧的關(guān)注。雖然在五年，十年或更長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)安裝的物聯(lián)網(wǎng)連接節(jié)點(diǎn)的數(shù)量是很多猜測(cè)和市場(chǎng)研究的主題（并且還有很多猜測(cè)），但有一件事是清楚的：數(shù)字將是巨大的。物聯(lián)網(wǎng)與其機(jī)器對(duì)機(jī)器（M2M）應(yīng)用的工業(yè)兄弟密切相關(guān)，因此兩個(gè)類別之間存在許多技術(shù)相似性和實(shí)現(xiàn)重疊。

從高層次的角度來看，物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)由三個(gè)系統(tǒng)功能塊組成（圖1）：1）傳感器或傳感器（溫度，流量，開/關(guān)門位置，如例）; 2）數(shù)字處理器單元（微控制器），它捕獲傳感器數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理和分析; 3）連接端口，可以是有線或無線的。如果存在可用的低成本網(wǎng)絡(luò)或正在安裝一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，如果安全性是關(guān)鍵考慮因素，如果設(shè)置是嚴(yán)重的EMI/RFI區(qū)域，或者只連接幾個(gè)點(diǎn)，則前者是一個(gè)選項(xiàng)。但是，對(duì)于大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)安裝，由于易于安裝和初始放置的整體靈活性，甚至在需要時(shí)重新定位物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，因此無線鏈接是首選選項(xiàng)。

圖1：IoT或M2M節(jié)點(diǎn)的高級(jí)系統(tǒng)框圖顯示了三個(gè)主要功能：傳感器，處理器和連接接口。

選擇標(biāo)準(zhǔn)無線鏈接并不意味著設(shè)計(jì)決策已完成且設(shè)計(jì)過程微不足道。在許多情況下，無線鏈路必須遵守行業(yè)和監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)以及區(qū)域批準(zhǔn)。設(shè)計(jì)人員可能需要考慮許多無線物聯(lián)網(wǎng)選項(xiàng)。在某些安裝中，由于授權(quán)或現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)已做出決定。在其他情況下，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)性能，網(wǎng)絡(luò)類型（網(wǎng)狀，WLAN，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)），范圍，功率，頻帶，穩(wěn)健性等的權(quán)衡和優(yōu)先級(jí)來評(píng)估選項(xiàng)并做出選擇。當(dāng)然，成本。還存在安全性，身份驗(yàn)證和加密等主要問題。

選擇很容易變得撲朔迷離

如果可以考慮所有或大多數(shù)無線物聯(lián)網(wǎng)連接選項(xiàng)，則可以進(jìn)行設(shè)計(jì)分析由于接近絕大多數(shù)可行的可能性而具有挑戰(zhàn)性。除了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的接口選項(xiàng)外，如果標(biāo)準(zhǔn)接口不合適或者出于競(jìng)爭(zhēng)或安全原因需要某種“鎖定”，總是可以選擇設(shè)計(jì)專有鏈路。作為一般規(guī)則，除非有使用專有無線方法的強(qiáng)烈令人信服的理由，否則使用標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)進(jìn)入市場(chǎng)會(huì)更容易，風(fēng)險(xiǎn)更低，成本更低，速度更快。即使在這些標(biāo)準(zhǔn)版本中，也有許多變體和版本;再次，出于與選擇非專有方法相同的實(shí)際原因，通常最好選擇更常見的方法。

物聯(lián)網(wǎng)無線連接的競(jìng)爭(zhēng)者包括Wi-Fi，藍(lán)牙（包括藍(lán)牙智能，以前的藍(lán)牙低功耗），ZigBee，Z-Wave，DECT和ANT +。當(dāng)然，每個(gè)人都有支持者和支持者，以及不同程度的供應(yīng)商對(duì)硬件，軟件和合規(guī)性的支持。表1顯示了每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的主要屬性，但請(qǐng)注意標(biāo)準(zhǔn)總是在不斷發(fā)展，因此表格只是一個(gè)粗略的指南。一般而言，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用不需要太多的范圍或高數(shù)據(jù)速率，并且保持這些屬性較低會(huì)導(dǎo)致電源和射頻階段的電源要求低得多。

標(biāo)準(zhǔn)名稱

標(biāo)稱頻率（美國(guó)）

范圍

數(shù)據(jù)速率

最大值。電源

Wi-Fi

IEEE 802.11（a，b，g，n，ac，ad）

2.4,5.8,60 GHz

100 m

11-600 Mbps

1 W

Z-Wave

Z-Wave聯(lián)盟

908.42 MHz

30 m

100 kbps

1 mW

藍(lán)牙

IEEE 802.15.1

2.4 GHz

100 m

1-3 Mbps

1 W

藍(lán)牙智能（BLE）

IEEE 802.15.1

2.4 GHz

100 m

1 Mbps

10-500 mW

ZigBee

IEEE 802.15.4

2.4 GHz

10 m

250 kbps

1 mW

ANT +

ANT + Alliance

2.4 GHz

100 m

1 Mbps

1 mW

表1：無線標(biāo)準(zhǔn)的主要屬性。

實(shí)施是下一步

一旦做出無線連接決策，下一步就是決定如何實(shí)際實(shí)施節(jié)點(diǎn)。選擇分為三大類：

1）從頭開始設(shè)計(jì)和構(gòu)建設(shè)計(jì)。這通常是最不具吸引力的替代方案，因?yàn)樗枰喈?dāng)多的RF經(jīng)驗(yàn)和技能，以及軟件協(xié)議和堆棧管理方面的專業(yè)知識(shí)（其中一些可能在市場(chǎng)上從第三方來源獲得）。自己動(dòng)手可能是專有無線鏈路的必要方法。

2）使用來自信譽(yù)良好且經(jīng)過驗(yàn)證的IC供應(yīng)商的參考設(shè)計(jì)（硬件和軟件）構(gòu)建無線節(jié)點(diǎn)，該供應(yīng)商也提供開發(fā)工具。與上述選項(xiàng)相比，這需要更少的技能和更少的資源，但仍有許多潛在的風(fēng)險(xiǎn)。如果卷足夠高并且功能集可以被剝離到最小，則它可能是成本最低的選項(xiàng)。請(qǐng)注意，BOM或布局中參考設(shè)計(jì)的任何更改（甚至是小更改）都可能會(huì)影響性能;在這方面，RF總是很棘手。

3）使用完整的，隨時(shí)可用的模塊和必要的軟件工具。從理論上講，這是最快，風(fēng)險(xiǎn)最小的方法，如果供應(yīng)商的數(shù)量很大，與選項(xiàng)＃2相比可能非常劃算。它還為各種監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)帶來了一些額外的認(rèn)證。

無論選擇何種方案，總是存在監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)和限制，以滿足與頻率使用，帶寬，帶內(nèi)和外部相關(guān)的要求。處理RF鏈路時(shí)的頻帶功率，失真和溢出以及其他參數(shù)。使用預(yù)先認(rèn)證的模塊是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的重要一步，但這只是第一步。包含該模塊的最終產(chǎn)品將需要自己的認(rèn)證，因?yàn)槭褂媒?jīng)過認(rèn)證的模塊并不能保證最終設(shè)計(jì)符合功能和法規(guī)要求。天線類型和位置，模塊布置，晶體細(xì)節(jié)，附近組件和封裝等問題是最終認(rèn)證和批準(zhǔn)過程的一部分。

IC成長(zhǎng)為模塊

許多供應(yīng)商提供基于混合，多芯片甚至單芯片實(shí)現(xiàn)的完整RF模塊，用于不同的物聯(lián)網(wǎng)無線標(biāo)準(zhǔn)。除了性能和價(jià)格之外，各種模式下的電源使用也是一個(gè)關(guān)鍵考慮因素，因?yàn)榇蠖鄶?shù)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用都是電池供電，無法接入（無法或難以更換）或使用 - 清除（收獲）能源。

藍(lán)牙智能（以前稱為藍(lán)牙低功耗）IC及相關(guān)模塊說明了設(shè)計(jì)人員如何根據(jù)其應(yīng)用和優(yōu)先級(jí)評(píng)估其選項(xiàng)和最佳解決方案。德州儀器（TI）提供CC2541系列2.4 GHz藍(lán)牙V4.0低能耗SOC（例如TI CC2541F256），其主要區(qū)別在于板載內(nèi)存，而非RF，數(shù)據(jù)鏈路或I/O性能。這些器件支持250 kbps，500 kbps，1 Mbps和2 Mbps的數(shù)據(jù)速率，具有各種超低功耗模式和協(xié)議，包括低至17.9 mA的有源模式接收，有源模式發(fā)送（0 dBm） ）18.2 mA，功耗模式1，喚醒時(shí)間為4μs，270μA，功耗模式2（睡眠定時(shí)器開啟）和功耗模式3（外部中斷），0.5μA，工作電源為2至3.6 V.

6×6 mm SOC（圖2），集成了大量其他功能和特性，包括8051微控制器，硬連線格式和協(xié)議棧，可觀的RAM，三個(gè)定時(shí)器，23個(gè)通用I/O（ GPIO）引腳，8通道A/D轉(zhuǎn)換器，看門狗定時(shí)器，電池監(jiān)視器，溫度傳感器，I 2 C/SPI和UART接口。該設(shè)備的目標(biāo) - 但無法保證符合全球無線電頻率規(guī)定，如ETSI EN 300 328和EN 300（歐洲），F(xiàn)CC CFR47第15部分（美國(guó)）和ARIB STD-T66（日本）。

圖2：德州儀器（TI）的CC2451系列藍(lán)牙智能SOC中的器件高度集成，具有超出基本要求的許多特性和功能，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，最小化空間，節(jié)省功耗并降低成本。

TI與IC一起提供一系列產(chǎn)品開發(fā)工具，如評(píng)估模塊套件（CC2541EMK），迷你開發(fā)套件（ CC2541DK-MINI），SmartRF軟件等。 CC2541的典型應(yīng)用電路（圖3）顯示了所需的外部元件。

圖3：在典型的應(yīng)用場(chǎng)景中，只有少數(shù)外部元件需要無源元件才能為CC2451器件提供完整的藍(lán)牙智能功能。

即使擁有這款功能強(qiáng)大且高度集成的藍(lán)牙IC，成功將這款SOC集成到其終端產(chǎn)品中的多方面挑戰(zhàn)也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過許多OEM希望接受。對(duì)于這些情況，諸如TDK SESUB-PAN-T2541之類的模塊提供了另一種選擇（圖4）。它采用TI CC2541F256 SOC，但實(shí)際上更小（約4.6×5.6 mm），因?yàn)樗跓o封裝芯片，還包括晶體，RF濾波器，旁路電容和應(yīng)用電路的其他一些分立元件（圖5）。用戶仍然必須添加與最終產(chǎn)品的細(xì)節(jié)兼容的尺寸，類型和位置的天線。

圖4：盡管如此CC2451 SOC系列的完整性，一些設(shè)計(jì)人員不愿意應(yīng)對(duì)RF電路布局的任何挑戰(zhàn)，而是需要一個(gè)完整的，經(jīng)過認(rèn)證的模塊，如TDK的SESUB-PAN-T2541。

圖5：完全封閉的SESUB-PAN-T2541模塊大約5平方毫米，需要直流電源和外部天線，以及軟件驅(qū)動(dòng)程序和接口堆棧。

物聯(lián)網(wǎng)是其中一種偶然的應(yīng)用，其中組成部分和市場(chǎng)機(jī)會(huì)在正反饋關(guān)系中方便地相互支持 - 具有諷刺意味的是，工程師通常不愿意看到這種關(guān)系。必要的射頻連接組件的供應(yīng)商正在投資新產(chǎn)品以支持應(yīng)用并推動(dòng)其發(fā)展;反過來，應(yīng)用程序的增長(zhǎng)導(dǎo)致現(xiàn)有和新的供應(yīng)商進(jìn)入市場(chǎng)并生產(chǎn)新的組件。這在RF領(lǐng)域尤其有用，其中需要新的組件和軟件工具來簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)人員在嘗試有效地與成功的，符合標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)的新的且通常是神秘的世界進(jìn)行交互時(shí)所面臨的挑戰(zhàn)。