隨著物聯網（IoT）的發展，為物聯網定義最佳無線連接方案的標準仍然難以捉摸。對于物聯網設備開發人員而言，這會帶來重大風險，因為選擇錯誤的標準將大大減少市場機會。然而，試圖滿足所有可能的標準會導致設計過于復雜，成本增加和項目延遲。隨著德州儀器和恩智浦多標準無線MCU的出現，開發人員可以有效地滿足新興的物聯網連接要求。

多年來，無線系統設計在很大程度上仍然是射頻專家的專屬領域。對于RF設計新手的工程師來說，優化傳輸功率和接收器靈敏度的要求通常會給應用帶來極大的復雜性。這通常會導致整體功能的權衡，同時延長項目進度。

無線MCU的出現給連接應用的發展帶來了巨大的變化，甚至可能催生了物聯網本身的愿景。通過在單個芯片上集成處理器和RF收發器，這些片上系統（SoC）器件實現了民主化的無線系統設計。工程師可以充分利用半導體供應商自己的RF專家內置于這些設備中的優化無線通信功能，而不是處理與RF設計相關的各種問題。開發人員可以專注于在自己的應用中應用無線連接，而不是浪費時間優化設計的關鍵但非差異化部分。

德州儀器CC2650 MCU進一步集成了對連接的支持，基于ARM Cortex ? -M3的主機，具有完整的片上通信子系統（圖1）。這里，主處理器從其引導ROM和集成閃存運行主應用程序和高級協議棧。當應用程序需要通信事件時，主機處理器僅需要向通信子系統發送高級請求。反過來，該子系統的專用ARM Cortex-M0內核將這些高級請求轉換為特定的通信任務，并使用集成的RF功能來執行實現它們所需的詳細事務。

圖1：下一代無線MCU，例如TI CC2650;集成了復雜的通信子系統，包括專用處理器和RF功能。 （圖片由德州儀器公司提供）

TI CC2650等無線MCU已成為一種經濟高效的近乎可靠的解決方案，可滿足各種應用需求。 RF工程師可以利用RF和天線設計，在不影響可靠性或性能的情況下提供簡便性（CC2650 Dev Kit可用于評估器件）。應用軟件開發人員可以類似地利用集成功能來實現安全性，傳感器控制，數字I/O和模擬信號調理。同樣重要的是，應用軟件運行在許多開發人員熟悉的行業標準ARM Cortex-M3 MCU架構上。實際上，軟件開發人員可以通過供應商提供的廣泛生態系統和第三方軟件庫（包括經過全面測試的通信協議棧）加速開發。

多樣化的連接要求

對于物聯網設計人員來說，然而，物聯網通信的混合特性使基于這些無線MCU的連接應用的簡化開發變得復雜。例如，在開發典型的工業應用時，工程師將實施旨在利用該環境中使用的低功率IP網絡的連接。相比之下，對于消費者應用，工程師將更多地關注智能手機和移動產品中使用的點對點通信協議。由于物聯網通常與工業和消費者應用共享通用連接要求，因此與其他連接應用相比，物聯網通信復雜性可能會大幅提升。

對于消費類應用，藍牙無處不在使其成為首選連接選項：每款現代智能手機都支持藍牙，特別是其低功耗版本，稱為藍牙智能或藍牙低功耗（BLE）。 BLE工作在2.4 GHz ISM頻段，提供高數據速率（1 Mbps），連接時間非常短，只有幾毫秒。在連接事件之后，BLE收發器可以進入低功耗靜態狀態，直到下一次連接。因此，設計人員可以在典型的基于BLE的應用中實現極低的功耗。

對于工業應用，基于802.15.4的網絡是ZigBee ?等標準的首選方法通常用作高級協議。 802.15.4收發器可以使用2.4 GHz ISM頻段，并且可以支持高達250 Kbps的數據速率。 （802.15.4還允許在不同的國家區域使用較低頻率的ISM頻段，但2.4 GHz頻段仍然是國際標準。）

它們共同使用2.4 GHz ISM頻段是BLE之間唯一的實際相似性和802.15.4。對于2.4 GHz頻段，802.15.4標準使用偏移 - 正交相移鍵控（O-QPSK）指定物理（PHY）層，這是一種使用四個不同相位值的調制方法。相比之下，BLE使用高斯頻移鍵控（GFSK），這是一種旨在減少干擾的脈沖整形技術。 BLE在2 MHz間隔上使用40個通道; 802.15.4在5 MHz間隔上使用16個信道。除了這些基本差異之外，兩個標準之間的差異還延伸到BLE的堆棧（圖2，左）和常用的基于802.15.4的協議，如ZigBee（圖2，右）。

圖2：隨著它們的不同調制技術，BLE堆棧（左）和基于802.15.4的ZigBee堆棧在各自的軟件層上呈現出明顯的差異。 （圖片由CSR/Qualcomm提供）

與此同時，連接標準的起伏和變化給開發人員帶來了進一步的困境。一方面，下一代藍牙（V4.2）承諾BLE具有網狀網絡功能，缺乏這種功能限制了其在物聯網應用中的實用性。也就是說，相應的硬件才剛剛興起，缺乏基于IP的連接仍然是一個缺點。另一方面，包括ARM，NXP和Silicon Laboratories在內的領先芯片制造商已與領先的產品制造商一起支持基于IP的網絡標準，稱為Thread，基于6LoWPAN，其底層使用802.15.4。 p>

多標準連接

最終，BLE和802.15.4各自提供了引人注目的連接選項，部署任何一個（或兩個）的參數仍然有效。在此論點發生變化之前，產品開發人員將繼續面臨在兩個通信領域之間輕松轉移的壓力。

但是，過去，希望支持基于802.15-4和BLE的連接的公司需要為每個人創建和維護單獨的設計。實際上，設計人員可以找到專門為支持BLE通信而設計的各種無線MCU，以及基于802.15.4的通信。

然而，實際上，構建包含BLE無線MCU和802.15-4無線MCU的應用程序的成本和復雜性在競爭激烈且注重成本的物聯網市場中絕對是令人望而卻步的。一種更有效的方法將依賴于能夠支持基于BLE或基于802.15.4的連接的單一硬件設計。

采用單一基本硬件設計，制造商可能會延遲選擇無線連接協議，直到設計周期或更快地響應不同通信要求的新機會。這種延遲連接決策落后于綜合通信IC系列，例如TI SimpleLink系列，設計人員可以切換到另一個代碼兼容的SimpleLink無線設備。這使他們能夠在不影響應用的情況下切換底層通信協議。

TI CC2650進一步簡化了支持多種通信標準的任務。該器件集成了對BLE和802.15.4無線電的支持，允許在不改變天線設計的情況下快速重定向到另一種協議。因此，使用CC2650構建的設計無需鎖定選擇即可投入生產，并在現場部署時進行配置。如果以后需要更改協議，CC2650可以在現場重新編程，以支持所需的協議。

CC2650的多標準無線電作為一個易于重新定位的單一平臺提供了顯著的優勢。但是，在軟件方面，重新定位需要重新加載軟件。 TI警告開發人員，CC2650的軟件構建一次只能支持一種協議。此外，設備本身不能同時保存兩個圖像的圖像。雖然CC2650在片上ROM中包含部分BLE和802.15.4堆棧，但CC2650片上128 KB閃存不足以同時保存BLE和802.15.4協議：BLE堆棧需要90-120 KB且ZigBee堆棧通常需要48 KB左右。即使使用高度優化的堆棧或剝離了額外的功能，也幾乎沒有空間容納應用程序所需的額外代碼。

然而，在實踐中，設計人員可以簡單地添加足夠大的外部閃存來存儲BLE和802.15.4映像，適用于需要能夠輕松重新配置以支持任一協議的應用程序。實際上，TI本身使用這種方法和基于CC2650的SensorTag參考設計（圖3），并進一步利用額外的存儲來支持新固件映像的空中下載（OAD）。

在OAD期間交易時，設備將新固件下載到外部閃存。驗證新圖像后，將其復制到片上閃存中，并重置設備以開始執行新圖像。當然，單獨的BLE和802.15.4圖像可以靜態存儲在此外部閃存中，并在物聯網設備需要更改通信協議時加載。

圖3：CC2650支持與外部閃存的簡單接口，例如Winbond Electronics W25X20C 2 Mb閃存，用于存儲多標準連接所需的完整映像。 （圖片由德州儀器公司提供）

切換物聯網設備通信協議的能力為設計增加了顯著的靈活性。然而，設計必須最終位于一個世界或另一個世界，802.15.4或BLE。對于必須與使用不同協議的網絡保持連接的應用，恩智浦KW40Z W系列Kinetis MCU提供了獨特的解決方案。

KW40Z SoC集成了ARM Cortex-M0 +內核，160 KB閃存和20 KB SRAM，以及2.4 GHz收發器和用于處理BLE和802.15.4通信的專用硬件。它們由硬件安全性和全套數字和模擬外設（包括16位ADC）提供支持。憑借其更大的閃存模塊，KW40Z集成了足夠的片上存儲器，可同時運行BLE堆棧和IEEE 8021.5.4 MAC/PHY，適用于需要在多個網絡上同時運行的應用。此外，恩智浦正在通過其W系列家族的下一代產品升級內存：KW41Z在撰寫本文時仍處于預生產階段，具有256至512 KB的片上閃存和64-128 KB的片上SRAM 。

在KW40Z先進的數字無線電子系統中，TX數字模塊（圖4）根據所需的通信協議調制傳輸數據，并提供數據傳輸到數字無線電的鎖相環（PLL），反過來處理頻率選擇和最終傳輸。 TX數字模塊可以調制來自GFSK，FSK或DFT音調調制器的傳輸數據，甚至可以調制用戶提供的調制方案。

圖4 ：TX數字模塊是KW40Z數字無線電子系統的一部分，支持單獨通信標準（包括BLE和802.15）所需的調制。它使用快速時間切片方法來維護跨不同協議的并發通信。 （圖片由恩智浦提供）

如圖4所示，通信信號路徑似乎一次只支持一個協議。實際上，KW40Z采用快速時間分片方法，足以在BLE和802.15.4通信之間交替，同時維持各自的通信通道。對于應用層和通信層，KW40Z似乎在BLE和802.15.4網絡上進行通信。

結論

物聯網應用可以征收跨越工業和消費者通信要求的連接需求。盡管設計人員擁有廣泛的獨立選項來支持諸如802.15.4之類的工業協議或諸如BLE之類的消費者協議，但是在同一設計中很少有可行的替代方案可用于支持多種協議。隨著多標準無線MCU的出現，物聯網開發人員可以提供更靈活的連接選項，甚至可以在單一設計中支持基于802.15.4和BLE的并發通信。