物聯網是一個令人興奮的機會。能夠將設備連接到更廣泛的網絡，以便定期輕松訪問數據，為嵌入式系統設計人員提供更多選擇。

連接這些設備的關鍵技術之一 - 無論是傳感器，控制器或終端 - 當然是無線的。雖然ZigBee等組織從一開始就將此應用程序作為其活動的核心，但Bluetooth Special Interest小組已開始增加支持物聯網的功能以及可穿戴計算，智能手機終端和外圍設備的現有設計。藍牙智能協議的最新版本通過軟件將這些功能添加到現有硬件中，為工業領域帶來了顯著的規模經濟。

圖1：在物聯網上實現一系列節點的選項。

其中一個關鍵的例子是Nordic Semiconductor的nRF51822。這是一種用于超低功耗（ULP）應用的多協議單芯片。它結合了Nordic的收發器，ARM Cortex-M0 32位內核，16 KB的RAM用于協議棧和其他應用，以及高達256 KB的閃存存儲，40 kB至180 kB可供用戶使用。

它還包括一個AES引擎來處理數據加密。由于這些數據在Internet上運行，因此在無線節點進行加密更為重要。

對于工業物聯網應用，外設組合變得更加重要。雖然更多標準藍牙應用具有相當明確且穩定的外圍設備組，但對于無線傳感器節點和不同控制器，通常需要不同的外圍設備。 nRF51822中的可編程外設互連（PPI）系統是一個16通道總線，支持與系統外設的直接和自主連接，無需CPU。這減少了通信延遲并使其更具可預測性，從而幫助開發人員編寫響應更快的軟件。這也有助于降低功耗，因為CPU不需要上電。雖然芯片具有兩種全局功耗模式，但每個外設都可以獨立關閉，再次降低了整體功耗。

對于這款nRF51系列器件，輸出功率現在可以從+4 dBm擴展低至-20 dBm，步長為4 dB，藍牙智能應用的靈敏度高達-93 dBm。

圖2：來自Nordic Semiconductor的藍牙智能nRF51822單芯片。

nRF51822的一個主要優勢是它為開發人員提供了應用程序代碼開發和嵌入式協議棧之間的清晰分離。這意味著避免了嵌入式堆棧的編譯，鏈接和運行時依賴性以及相關的調試挑戰。這是通過將Bluetooth Smart堆棧作為預編譯的二進制文件提供來實現的，使應用程序代碼在通過異步，事件驅動的接口與堆棧通信時單獨和獨立編譯。

設計人員可能會減少為特定應用程序調整堆棧的機會，從而在開發和測試應用程序時節省大量時間。這也消除了對更復雜的實時操作系統框架的需求，這可能增加代碼的復雜性。

這種分離使Nordic可以通過其軟件開發套件在現有的Bluetooth Smart 4.0硬件之上添加IPv6功能。它為nRF51系列設備提供驅動程序，庫，示例和API，其中包括IPv6 over Bluetooth Smart適配層（6LoWPAN）和完整的Internet協議套件。它還為藍牙智能應用程序提供本機IPv6支持，讓他們通過基于IP的網絡直接與云服務和其他連接的“事物”對話。

該開發工具包支持大規模，分布式云與智能家居，工業和企業自動化應用，物流，訪問控制和云服務相關的異構網絡部署，可與設備完全無關。這使得沒有用戶界面的“無頭”藍牙智能系統可以輕松地相互通信，并與其他支持IPv6的有線或無線技術（如Wi-Fi，以太網，ZigBee IP和線程）形成異構網絡。

nRF51 IoT SDK不是使用網關，而是將IP尋址一直擴展到“東西”，從而實現“無頭路由器”。協議棧的第一個版本包括：互聯網協議支持配置文件（IPSP），6LoWPAN適配層，IPv6互聯網路由層，用戶數據報協議（UDP）和傳輸控制協議（TCP）傳輸層，約束應用協議（CoAP）和消息隊列遙測傳輸（MQTT）應用程序層，以及一系列應用程序示例。這些都針對nRF51822上的小內存占用進行了優化，SDK包含將設備配置為Bluetooth Smart 6LoWPAN節點的示例，與UDP和TCP等傳輸層的IP層連接，以及應用程序與CoAP和MQTT的水平。

片上系統（SoC）不是必須的 - 中央處理器運行更簡單的ZigBee或6LoPAN堆棧，可以使用獨立的收發器，如Atmel的AT86RF231，允許設計人員實現專有算法和開發自己的協議實現。

這是一款低功耗2.4 GHz無線電收發器，專為工業和消費類ZigBee/IEEE 802.15.4,6LoWPAN，RF4CE和高數據速率2.4 GHz ISM頻段應用而設計。無線電收發器是一種真正的SPI到天線解決方案，其中除了天線，晶體和去耦電容之外的所有RF關鍵組件都集成在芯片上，模擬無線電，數字調制和解調，包括時間和頻率同步和數據緩沖。

圖3：AT86RF231是2.4 GHz頻段的獨立收發器，可輕松連接到IoT節點的中央控制器。

模塊

無線物聯網不只是關于32位處理器;諸如易于集成到設計中的因素可能是一個問題。在這種情況下，集成無線收發器，控制器和天線的模塊可以節省大量的開發和成本。

Dresden Elektronik的deRFmega128-22M00無線電模塊的主要組件是8位ATmega128RFA1微控制器。它與2.4 GHz收發器相結合，采用緊湊型模塊，適用于ZigBee或6LoWPAN等無線應用，符合IEEE 802.15.4標準。

無線電模塊設計為無線傳感器網絡的節能終端設備。用戶可通過位于模塊底部的0.80 mm間距的總共51或55個可焊接LGA焊盤訪問所有重要信號。 22M00型具有集成天線，無需額外的RF設計，最大限度地縮短了定制設計的集成時間和BOM成本。 22M10型模塊具有射頻墊，可實現外部天線設計或同軸插座，適用于更遠距離或更高性能的應用。

集成收發器具有-100 dBm的接收器靈敏度以及128位AES數據加密單元，有助于保護鏈路。 8 MHz MCU時鐘意味著無線電模塊在發送和接收模式下的電流消耗非常低，約為18 mA。睡眠模式下的電流消耗小于1μA。

對于藍牙智能等認證標準，模塊可以提供已經認證可以工作的簡單插入選項。

Silicon Labs的BLE113是藍牙智能模塊針對物聯網中的小型低功耗傳感器。它集成了Bluetooth Smart應用程序所需的所有功能，包括收發器，軟件堆棧和基于GATT的配置文件，并且可以支持多達8個連接的主模式和從模式。

這具有額外的優勢，如它還可以托管最終用戶應用程序，這意味著對于簡單的應用程序，不需要外部微控制器。這對于引腳數（即占位面積）有限的設計尤為重要。

這也采用8位方法，可編程8051級控制器內核與靈活的硬件接口相連，可連接到不同的外圍設備和傳感器。

圖4：Silicon Labs的BLE113藍牙模塊使用8位控制器。

在最低功耗睡眠模式下功耗僅為500 nA，將在幾百微秒內喚醒，發射電流為18 mA，接收電流為14 mA。這意味著它可以直接由標準的3 V紐扣電池或AAA電池供電，適用于小型設計。

9.15 x 15.75 x 2.1 mm模塊包括一個單極芯片天線，其阻抗匹配針對1 mm - 2 mm主板PCB厚度進行了優化，因為輻射模式受主板布局的影響。

結論

物聯網是一個日益重要的市場細分市場，具有自己的特定要求。離散控制器和收發器可用于低成本，緊密集成的設計，而32位控制器內核則在片上系統中處理協議和應用程序代碼。這兩種方法都與提供預認證功能的模塊一起使用，并大大縮短了開發和測試物聯網無線解決方案的時間，同時又不影響空間或性能。