物聯網(IoT)設計人員能夠因應各種應用需求進行設計,但有越來越多的人並不滿意僅支援一種無線連接技術的通訊協議。這種情況在智慧家庭中最常見,因為缺乏標準(或者更確切地說,它們其實也很多餘)使得產品必須以各種方式進行連接。甚至還有些工業系統也可以利用多模無線技術。這些情況正推動著對於具有多種無線功能的處理器需求。

Nest Protect煙霧探測器就是一個很好的例子。它採用Wi-Fi連接到家中路由器,裝置中還包括藍牙(Bluetooth)無線電,讓用戶能在安裝之前直接從手機或平板電腦配置產品。而在停電期間,這款以電池供電的裝置採用專有的802.15.4協議——Nest Weave,持續在家中進行通訊,而用戶則可以透過藍牙將手機的鬧鐘設定為靜音。這種多模無線技術的組合確保了最佳化的連接性,同時轉向使用更低功耗的802.15.4協議,以延長電池壽命。

Linley Nest Protect煙霧探測器透過基於802.15.4的無線協議Nest Weave彼此互連,並經由Wi-Fi連接至家中路由器,還可以透過智慧型手機的藍牙功能進行控制

智慧門鎖通常包括一個攝影機,讓用戶在決定是否打開門鎖之前先看看是誰在門口。就像煙霧探測器一樣,門鎖通常經由Zigbee或Z-Wave (均為802.15.4變化版本)進行控制,即使斷電期間也可以進行操作。但是這些簡單的介面並沒有用於視訊的頻寬,所以相機通常透過Wi-Fi連接。

智慧家庭閘道器通常包含多種協議。這些閘道器通常整合於控制面板中,作為各種物聯網裝置的中樞。例如,XFinity Home平台提供了一個觸控面板,該面板使用Wi-Fi連接到網際網路和監控攝影機,但透過Zigbee連接到安全感測器和其他智慧裝置。某些型號還包括一款蜂巢式數據機,因此即使是在網際網路連線中斷的情況下,仍然可以傳送緊急警報。閘道器也可以作為獨立的裝置,如Wink Hub,能夠透過Wi-Fi、藍牙、Zigbee、Z-Wave、Thread以及其他協議進行通訊。

雖然工業環境可以得到更好的控制,但廠房設施最終通常會使用不同協議的多套物聯網系統。例如,智慧照明系統可能使用Zigbee,而資產追蹤依賴於藍牙。當系統由不同的部門在不同的時間安裝時,經常會發生這種不匹配的情況。在這些情況下,多協議閘道器能夠簡化物聯網的資料收集和控制。如同消費裝置一樣,添加藍牙就能讓手機或平板電腦更加簡單地配置和管理工業物聯網設備。

將多個無線晶片添加到基於微控制器(MCU)的基本設計,可能使其變得非常複雜且成本高昂。更好的解決方案之一是選擇一款多協議的物聯網處理器。例如,高通(Qualcomm)的QCA4020結合Cortex-M4子系統以及Wi-Fi、藍牙和802.15.4等三種無線協議。雖然有些系統設計可能會省略5GHz天線以降低成本,但為了實現最佳性能,這款晶片採用了雙頻(5GHz/2.4GHz) 802.11n Wi-Fi的設計。該晶片還建置了最新的藍牙5協議,可在連接至相容裝置的同時擴展範圍,它同時也支援新的藍牙網狀協議。

這三種無線技術整合了基頻、收發器和放大器(PA/LNA),從而減少了BOM。該晶片包括一個專用的CPU和記憶體,以及第二個CPU和記憶體,用於處理藍牙和802.15.4 MAC,從主Cortex-M中卸載這些任務並提高安全性。硬體共存引擎有助於Wi-Fi和藍牙MAC協調使用2.4GHz天線,以避免降低支援單獨無線晶片的系統性能。

Cortex-M4F CPU工作頻率高達128MHz。除了32KB L1快取之外,CPU還可以利用晶片SRAM。即使加載了基本的RTOS和驅動程式,記憶體也為應用程序留下了300KB以上的空間,而無需使用外部DRAM。然而,QCA4020依靠外部快閃記憶體,支援QSPI連接的就地執行(XIP)協議。該晶片還包括安全引擎和通用裝邊設備,包括序列埠、A/D轉換器以及USB 2.0。

相較於市場上多家供應商提供整合一個或甚至兩種無線協議的MCU,QCA4020則是一款支援3模的物聯網處理器。隨著越來越多的物聯網設計人員試圖將多種無線協議添加到系統中,這一類微處理器將有助於簡化其物料清單(BOM)並縮短設計時間。

編譯:Susan Hong

(參考原文:IoT Designers Seek Multimode Connectivity,by Linley Gwennap)