連結性是物聯網(IoT)的一個基本組成部分,並能支援智慧城市、工業4.0、家庭自動化和自動駕駛等趨勢。無線技術現在是一種常見的連結形式,雖然可能很難說無線連結比有線連結更多,但很難否認它是連結新設備的首選方式。這在更廣泛的物聯網中尤其重要,因為許多端點將是位於相對遠端的小型感測器或致動器,或用於移動(如車輛)或可攜式(如平板電腦)的設備。

除了方便之外,無線連結的另一個優勢是範圍;在大多數情況下,如果網路接取點與設備之間的距離超過3公尺,無線連結就有意義了。此外,如果設備數很多,例如在智慧辦公室中,可能有數百個端點,包括門窗上的近接感測器(proximity sensor),或者遠端控制的照明裝置,無線接取就有意義。一個接取點可支援的設備的理論數量實際上只受到它能提供的IP位址數限制,但實際上實施數百個乙太網埠將消耗大量的空間和功率。

選擇正確的無線協議

有鑑於無線連結的便利性、通用性和性能,再加上市場機會(我們預計在這十年內將有數百億台設備連結到物聯網),現在有許多無線協議可供運用不足為奇。

如今,主要得益於智慧型手機、平板電腦、耳機及電腦周邊等個人設備的激增呈現出的規模經濟效益,藍牙正在普及。藍牙連結的運作頻率為2.4GHz,根據環境的不同,藍牙連結的範圍通常在20到30公尺之間,在同一波段運作的其他技術也同樣受限,但它們透過採用網狀網路(mesh networking)拓撲來克服這一問題,在2.4GHz頻段內不同協議之間存在競爭,因為它們都在物聯網領域爭奪設計勝算。

早在2.4GHz技術誕生之前,工業應用中的無線連結就傾向採用在MHz範圍內的頻率,這些頻率隨後被重新命名為「次GHz」 (Sub-GHz)協議,以反映2.4GHz協議的出現。過去Sub-GHz頻段的標準化程度較低,也有佈署特定方案的法規方面自由,因此它仍然很受歡迎。然而,為了因應物聯網的挑戰,它也隨著越來越多支援互通性標準化方案的發展而發展;它是物聯網及其許多垂直領域的首選協議。

專為物聯網開發

物聯網範圍廣大而無邊界,這說明傳輸範圍極其重要。雖然這可透過運用基於網狀拓撲的個人區域網路(Personal Area Networks,PAN)來實現,它們仍然需要中繼器或相對接近的節點,以便在很長的距離內傳播資料。正因為如此,開發人員開始轉向廣域網路(Wide Area Networks,WAN)。今天運用的最常見的無線WAN是行動電話網路,然而,將同樣的技術用於物聯網仍然會帶來挑戰;除了接取網路的成本之外,端點的電池使用壽命將以天、而非月甚至年為單位。

解決這一問題的實際方案是低功耗廣域網路(LPWAN)。為支援LPWAN而開發的技術提供了可在較低載波頻率下實現的範圍,但對於物聯網端點所需的電池使用壽命,真正唯一的妥協是在有效負載(payload)上。LPWAN運用物聯網中的端點通常只需相對較低頻傳輸少量資料的優勢,這說明每次傳輸所用的能量絕對保持最低。

LPWAN運用的網路拓撲模擬行動網路,因為它通常運用基地台的星狀網路,而不是由中繼器組成的網狀網路。網路可以是開放的,也可以是專有的,取決於應用。目前相關通訊協議的案例包括無線計量匯流排(Wireless-M Bus,廣泛用於智慧抄表)、KNX (用於家庭自動化系統)和Sigfox (實際上它是一種協議也是一種全球性LPWAN,鎖定於連結物聯網感測器)。

LPWAN連結的單晶片方案

針對LPWAN應用領域的無線技術覆蓋頻率範圍很廣,從27 MHz到1050 MHz。為了實現一個可以運用各種LPWAN協議解決各種不同物聯網應用的單一設計,收發器需要能夠在整個範圍內運作。此外,在韌體中運作的協議需要一個有能力的微控制器。

將這兩種功能元素整合到一個單一元件中,可創造一種靈活的方案,比雙晶片方案更具有成本優勢而且更省電。由於這主要由軟體定義,為製造商提供了一個容易調整的平台,可透過運用不同無線協議滿足更廣泛應用的需求。

需要限制透過LPWAN運作的許多IoT端點進行無線交換的資料量,這更強調了邊緣處理;使端點能夠在當地處理資料,並且在不涉及雲端平台的情況下採取行動。為了支援這一點,任何方案的處理性能都需要很好地平衡功率和性能。Arm Cortex-M0核心就適合這個應用領域,因為它提供32位元架構的性能,但具有領先的低功耗;安森美半導體的AXM0F243低功耗RF微控制器亦採用該架構。圖1顯示了該元件的功能區塊圖,它整合了Arm核心子系統,以及具備建立一個物聯網應用LPWAN裝置所需之RF功能。

20190319_LPWAN_TA31P1

圖1:AXM0F243的功能區塊圖。

該整合式窄頻收發器相容一系列調變方案,包括頻移鍵控(Frequency Shift Keying,FSK)、最小(頻率)頻移鍵控(Minimum Shift Keying,MSK)、4-FSK和高斯(Gaussian) FSK和MSK,以及幅移鍵控(Amplitude Shift Keying,ASK)和相移鍵控(Phase Shift Keying,PSK)。因為它主要由軟體定義,所以可支援許多LPWAN協議,包括無線計量匯流排、Sigfox等等。該收發器可採用或不採用前向糾錯(Forward Error Correction,FEC)運作,以便運用所支援的任何調變技術對跨頻帶的既定資料速率提供接收靈敏度範圍。

AXM0F243支援在27 MHz到1050 MHz之間的載波頻率,資料速率從100 bit/s到125 kbit/s,並採用一個具有超快穩定時間的RF頻率合成器和具有頻寬升壓模式的VCO自動測距以快速鎖定,這有助於裝置的低功耗。它還可支援外部VCO,以及外部功率放大器。無線電控制器採用RX/TX開關控制支援天線分集,封包接收(packet reception)完全自動化,無需運用晶片上微控制器即可運作,進一步降低了整體功耗。

除了整合微控制器和RF收發器,AXM0F243還具有可程式化和固定功能的類比和數位週邊設備。類比區塊由兩個運算放大器、一個12位SAR ADC、低功耗比較器和電流DAC組成。兩個專用匯流排運用可以透過韌體控制的類比開關連結類比區塊,能將任何I/O接腳導入任何類比區塊。可程式化數位區塊運用連結到交換式網路的LUT實現,類似於FPGA的CPLD,支援將一系列韌體定義的邏輯功能應用從GPIO埠引導的任何訊號。固定的功能包括一個計時器/計數器/PWM區塊,一個可在I2C、SPI和UART模式下工作的串列通訊區塊。

總結

物聯網涵蓋許多垂直市場,包括家庭和建築自動化、抄表和感測器/致動器監測。無線連結是物聯網的基礎,LPWAN正在成為目前物聯網所含許多應用的關鍵促成因素。透過選擇一種靈活、可程式化單晶片方案,開發人員能夠更輕鬆因應物聯網設計挑戰。

本文同步刊登於電子工程專輯2019年3月刊雜誌