近幾年來，業(yè)界討論最多的莫過于“物聯(lián)網(wǎng)”，不少半導(dǎo)體廠商或終端廠商都在押寶物聯(lián)網(wǎng)。前有半導(dǎo)體廠商自身致力于一些物聯(lián)網(wǎng)器件的開發(fā)，后有終端廠商的平臺(tái)計(jì)劃，比如騰訊在去年12月公布了QQ物聯(lián)“億計(jì)劃”，向全球智能硬件廠商及創(chuàng)業(yè)者征集智能硬件產(chǎn)品;三星在年初的CES上宣布向物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)設(shè)計(jì)投 入1億美元。現(xiàn)今已經(jīng)出現(xiàn)了不少物聯(lián)網(wǎng)新產(chǎn)品，如果我們想讓這些產(chǎn)品連接到互聯(lián)網(wǎng)，那么我們最先遇到的問題將是選用何種無線技術(shù)。
多種無線技術(shù)共存
在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域中從來都不缺少無線連接技術(shù)，從低功耗藍(lán)牙、CSR mesh、NFC、RFID， 到ZigBee、WiFi，甚至LTE。不同技術(shù)的供應(yīng)商都有著自己的定位。Qualcomm創(chuàng)銳訊市場總監(jiān)姜中華認(rèn)為Qualcomm創(chuàng)銳訊提供的 WiFi方案具有低功耗和高性能的特點(diǎn)，可以為客戶提供出色的WiFi解決方案。目前適用于物聯(lián)網(wǎng)市場的產(chǎn)品為QCA4004和QCA4002。
Silicon Labs則為物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)人員提供了其他選擇，據(jù)Silicon Labs公司物聯(lián)網(wǎng)無線產(chǎn)品營銷總監(jiān)Greg Fyke介紹，他們可以提供多種無線連接解決方案，包括sub-GHz無線MCU、收發(fā)器和2.4GHz無線SoC。其提供的無線IC支持多種協(xié)議，包括 802.15.4 ZigBee、Thread網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、以及sub-GHz頻段內(nèi)的多種新興和專利協(xié)議(例如Wireless M-Bus和Wi-SUM)。
Greg Fyke表示，sub-GHz頻段的協(xié)議通常用于智能計(jì)量和其他需要更長距離、更高性能和超低功耗的應(yīng)用;因?yàn)閆igBee技術(shù)可以提供穩(wěn)健的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)， 允許廣泛連接家庭中的各類設(shè)備，并且提供自動(dòng)防故障運(yùn)行，因此它被廣泛應(yīng)用于家居自動(dòng)化和家庭安全系統(tǒng)中，他同時(shí)還認(rèn)為ZigBee聯(lián)盟推動(dòng)的互用性也是 ZigBee技術(shù)一個(gè)非常大的優(yōu)勢。
而新興的Thread協(xié)議可以直接進(jìn)行IPv6連接的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。Silicon Labs是Thread Group組織的發(fā)起成員之一，它一直是Thread規(guī)范的主要貢獻(xiàn)者。“我們一直與關(guān)鍵客戶積極合作推展我們的Beta版本Thread協(xié)議棧，并致力 于在2015年使具有Thread授權(quán)的產(chǎn)品進(jìn)入市場。”Greg Fyke告訴記者，“Thread的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢是我們現(xiàn)有的802.15.4SoC支持它。當(dāng)前使用Silicon Labs 802.15.4 ZigBeeSoC的開發(fā)人員將來可以無縫升級(jí)到Thread軟件。”
博通在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域中的有線和無線領(lǐng)域投入了不少的 資源，他們現(xiàn)在可為WiFi、Bluetooth Smart、Bluetooth Smart Ready、NFC、GPS、蜂窩，以及電力線通信(PLC)等領(lǐng)域提供完整的SoC和軟件開發(fā)包(SDK)產(chǎn)品組合。博通公司無線連接組合事業(yè)部產(chǎn)品營 銷高級(jí)總監(jiān)Brian Bedrosian認(rèn)為，正是這些技術(shù)使得智能手機(jī)、平板電腦，以及家庭或企業(yè)網(wǎng)絡(luò)之間的連接更加穩(wěn)固，而NFC和GPS可提供穩(wěn)定安全的配對(duì)能力和加強(qiáng) 的定位和追蹤能力。
業(yè) 界提供藍(lán)牙解決方案的半導(dǎo)體公司有很多，而Cypress大中華區(qū)PSoC業(yè)務(wù)拓展經(jīng)理王冬剛覺得Cypress的PSoC4 BLE芯片組合是業(yè)界集成度最高的低功耗藍(lán)牙芯片，“PSoC4 BLE集成了Cortex-M0 CPU;Balun電路;包括運(yùn)放、比較器電容觸摸的Capsense可編程模擬資源;以及包括UDB、通用數(shù)字模塊、段式LCD驅(qū)動(dòng)的可編程數(shù)字資源。 另外，PSoC4 BLE的電容觸摸性能也非常好。”
與 其他幾個(gè)半導(dǎo)體廠商不太一樣的是，ADI更加關(guān)注工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，它的短距離無線通信射頻芯片可涵蓋不同頻段，比較有利于智能化工廠的工業(yè)組網(wǎng)。另 外，ADI公司市場經(jīng)理張鵬還介紹了ADI的WSN(Wireless Sensor Node)方案主要面向智能樓宇的無線網(wǎng)絡(luò)解決方案。他說，“ADuCRF101是一款集ARM Cortex-M3處理器與RF為一體的單芯片解決方案。該方案支持多種無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，包括ADRadioNet，以及6LoWPAN，Wireless MBus和WiSun Alliance”。
他還特意提到了ADI針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)推出的AD9361無線收發(fā)模擬前端。該芯片 是一款高性能、高度集成的RF Agile Transceiver捷變收發(fā)器，它的可編程性和寬帶能力使其成為多種收發(fā)器應(yīng)用的理想選擇，它的工作頻率范圍為70MHz至6.0GHz，涵蓋了大部 分特許執(zhí)照和免執(zhí)照頻段，支持的通道帶寬范圍為不到200kHz至56MHz。除此之外，ADI還有支持從數(shù)百兆到2.4GHz的頻率范圍的RF芯片，比 如ADF70XX，ADF72XX等等。
無線MCU成趨勢
在當(dāng)前的物聯(lián)網(wǎng)市場中，一些對(duì)功耗、成本敏感的設(shè)備，一般只選用眾多無線技術(shù)中的一 種作為其通信方式，而那些對(duì)功耗和成本沒那么高的設(shè)備會(huì)采用多種無線技術(shù)，以方便與更多的設(shè)備相連。比如無線音箱就會(huì)同時(shí)支持藍(lán)牙和WiFi，還有一些智 能路由器同時(shí)能支持藍(lán)牙、WiFi和ZigBee技術(shù)。姜中華認(rèn)為，就目前的市場情況來看，WiFi和藍(lán)牙技術(shù)在無線技術(shù)的發(fā)展中已經(jīng)大幅領(lǐng)先了，而且支 持多種無線協(xié)議的SoC芯片也已經(jīng)出現(xiàn)，但主要智能手機(jī)等市場，在物聯(lián)網(wǎng)市場中，這種SoC芯片的前景并不清晰。
對(duì)此觀點(diǎn)，Silicon Labs公司的Greg Fyke卻并不太認(rèn)同，他覺得物聯(lián)網(wǎng)和智能家居市場將會(huì)整合802.15.4技術(shù)(ZigBee和Thread)、WiFi和藍(lán)牙。“像智能家居這樣擁有 大量互操作節(jié)點(diǎn)，并需要低功耗、控制和自動(dòng)化的應(yīng)用，ZigBee和Thread是最合適的。”另外，WiFi是高數(shù)據(jù)速率應(yīng)用的最佳選擇，可以傳送音頻 和視頻流;而藍(lán)牙非常適合能夠佩戴在身上，或在身體周邊的個(gè)域網(wǎng)設(shè)備等。
他預(yù)計(jì)在不久的將來，多模、多頻無線SoC芯片將會(huì) 有巨大的需求。他坦承多模無線SoC開發(fā)會(huì)比較困難，不過他它會(huì)在系統(tǒng)級(jí)和物料管理上給消費(fèi)者和開發(fā)人員帶來不少好處。比如一個(gè)可連接設(shè)備能夠通過智能手 機(jī)，使用藍(lán)牙進(jìn)行配置，然后成為使用ZigBee協(xié)議的家庭自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)中的一部分。Greg Fyke表示，多模無線SoC將會(huì)極大地簡化開發(fā)可連接設(shè)備的設(shè)計(jì)任務(wù)，包括縮小外形尺寸、降低BOM成本和縮短上市時(shí)間，而消費(fèi)者也能夠受益于由無縫的 多協(xié)議無線通信而帶來的更好的使用體驗(yàn)。
對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)中的無線技術(shù)的發(fā)展，有一種普遍的觀點(diǎn)是在MCU中集成一些無線通信功能 是未來的發(fā)展趨勢。其中Silicon Labs是最堅(jiān)定的支持者，Greg Fyke堅(jiān)信無線MCU是長期的發(fā)展趨勢。他說，“MCU為開發(fā)人員提供了在無線連接之外，創(chuàng)建獨(dú)特應(yīng)用和用戶體驗(yàn)的靈活性。集成無線連接的MCU能夠幫 助開發(fā)人員設(shè)計(jì)高度差異化的產(chǎn)品，在更小外形尺寸和更低功耗范圍內(nèi)集成多種功能。”
其實(shí)無線MCU和SoC架構(gòu)非常適合可穿戴設(shè)備這樣空間受限的應(yīng)用。比如健身追蹤器或者智能手表只有非常小的可用電路板面積，設(shè)計(jì)人員需要在受限的空間內(nèi)創(chuàng)造設(shè)計(jì)差異化的可穿戴產(chǎn)品。而構(gòu)建在低功耗MCU內(nèi)核上的高集成度SoC提供了理想的解決方案。
Brian Bedrosian對(duì)此觀點(diǎn)也很贊同，他提到，在聯(lián)網(wǎng)設(shè)備上集成本地處理和協(xié)處理能力，可以很好地補(bǔ)充現(xiàn)有無線技術(shù)提供的云連接應(yīng)用。不過他認(rèn)為無線MCU的規(guī)模，將取決于云端應(yīng)用提供的服務(wù)所需的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、篩選或運(yùn)算功能的復(fù)雜度。
“無線MCU是一個(gè)未來趨勢，但因?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)產(chǎn)品往往需要電池供電，因此必須要求是低功耗的。”ADI公司DSP亞洲業(yè)務(wù)區(qū)域經(jīng)理陸磊如是說。
物聯(lián)網(wǎng)無線技術(shù)遇到的挑戰(zhàn)
就目前來說，開發(fā)無線MCU主要有兩種途徑，一種是創(chuàng)建一個(gè)集成了MCU和收發(fā)器的單模器件，它只運(yùn)行一種協(xié)議，比如藍(lán)牙、ZigBee，或?qū)Ｓ袇f(xié)議等中的一種;另一種是使用軟件定義無線電技術(shù)(SDR)開發(fā)一種通用器件，可處理多種頻率、協(xié)議和調(diào)制方案。
Qualcomm 和Silicon Labs選擇的都是第一種途徑。問起原因時(shí)，姜中華是這樣解釋的，“理論上看，SDR技術(shù)是由前途的，但因?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)產(chǎn)品大都要求低功耗、低成本、小尺寸和 高性能。從短期來看，這些要求對(duì)于基于SDR技術(shù)的解決方案來說，還有很大的挑戰(zhàn)。”
盡管SDR是一種靈活的技術(shù)，似乎非常理想，“但SDR耗電量令人難以置信的大，需要高帶寬的無線電和DSP去處理調(diào)制邏輯”，Greg Fyke說，“SDR解決方案更像一個(gè)大型、高成本、高能耗的FPGA。”
因此，他認(rèn)為物聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)的更好解決方案不是SDR，而是可以靈活支持多種關(guān)鍵協(xié)議(例如ZigBee、藍(lán)牙和即將推出的Thread)的多模無線SoC設(shè)備。
除 了功耗的原因，也有成本的因素需要考慮，“SDR具有識(shí)別無線電格式，并相應(yīng)調(diào)整去適應(yīng)頻道用途或協(xié)議的能力，這對(duì)物聯(lián)網(wǎng)是有利的。但是擁有關(guān)鍵互操作技 術(shù)的、高集成度的SoC必須符合成本效益，才能在新設(shè)備或傳感器網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用。”博通的Brian Bedrosian如此提醒。
要想在物聯(lián)網(wǎng)市場迅速向前發(fā)展，需要解決的一大挑戰(zhàn)就是功耗問題。SoC制造商需要提供系統(tǒng)級(jí)功耗管理機(jī)制，從而在單獨(dú)模塊，以及芯片整體中都實(shí)現(xiàn)更好的功耗管理。
低功耗無線所面臨的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)主要有兩大因素，一個(gè)是在最低可能的功耗模式下完成最大量的工作;另一個(gè)是在無線電開啟時(shí)，最小化電流消耗。Greg Fyke自豪地表示，Silicon Labs采用多種技術(shù)來應(yīng)對(duì)這種挑戰(zhàn)，比如全自動(dòng)化MCU外設(shè)、DC-DC轉(zhuǎn)換器、快速喚醒，以及功耗優(yōu)化的軟件。他也承認(rèn)功耗優(yōu)化是一項(xiàng)很困難的系統(tǒng)級(jí) 設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，但卻可以為客戶帶來顯著的優(yōu)勢。因?yàn)闆]有人喜歡頻繁地充電，或者更換電池。“而Silicon Labs的ZigBee解決方案可在單一電池供電下維持工作數(shù)年，這已經(jīng)得到市場的驗(yàn)證。”他說。
博通則通過持續(xù)地提高工藝技術(shù)、采用片上電源管理系統(tǒng)、管理休眠機(jī)制，和繼承超低功率無線電技術(shù)，來不斷改善射頻芯片設(shè)計(jì)的用電效率。
電池供電的確會(huì)給應(yīng)用帶來很多設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)，比如可穿戴電子設(shè)備的供電電池在200mAh以下。據(jù)Cypress的王冬剛跟客戶的接觸，一般客戶都要求平均電 流在20?A以下。因此，Cypress PSoC4 BLE提供了5種功耗模式，包括動(dòng)態(tài)、睡眠、深度睡眠、休眠和停止。最低休眠功耗低至60nA。
無線技術(shù)終將會(huì)走向融合
就目前來看，物聯(lián)網(wǎng)中的設(shè)備是多種無線技術(shù)共存階段，而未來，這些無線技術(shù)可 能終將會(huì)走向融合之路。Qualcomm的姜中華指出，“其實(shí)，現(xiàn)在我們已經(jīng)開始看到有很多重要的無線技術(shù)在融合，并且努力實(shí)現(xiàn)低功耗、大范圍、低成本和 小尺寸的目標(biāo)。”他認(rèn)為，最終將會(huì)有一到兩項(xiàng)技術(shù)會(huì)占市場主導(dǎo)地位。
對(duì)此，Silicon Labs的Greg Fyke也持同樣的看法。在他看來，物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)將逐步整合到三種無線連接技術(shù)：WiFi、藍(lán)牙和802.15.4(如ZigBee和Thread)。
他認(rèn)為，IP(互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議)正在成為這些協(xié)議背后的原始動(dòng)力。WiFi已經(jīng)具備IP能力，隨著去年藍(lán)牙4.2的發(fā)布，藍(lán)牙已經(jīng)在直連互聯(lián)網(wǎng)上取得了長足進(jìn)步。而Thread是基于IP的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，它代表著IP網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的未來。
“這三種無線協(xié)議整合，并圍繞這IP融合發(fā)展。這預(yù)示著物聯(lián)網(wǎng)市場拐點(diǎn)的出現(xiàn)，標(biāo)志著消費(fèi)者、開發(fā)人員和服務(wù)提供商開始迎來激動(dòng)人心的時(shí)代。”Greg Fyke樂觀地表示。
“物聯(lián)網(wǎng)的核心標(biāo)準(zhǔn)始終是WiFi和智能藍(lán)牙等基于標(biāo)準(zhǔn)的組網(wǎng)技術(shù)對(duì)TCP/IP可尋址節(jié)點(diǎn)進(jìn)行訪問的可用性。”博通的Brian Bedrosian表示，“通過確保這些基本的網(wǎng)絡(luò)連接就可以實(shí)現(xiàn)不同品牌之間的互操作性，保證在通用應(yīng)用程序中使用統(tǒng)一黨應(yīng)用層協(xié)議，同時(shí)確保安全性不 會(huì)受到任何影響。”
Cypress的王冬剛則對(duì)藍(lán)牙情有獨(dú)鐘，他覺得藍(lán)牙無線技術(shù)是重要的物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展趨勢之一，因?yàn)樵S多物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備需要低功耗、短距離和小數(shù)據(jù)量的傳輸，而藍(lán)牙協(xié)議非常合適。
總的來看，融合將會(huì)是大勢所趨。其實(shí)，或許市場最終需要的是一種通用的多頻段、多協(xié)議物聯(lián)網(wǎng)SoC，它能以低成本、低功耗處理多種無線協(xié)議。只是目前還沒有 半導(dǎo)體廠商提供這樣的芯片，目前市場上更多的是單模點(diǎn)解決方案。因此，如果哪一天市場上出現(xiàn)了這樣的芯片，那物聯(lián)網(wǎng)的很多可能性就可以實(shí)現(xiàn)了。
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