为物联网设备连接设计基于标准的无线访问控制

物联网是一个令人兴奋的机会。能够将设备连接到更广泛的网络，以便定期轻松访问数据，为嵌入式系统设计人员提供更多选择。

连接这些设备的关键技术之一 - 无论是传感器，控制器或终端 - 当然是无线的。虽然ZigBee等组织从一开始就将此应用程序作为其活动的核心，但Bluetooth Special Interest小组已开始增加支持物联网的功能以及可穿戴计算，智能手机终端和外围设备的现有设计。蓝牙智能协议的最新版本通过软件将这些功能添加到现有硬件中，为工业领域带来了显着的规模经济。

图1：在物联网上实现一系列节点的选项。

其中一个关键的例子是Nordic Semiconductor的nRF51822。这是一种用于超低功耗(ULP)应用的多协议单芯片。它结合了Nordic的收发器，ARM Cortex-M0 32位内核，16 KB的RAM用于协议栈和其他应用，以及高达256 KB的闪存存储，40 kB至180 kB可供用户使用。

它还包括一个AES引擎来处理数据加密。由于这些数据在Internet上运行，因此在无线节点进行加密更为重要。

对于工业物联网应用，外设组合变得更加重要。虽然更多标准蓝牙应用具有相当明确且稳定的外围设备组，但对于无线传感器节点和不同控制器，通常需要不同的外围设备。 nRF51822中的可编程外设互连(PPI)系统是一个16通道总线，支持与系统外设的直接和自主连接，无需CPU。这减少了通信延迟并使其更具可预测性，从而帮助开发人员编写响应更快的软件。这也有助于降低功耗，因为CPU不需要上电。虽然芯片具有两种全局功耗模式，但每个外设都可以独立关闭，再次降低了整体功耗。

对于这款nRF51系列器件，输出功率现在可以从+4 dBm扩展低至-20 dBm，步长为4 dB，蓝牙智能应用的灵敏度高达-93 dBm。

图2：来自Nordic Semiconductor的蓝牙智能nRF51822单芯片。

nRF51822的一个主要优势是它为开发人员提供了应用程序代码开发和嵌入式协议栈之间的清晰分离。这意味着避免了嵌入式堆栈的编译，链接和运行时依赖性以及相关的调试挑战。这是通过将Bluetooth Smart堆栈作为预编译的二进制文件提供来实现的，使应用程序代码在通过异步，事件驱动的接口与堆栈通信时单独和独立编译。

设计人员可能会减少为特定应用程序调整堆栈的机会，从而在开发和测试应用程序时节省大量时间。这也消除了对更复杂的实时操作系统框架的需求，这可能增加代码的复杂性。

这种分离使Nordic可以通过其软件开发套件在现有的Bluetooth Smart 4.0硬件之上添加IPv6功能。它为nRF51系列设备提供驱动程序，库，示例和API，其中包括IPv6 over Bluetooth Smart适配层(6LoWPAN)和完整的Internet协议套件。它还为蓝牙智能应用程序提供本机IPv6支持，让他们通过基于IP的网络直接与云服务和其他连接的“事物”对话。

该开发工具包支持大规模，分布式云与智能家居，工业和企业自动化应用，物流，访问控制和云服务相关的异构网络部署，可与设备完全无关。这使得没有用户界面的“无头”蓝牙智能系统可以轻松地相互通信，并与其他支持IPv6的有线或无线技术(如Wi-Fi，以太网，ZigBee IP和线程)形成异构网络。

nRF51 IoT SDK不是使用网关，而是将IP寻址一直扩展到“东西”，从而实现“无头路由器”。协议栈的第一个版本包括：互联网协议支持配置文件(IPSP)，6LoWPAN适配层，IPv6互联网路由层，用户数据报协议(UDP)和传输控制协议(TCP)传输层，约束应用协议(CoAP)和消息队列遥测传输(MQTT)应用程序层，以及一系列应用程序示例。这些都针对nRF51822上的小内存占用进行了优化，SDK包含将设备配置为Bluetooth Smart 6LoWPAN节点的示例，与UDP和TCP等传输层的IP层连接，以及应用程序与CoAP和MQTT的水平。

片上系统(SoC)不是必须的 - 中央处理器运行更简单的ZigBee或6LoPAN堆栈，可以使用独立的收发器，如Atmel的AT86RF231，允许设计人员实现专有算法和开发自己的协议实现。

这是一款低功耗2.4 GHz无线电收发器，专为工业和消费类ZigBee/IEEE 802.15.4,6LoWPAN，RF4CE和高数据速率2.4 GHz ISM频段应用而设计。无线电收发器是一种真正的SPI到天线解决方案，其中除了天线，晶体和去耦电容之外的所有RF关键组件都集成在芯片上，模拟无线电，数字调制和解调，包括时间和频率同步和数据缓冲。

图3：AT86RF231是2.4 GHz频段的独立收发器，可轻松连接到IoT节点的中央控制器。

模块

无线物联网不只是关于32位处理器;诸如易于集成到设计中的因素可能是一个问题。在这种情况下，集成无线收发器，控制器和天线的模块可以节省大量的开发和成本。

Dresden Elektronik的deRFmega128-22M00无线电模块的主要组件是8位ATmega128RFA1微控制器。它与2.4 GHz收发器相结合，采用紧凑型模块，适用于ZigBee或6LoWPAN等无线应用，符合IEEE 802.15.4标准。

无线电模块设计为无线传感器网络的节能终端设备。用户可通过位于模块底部的0.80 mm间距的总共51或55个可焊接LGA焊盘访问所有重要信号。 22M00型具有集成天线，无需额外的RF设计，最大限度地缩短了定制设计的集成时间和BOM成本。 22M10型模块具有射频垫，可实现外部天线设计或同轴插座，适用于更远距离或更高性能的应用。

集成收发器具有-100 dBm的接收器灵敏度以及128位AES数据加密单元，有助于保护链路。 8 MHz MCU时钟意味着无线电模块在发送和接收模式下的电流消耗非常低，约为18 mA。睡眠模式下的电流消耗小于1μA。

对于蓝牙智能等认证标准，模块可以提供已经认证可以工作的简单插入选项。

Silicon Labs的BLE113是蓝牙智能模块针对物联网中的小型低功耗传感器。它集成了Bluetooth Smart应用程序所需的所有功能，包括收发器，软件堆栈和基于GATT的配置文件，并且可以支持多达8个连接的主模式和从模式。

这具有额外的优势，如它还可以托管最终用户应用程序，这意味着对于简单的应用程序，不需要外部微控制器。这对于引脚数(即占位面积)有限的设计尤为重要。

这也采用8位方法，可编程8051级控制器内核与灵活的硬件接口相连，可连接到不同的外围设备和传感器。

图4：Silicon Labs的BLE113蓝牙模块使用8位控制器。

在最低功耗睡眠模式下功耗仅为500 nA，将在几百微秒内唤醒，发射电流为18 mA，接收电流为14 mA。这意味着它可以直接由标准的3 V纽扣电池或AAA电池供电，适用于小型设计。

9.15 x 15.75 x 2.1 mm模块包括一个单极芯片天线，其阻抗匹配针对1 mm - 2 mm主板PCB厚度进行了优化，因为辐射模式受主板布局的影响。

结论

物联网是一个日益重要的市场细分市场，具有自己的特定要求。离散控制器和收发器可用于低成本，紧密集成的设计，而32位控制器内核则在片上系统中处理协议和应用程序代码。这两种方法都与提供预认证功能的模块一起使用，并大大缩短了开发和测试物联网无线解决方案的时间，同时又不影响空间或性能。