使用模块化平台实现高能效IoT设备

作者：安森美半导体IoT策略Pavan Mulabagal

前言

物联网(IoT)的部署正在获得实质的动力，感测方面新的技术进展和新兴的通信协议将有助于推动IoT的发展。IoT的多学科特性需要一系列广泛的能力，资源或经验有限的组织在将设备连接到云方面可能会遇到挑战。当涉及到确保在不同的垂直市场更快地采用IoT，电池使用寿命或设备独立性是另一个挑战。

在网络边缘进行数据采集和/或执行活动的IoT节点通常是电池供电的。频繁更换电池的不切实际和维护成本是开启许多物联网应用的障碍。部署在远程位置的节点进一步加剧了这一问题。

对于物联网的潜在用户和方案提供商，掌握提供高能效工作的互连技术如蓝牙低功耗(BLE)或低功耗广域网(LWAN)技术至关重要。此外，创新的免电池传感器，如安森美半导体的智能无源传感器(SPS)，通过采集超高频(UHF)射频(RF)能量来工作，消除了对电池使用寿命管理的任何顾虑。它们无需维护，还能对难以进入的区域进行监测.

蓝牙低功耗生态系统

蓝牙低功耗(BLE)技术是智能家居、楼宇自动化、智能零售、数字健康等IoT垂直领域最受欢迎的通信协议之一。几乎每一部智能手机和平板电脑都可用蓝牙，加之协议的功能增强，非常适合用在IoT网络边缘。

BLE引入了传输小数据包然后进入睡眠模式的理念，大大降低了整体功耗。这种工作模式非常适于传感器节点，因为在传感器节点中不需要恒定的数据流。BLE采用无连接模式，更宽通道，更短数据包和更简单的堆栈，优化以提供高能效。为了进一步支持IoT模式，在BLE规范中增加了新的网络拓扑，如广播、网格和更强大的安全功能，包括“中间人”保护和AES-128加密。

最近的更新 - 蓝牙5 - 是在提供与IoT相关的功能和性能方面的又一重大进步。蓝牙5将峰值带宽增加到2 Mbps，并扩展了4倍的范围，达到了300米的理论数字。对于IoT应用而言，特别重要的是蓝牙5能被配置为网状网络，而不需要中央集线器——这显著地增加了潜在覆盖范围并使网络更具灵活性。

安森美半导体的多协议蓝牙5认证的SoC RSL10具有业界最低的睡眠和接收功耗，非常适用于电池供电的应用。RSL10还获ULPMAX®验证，获得超过1000分的可观成绩(得分越高，功耗越低)。ULPMAX®是嵌入式系统的行业标准基准(https://www.eembc.org/ulpmark/index.php)。RSL10的CortX-M3核与32位低功耗DSP核、宽输入电压范围、嵌入式闪存和超微型尺寸提供了极大的设计灵活性。

智能无源传感器-开辟IoT的机会

安森美半导体的SPS技术扩展超低功耗工作的概念和便利性，是完全无线的-既可用于数据传输，也提供运行所需的极小功率。

图1：SPS技术是完全无需电池和无线的

Antenna：天线

Sensor：传感器

SPS‘标签’可以监测环境参数，如温度、压力和湿度，这是许多IoT应用的关键。它们含一个超薄的集成电路(IC)，管理电源、RF互联和感测，无需一个微控制器。这些器件从UHF RF传输中采集能量，因此只需将RF读取器靠近就可以使它们正常工作。

由于小体积、低成本的SPS标签有革新IoT的潜力，能在以前难以进入的区域感测。它们特别适用于难以更换电池的领域，如嵌入墙壁或地板。

图2：SPS技术实现了一种全新的IoT感测方法

SPS标签用于病人接触医疗应用中是完全安全的，它们的低成本使其可用于大批的一次性应用，如用于监测运输中的食物。在一次性应用中，SPS标签不需要电池这一事实既节省了成本，也避免了与电池处理有关的任何环境问题。

助力IoT开发

含IoT概念的各垂直行业在实现提高能效、节约成本和增加收入。然而，许多看到IoT潜在好处的组织仍在观望。这部分原因是由于陡峭的学习曲线，因为提供可行的IoT方案所涉及的技术范围很大。

虽然特定的挑战将取决于应用，但它们可能涉及选择正确的互联、感测、驱动、电源管理和云服务及数据安全方案。能提供快速尝试各种选项的平台对于达到各种功能块的最佳选择以满足应用目标是必不可少的。

从本质上讲，IoT是灵活的，任何成功的开发工具都必须与这种灵活性相匹配，使工程师能够定制自己的设计和结合硬件和软件，以在单个集成开发环境(IDE)中满足应用需求。

安森美半导体屡获殊荣的模块化的、节点到云的快速原型平台IoT开发套件(IDK)是极其灵活的，支持一些IoT用例的更简单的开发。IDK提供多种连接、感测和致动选项，为用户提供根据行业垂直需求定制方案的灵活性。全面的套件支持“设备到云”的应用开箱即用，包括一个IDE、多个云互联选项以及客户可利用的40多个用例。

图3：安森美半导体的IDK采用通用的模块化方法

Dual LED Driver：双LED驱动器

Dual Motor Driver：双电机驱动器

Touch Sensor：触摸传感器

Motion Sensor：运动传感器

Light Sensor：光传感器

IDK的主要处理器件是安森美半导体的NCS 36510，这是一款低功耗、全集成的系统单芯片(SoC)，包括强大的32位ARM Cortex-M3处理器以及相关的存储器和外设。

主基板连接到一系列广泛的子卡(‘屏蔽板’)，以扩展功能。互联方面，工程师可针对BLE、Wi-Fi、802.15.4(ZigBee、Thread)、SigFox、CAN总线和以太网等各种无线和有线通信协议选择子卡。传感器方面，有含温度、运动、湿度、环境光、压力和生物传感器的子卡。此外，可通过步进、无刷电机驱动器和LED驱动器屏蔽板添加执行功能。

SPS 屏蔽板进一步提高了IDK的价值，支持免电池的无线传感器获取数据，以能够很方便地在网络边缘测量温度、湿度和压力。最近推出新的多传感器屏蔽板和移动应用程序使该套件得以扩展。新的屏蔽板结合先前推出的IDK屏蔽板，可实现一些IoT应用的快速原型制作，包括互联的健康、工业可穿戴设备、智能家居设备、资产追踪等。

安森美半导体现可提供完整的IDK屏蔽文件，包括设计图、PCB布板和Gerber文件，以支持设计快速从概念转向生产。

总结

IoT为组织提供了一个巨大的机会，以扩大其产品的价值和能力。将有时不熟悉的技术纳入IoT成功实施的广度可能通常具有挑战性，特别是对市场新进入者来说。

开发套件和工具可提供无限可扩展的、高度灵活的开发生态系统，使新的和有经验的设计师都受益。诸如IDK这样的套件，通过将包括BLE和SPS在内的许多先进的低功耗技术集成到一个直观的“封装”中，可以提供一种无风险的方式，以从节点到云快速开发物联网方案的硬件和软件方面。

安森美半导体致力于提供宽广的低功耗感测、电源管理、控制和互联方案阵容。全面的端到端开发套件，结合低功耗组合，帮助客户快速原型制作相关物联网用例，减少上市时间和推出长的电池使用寿命的产品。