家庭物聯網設計與實現

物聯網(IoT)設計人員能夠因應各種應用需求進行設計，但有越來越多的人并不滿意僅支持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，它們其實也很多余)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于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。它采用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采用專有的802.15.4協議――Nest Weave，持續在家中進行通信，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優化的連接性，同時轉向使用更低功耗的802.15.4協議，以延長電池壽命。

Nest Protect煙霧探測器透過基于802.15.4的無線協議Nest Weave彼此互連，并經由Wi-Fi連接至家中路由器，還可以透過智能型手機的藍牙功能進行控制智能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。但是這些簡單的接口并沒有用于視訊的帶寬，所以相機通常透過Wi-Fi連接。

智能家庭網關通常包含多種協議。這些網關通常整合于控制面板中，作為各種物聯網裝置的中樞。例如，XFinity Home平臺提供了一個觸控面板，該面板使用Wi-Fi連接到因特網和監控攝影機，但透過Zigbee連接到安全傳感器和其他智能設備。某些型號還包括一款蜂窩調制解調器，因此即使是在因特網聯機中斷的情況下，仍然可以傳送緊急警報。網關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，智能照明系統可能使用Zigbee，而資產追蹤依賴于藍牙。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，多協議網關能夠簡化物聯網的數據收集和控制。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。

將多個無線芯片添加到基于微控制器(MCU)的基本設計，可能使其變得非常復雜且成本高昂。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，這款芯片采用了雙頻(5GHz/2.4GHz) 802.11n Wi-Fi的設計。該芯片還建置了最新的藍牙5協議，可在連接至兼容裝置的同時擴展范圍，它同時也支持新的藍牙網狀協議。

這三種無線技術整合了基帶、收發器和放大器(PA/LNA)，從而減少了BOM。該芯片包括一個專用的CPU和內存，以及第二個CPU和內存，用于處理藍牙和802.15.4 MAC，從主Cortex-M中卸除這些任務并提高安全性。硬件共存引擎有助于Wi-Fi和藍牙MAC協調使用2.4GHz天線，以避免降低支持單獨無線芯片的系統性能。

Cortex-M4F CPU工作頻率高達128MHz。除了32KB L1快取之外，CPU還可以利用芯片SRAM。即使加載了基本的RTOS和驅動程序，內存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依靠外部閃存，支持QSPI連接的就地執行(XIP)協議。該芯片還包括安全引擎和通用裝邊設備，包括串行端口、A/D轉換器以及USB 2.0。

相較于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則是一款支持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于簡化其物料清單(BOM)并縮短設計時間。
責任編輯：彭菁