使用多協議無線模塊來簡化物聯網產品的設計和認證

作者：Steven Keeping

投稿人：DigiKey 北美編輯

利用無線連接，設計人員能夠將非智能產品變成物聯網 (IoT) 的智能集成設備，可將數據發送到云端進行基于人工智能 (AI) 的分析，同時允許設備接收空中下載 (OTA) 指令、固件更新和安全增強功能。

但為產品增加無線鏈路并非易事。在設計階段開始之前，設計人員必須選擇一種無線協議，這可能是一項棘手的任務。例如，一些無線標準運行于流行的免許可 2.4 GHz 頻譜。所有這些標準都代表了在傳輸范圍、吞吐量和功耗方面的權衡。要為某個特定應用選擇最合適的協議，必須根據協議的特點仔細評估應用的要求。

因而，即便使用高度集成的新型收發器，設計射頻 (RF) 電路對于很多設計團隊來說也是一項挑戰，導致成本超支和進度滯后。此外，射頻產品將需要進行操作認證，這本身可能是一個復雜而又耗時的過程。

一種解決方案是基于使用多協議片上系統 (SoC) 的認證模塊進行設計。這樣可消除使用分立元器件進行射頻設計的復雜性，并允許靈活選擇無線協議。這種模塊化方法為設計人員提供了一種隨取隨用的無線解決方案，讓他們能夠更容易將無線連接集成到產品中并通過認證。

本文闡述了無線連接的好處、探討了一些主要 2.4 GHz 無線協議的優勢、簡要分析了硬件設計問題，并介紹了來自 [Würth Elektronik] 的一種合適的射頻模塊。文中還討論了滿足全球法規所需的認證過程，探討了應用軟件開發，并介紹了一種軟件開發工具包 (SDK)，以幫助設計人員開始使用該模塊。

多協議收發器的優勢

沒有任何一種短程無線技術占據絕對支配地位，因為每種技術都要做出權衡，以滿足其目標應用的需求。例如，要提供更遠的傳輸距離和/或更大的吞吐量，就要以增加功耗為代價。另外還要考慮到其他一些重要因素，包括抗干擾性、網狀網絡功能、互聯網協議 (IP) 互操作性。

在各種成熟的短程無線技術中，有三種處于明顯領先地位：低功耗藍牙 (Bluetooth LE)、Zigbee 和 Thread。由于這三種協議都繼承了 IEEE 802.15.4 規范的基因，因而彼此之間有一些相似之處。該規范描述了低數據速率無線個人局域網 (WPAN) 的物理層 (PHY) 和媒體訪問控制層 (MAC)。盡管 Zigbee 存在一些 sub-GHz 變體，但這些技術通常都工作在 2.4 GHz。

低功耗藍牙適用于物聯網應用，例如只需偶爾傳輸數據且速率要求不那么高的智能家居傳感器（圖 1）。低功耗藍牙與大多數智能手機中采用的藍牙芯片具有互操作性，對于面向消費者的應用（如可穿戴設備）來說，這也是一大優勢。該技術的主要缺點在于需要昂貴且高耗電的網關連接到云端，還有糟糕的網狀網絡功能。

Zigbee 也是低功耗和低吞吐量應用的理想之選，包括在工業自動化、商用和家庭領域。該技術的吞吐量低于低功耗藍牙，但傳輸范圍和功耗與后者相似。Zigbee 不能與智能手機互操作，也無法提供原生 IP 功能。Zigbee 的一大關鍵優勢是它從一開始就是針對網狀網絡設計的。

與 Zigbee 一樣，Thread 使用 IEEE 802.15.4 PHY 和 MAC 工作，能夠支持多達 250 部設備構成的大型網狀網絡。Thread 與 Zigbee 的不同之處在于，它使用的是 6LoWPAN（IPv6 和低功耗 WPAN 的結合），這使得與其他設備和云端的連接變得非常簡單，不過需要通過一個稱為邊界路由器的網絡邊緣設備進行連接。（請參見“[ 短程無線技術重要考量因素簡要指南 ]”。）

雖然基于標準的協議占據主導地位，但 2.4 GHz 專有協議仍有一席之地。盡管這些協議限制了與配備同一制造商芯片的其他設備的連接，但它們可以進行微調，以優化功耗、傳輸范圍、抗干擾性或其他重要工作參數。IEEE 802.15.4 PHY 和 MAC 完全能夠支持 2.4 GHz 專有無線技術。

由于這三種短程協議的廣泛普及，以及 2.4 GHz 專有技術提供的靈活性，人們很難選擇一種合適的協議來適應最廣泛的應用。以前，設計人員必須選擇一種無線技術，然后在需要使用不同協議的變體時重新設計產品。但是，由于這些協議均使用基于類似架構的 PHY，而且都在 2.4 GHz 頻段工作，因此許多芯片供應商提供了多協議收發器。

這些芯片允許使用單一硬件設計，只需上傳新的軟件，即可針對幾種協議進行重新配置。不僅如此，該產品還可以配備多個軟件堆棧，每個軟件堆棧之間的切換由微控制器單元 (MCU) 進行監控。例如，用戶可以通過智能手機，使用低功耗藍牙來配置智能家居恒溫器，然后再讓設備切換協議，以便加入 Thread 網絡。

[Nordic Semiconductor 的 ][nRF52840]SoC 支持低功耗藍牙、藍牙網狀網絡、Thread、Zigbee、IEEE 802.15.4、ANT+ 和 2.4 GHz 專有堆棧。Nordic SoC 還集成了 [Arm?]Cortex?-M4 MCU，用于運行射頻協議和應用軟件，另外還提供 1 MB 的閃存和 256 KB 的 RAM。在低功耗藍牙模式下運行時，該 SoC 提供 2 Mbit/s 的最高原始數據吞吐量。該 SoC 采用 3 VDC 輸入電源，在 0 分貝（分貝數基準為 1 mW）輸出功率下，發射電流為 5.3 mA，在原始數據速率為 1 Mbit/s 時，接收 (RX) 電流為 6.4 mA。nRF52840 的最大發射功率為 +8 dBm，靈敏度為 -96 dBm（低功耗藍牙，1 Mbit/s）。

良好射頻設計的重要性

雖然像 Nordic 的 nRF52840 這樣的無線 SoC 是功能非常強大的器件，但仍需要良好的設計技巧才能最大限度地提升其射頻性能。特別是，工程師必須考慮到各種因素，如電源濾波、外部晶體定時電路、天線設計和放置，以及至關重要的阻抗匹配。

區分優劣射頻電路的關鍵參數是阻抗 (Z)。在高頻率下，例如在短程無線電使用的 2.4 GHz 頻率下，射頻跡線上某一點的阻抗與跡線的特性阻抗相關，而特性阻抗又取決于印刷電路板基底、跡線尺寸、與負載間的距離，以及負載的阻抗。

實際上，當負載阻抗（在發射系統中是天線，在接收系統中是收發器 SoC）等于特性阻抗時，跡線上距離負載任意間距處測得的阻抗均相同。這樣線路損耗被降到最低，實現了從發射器到天線的最大功率傳輸，從而提高了穩定性，擴大了傳輸范圍。因此，良好的設計實踐是構建匹配網絡，確保射頻器件的阻抗等于印刷電路板跡線的特性阻抗。（請參見“[ 兼容藍牙 4.1、4.2 和 5 的低功耗藍牙 SoC 和工具可應對物聯網挑戰（第 2 部分） ]”。）

匹配網絡包括一個或多個分流電感和串聯電容。設計人員的挑戰是如何選擇最佳的網絡拓撲結構和元器件值。制造商通常提供模擬軟件，幫助進行匹配電路設計，但即使遵循了良好的設計規則，所設計的電路的射頻性能也經常令人失望，缺少足夠的傳輸范圍和可靠性。這導致需要更多的設計迭代來修改匹配網絡（圖 2）。

圖 2：Nordic 的 nRF52840 需要外部電路來實現其功能。外部電路包括輸入電壓濾波，支持外部晶體定時并連接到 SoC 的天線 (ANT) 引腳，SoC 和天線之間帶有阻抗匹配電路。（圖片來源：Nordic Semiconductor）

模塊的優勢

使用分立元器件來設計短程無線電路具有一些優勢，特別是物料清單 (BoM) 成本較低和節省空間。然而，即使設計人員遵循 SoC 供應商提供的眾多優秀參考設計之一，其他因素也會極大地影響射頻性能，包括元器件質量和公差、電路板布局、基底特性及終端設備封裝。

另一種方法是基于第三方模塊進行無線連接。這些模塊是完全組裝并經過優化和測試的解決方案，能夠實現“隨取隨用”的無線連接。在大多數情況下，模塊已經獲得了在全球市場使用的認證，從而為設計人員節省通過射頻法規認證所需的時間和資金。

使用模塊也有一些弊端。這些弊端包括成本更高（取決于體積）、最終產品尺寸更大、更依賴單個供應商及其量產能力，有時還會減少模塊所基于的 SoC 的可用引腳數量。但是，如果設計簡便性和更快的上市時間足以抵消這些弊端，那么使用模塊就是最佳選擇。

以 Nordic 的 nRF52840 作為核心的一個例子是 Würth Elektronik 的 Setebos-I 2.4 GHz 無線電模塊 [2611011024020]。這個緊湊型模塊的尺寸為 12 × 8 × 2 mm，其內置天線，有一個蓋子可以最大程度減少電磁干擾 (EMI)，并且附帶支持藍牙 5.1 以及專有 2.4 GHz 協議的固件（圖 3）。如上所述，通過添加適當的固件，該模塊的核心 SoC 也能夠支持 Thread 和 Zigbee。

圖 3：Setebos-I 2.4 GHz 無線電模塊外形緊湊，內置天線，還配有一個蓋子以限制電磁干擾。（圖片來源：Würth Elektronik）

該模塊接受 1.8-3.6 V 的輸入，當處于休眠模式時，電流僅為 0.4 μA。其工作頻率涵蓋了工業、科學和醫療 (ISM) 頻段，該頻段的中心頻率是 2.44 GHz（2.402 至 2.480 GHz）。在理想條件下，輸出功率為 0 dBm 時，發射器和接收器之間的視距傳播距離可達 600 米，最大的低功耗藍牙吞吐量為 2 Mbit/s。該模塊內置四分之一波長 (3.13 cm) 天線，但也可以通過將外部天線連接到模塊上的 ANT 端子，來擴大傳輸范圍（圖 4）。

圖 4：Setebos-I 2.4 GHz 無線電模塊包括一個用于外部天線 (ANT) 的引腳，以擴大無線電的傳輸范圍。（圖片來源：Würth Elektronik）

Setebos-I 無線電模塊通過焊盤接入 nRF52840 SoC 的引腳。表 1 列出了每個模塊引腳的功能。引腳“B2”至“B6”是可編程的 GPIO，可用于連接傳感器，如溫度、濕度和空氣質量設備。

| | 引腳 | 焊盤 | 說明 | I/O |
| --------- | ------ | ---------------------------------------- | ------ |
| MODE_1 | 9 | 工作模式引腳 | 輸入 |
| BUSY | 10 | 繁忙引腳 | 輸出 |
| LED_1 | 11 | 射頻發射指示 | 輸出 |
| LED_2 | 12 | 射頻接收指示 | 輸出 |
| UTXD | 13 | UART 傳輸 | 輸出 |
| URXD | 14 | UART 接收 | 輸入 |
| /RTS | 15 | 請求發送 | 輸出 |
| /CTS | 16 | 允許發送 | 輸入 |
| WAKE_UP | 17 | 從休眠中喚醒 | 輸入 |
| GND | 18 | 負電源電壓 | 電源 |
| RPS | B1 | 無線電協議選擇（專有或低功耗藍牙 5.1） | 輸入 |
| B2 | B2 | 可編程 GPIO | I/O |
| B3 | B3 | 可編程 GPIO | I/O |
| B4 | B4 | 可編程 GPIO | I/O |
| B5 | B5 | 可編程 GPIO | I/O |
| B6 | B6 | 可編程 GPIO | I/O |

表 1：顯示 Setebos-I 2.4 GHz 無線電模塊的引腳名稱。LED 輸出可用于指示無線電傳輸和接收。（圖片來源：Würth Elektronik）

短程無線產品認證

雖然 2.4 GHz 頻段是免許可的頻譜分配，但在該頻段運行的無線電設備仍然需要遵守當地的法規，例如美國聯邦通信委員會 (FCC)、歐洲符合性聲明 (CE) 或日本電信工程中心 (TELEC) 的法規。要遵守這些法規，必須提交產品進行測試和認證，這個過程可能非常耗時，而且成本昂貴。如果射頻產品沒有通過任何部分的測試，則必須重新提交產品。如果模塊要在藍牙模式下使用，還需要列入藍牙技術聯盟 (SIG) 的藍牙列表。

模塊通過認證，并不能自動將認證授予使用該模塊的最終產品。但如果最終產品不使用 Wi-Fi 等其他無線器件，這樣通常會將最終產品的認證變成一項文書工作，而無需進行大量的重新測試。列入藍牙列表時通常也是如此。一旦通過認證，使用該模塊的產品就會貼上標有 FCC、CE 和其他相關 ID 編號的標簽（圖 5）。

圖 5：貼在 Setebos-I 模塊上的 ID 標簽示例，表明其已通過 CE 和 FCC 射頻認證。通過一些簡單的文書工作，認證通?？梢杂勺罱K產品繼承，而無需重新測試。（圖片來源：Würth Elektronik）

模塊制造商通常會在他們打算銷售產品的地區獲取其模塊的射頻認證（如果合適，還要列入藍牙列表）。Würth Elektronik 已經為 Setebos-I 無線電模塊完成這項工作，但必須與出廠固件一起使用。在藍牙工作方面，該模塊經過了預認證，前提是它要與 Nordic 的 S140 低功耗藍牙出廠堆?；蛲ㄟ^該公司的 [nRF Connect SDK]軟件開發工具包提供的堆棧一起使用。

Würth 和 Nordic 的固件穩定可靠，適用于任何應用。但是，如果設計人員決定使用開放標準的低功耗藍牙或 2.4 GHz 專有堆棧，或來自其他商業供應商的堆棧，對模塊進行重新編程，則他們將需要在預定操作區域，從頭開始啟動認證程序。

用于 Setebos-I 無線電模塊的開發工具

針對高級開發人員，Nordic 的 nRF Connect SDK 提供了全面的設計工具，用于為 nRF52840 SoC 開發應用軟件。nRF Connect for VS Code 擴展是我們推薦的集成開發環境 (IDE)，可以運行 nRF Connect SDK。也可以使用 nRF Connect SDK，將替代的低功耗藍牙或 2.4 GHz 專有協議上傳到 nRF52840。（請參考上文關于這對模塊認證影響的評論。）

nRF Connect SDK 與 [nRF52840 DK] 開發套件配合使用（圖 6）。該硬件采用 nRF52840 SoC，支持原型代碼開發和測試。一旦應用軟件準備就緒，nRF52840 DK 就可以作為 J-LINK 編程器，通過模塊的“SWDCLK”和“SWDIO”引腳，將代碼移植到 Setebos-I 無線電模塊 nRF52840 的閃存。

圖 6：Nordic 的 nRF52840 DK 可用于開發和測試應用軟件。然后，可以使用開發套件，對其他 nRF52840 SoC 進行編程，例如 Setebos-I 模塊上使用的 SoC。（圖片來源：Nordic Semiconductor）

使用 Nordic 的開發工具構建的應用軟件設計用于在 nRF52840 的嵌入式 Arm Cortex-M4 MCU 上運行。但有一種可能的情況，最終產品已經配備了另一個 MCU，而且開發人員希望使用它來運行應用程序代碼，并且監控無線連接?；蛘?，開發者可能更熟悉其他流行的主機微處理器的開發工具，例如 [STMicroelectronics][ 的 STM32F429ZIY6TR]。該處理器也是基于 Arm Cortex-M4 內核。

為了讓外部主機微處理器能夠運行應用軟件并監控 nRF52840 SoC，Würth Elektronik 提供了 [Wireless Connectivity SDK]。該 SDK 是一組軟件工具，可實現該公司的無線模塊與許多流行處理器（包括 STM32F429ZIY6TR 芯片）的快速軟件集成。SDK 包含 C 語言的驅動程序和實例，使用底層平臺的 UART、SPI 或 USB 外設，與連接的無線電設備進行通信（圖 7）。開發人員只需將 SDK C 代碼移植到主機處理器上。這顯著減少了為無線電模塊設計軟件接口所需的時間。

圖 7： Wireless Connectivity SDK 驅動程序讓開發人員能夠使用外部主機微處理器，通過 UART 端口輕松地驅動 Setebos-I 無線電模塊。（圖片來源：Würth Elektronik）

Setebos-I 無線電模塊使用“命令接口”進行配置和執行操作任務。這個接口提供了多達 30 條命令，可以完成各種任務，例如更新各種設備設置、傳輸和接收數據、將模塊置于各種低功耗模式。連接的無線電設備必須在命令模式下運行，才能使用 Wireless Connectivity SDK。

總結

為互連產品選擇單一無線協議很棘手，而從頭開始設計無線電電路則更具挑戰性。Würth Elektronik 的 Setebos-I 等無線電模塊不僅在協議選擇上具有靈活性，還提供了一個符合不同運營地區監管要求的隨取隨用連接解決方案。Sebetos-1 模塊附帶 Würth 的 Wireless Connectivity SDK，這讓開發人員可以簡單快速地使用自己選擇的主機 MCU 來控制該模塊。