無線物聯網平臺開發套件及硬件解決方案

產品開發在過去較為簡單。 設備以往是自足式的，大多數都沒有智能和連接功能。 隨著物聯網的全力發展，過去簡單的日子一去不復返了。 無論是煙霧和 CO2 檢測器，還是咖啡壺、冰箱，一切能夠想到的設備都紛紛連接到互聯網。 這使得不熟悉射頻細微差別的系統設計人員不得不將某種形式的無線技術集成到設計中。

這對硬件和軟件都提出了挑戰，使設計團隊難以決定是選擇自建無線電來增加差異性并嘗試降低成本，還是購買和集成射頻模塊。

如果決定購買，那么 Wi-Fi、藍牙和 ZigBee 模塊是三大首選的無線協議，它們已經可用于幾乎所有可能的設備中。 雖然高效，但集成這些模塊仍需要掌握相關軟件和射頻特性細微差別的高水平專業知識，這恰恰可能是許多開發人員所不具備的。

自建與購買

雖然工程師可能傾向于自建定制的無線電模塊，但真正開始前必須考慮眾多因素。

從頭開發任何無線電模塊，無論是采用 Wi-Fi、低功耗藍牙技術 (BLE)、ZigBee，還是其他標準無線電，都將花費大量時間。 此外，如果無線電認證機構用于測試和數據審查的周期較長，則可能出現延遲。 這段時間本可專注于設計的其他方面，但關鍵的資源卻被占用，這對于小型企業或初創企業來說無疑是一個巨大的風險。

從頭開發無線電模塊不僅給開發周期增加潛在的延遲，還帶來與認證相關的額外成本。 使用預認證的無線電模塊，可以使認證成本忽略不計。 另一方面，認證模塊需要初始資本投資，通過認證后，還需持續進行維護并滿足合規要求。

如果團隊正構建大批量產品或者此產品的衍生品也將采用相同模塊，那么對于他們而言設計模塊很有必要。 批量生產定制模塊將花費 5 美元至 10 美元，而購買預認證模塊的價格為 15 美元至 40 美元，具體取決于模塊的類型。 對于需要快速上市的小批量產品，可以采用預認證模塊。 對于設計周期更靈活的大批量項目，定制的方案可能更具有經濟效益。

盡管如此，在大批量應用中也可采用預認證方案。 舉例來說，就小批量而言，Digi XBEE? SX 模塊價格為 35 美元（圖 1）。 開發團隊如果只考慮硬件成本，可能認為每個裝置 35 美元過于昂貴，因此選擇自己設計模塊，但這是極其錯誤的。

Digi XBEE? SX 模塊集成了 ZigBee 堆棧、各種開發工具和軟件，開發費用可能多達數十萬美元。 如果考慮到軟件堆棧開發成本，特別是對于合理實施協議特征的穩健軟件堆棧，構建模塊將提升到完全不同的開發專業水平。

圖 1： 像 Digi XBEE? SX 這樣的長距離模塊對于小批量應用來說價格富有競爭力，其通信范圍可達 9 到 65 英里。 （圖片來源： Digi International）

使用預認證模塊簡化設計

借助預認證的無線模塊，開發團隊能夠降低總開發成本，并加快上市速度。 雖然此類技術無處不在，但實施過程極其復雜，需要特殊的專業知識來提供利用協議特征的簡單接口。 預認證模塊肯定能簡化設計、縮短上市時間，但并非所有的預認證模塊都完全相同。

在選擇無線模塊時，功能集的可擴展性是要尋找的關鍵功能。 隨著產品不斷演進，如果從核心功能集過于局限的部分開始設計，那么當需要更多的特征和復雜性時，整體設計會受到限制。 ZigBee 可擴展解決方案的一個典范，就是 Digi XBEE? 解決方案。 開發人員可在此獲取能傳輸距離從幾百英尺到最遠 65 英里的模塊，而無需或只需少量開發開銷。

在設計中應優先考慮的另一個特征是物理尺寸。 與集成或定制的解決方案相比，某些預認證模塊可能尺寸大、占據較大空間。 由于許多工業設計師想要創造出外觀流暢、輕薄且富有吸引力的設備，因此應避免采用占據大量空間的龐大模塊。 Texas Instruments CC2564MODNCMOET 藍牙模塊尺寸為 7.1 mm×7.1 mm×1.4 mm，十分時尚小巧，并已通過 FCC 和 CE 合規性的預認證（圖 2）。

圖 2： Texas Instruments 的 CC256MODN 藍牙 4.1 雙模 HCI 模塊已獲得全面認證，具備低功耗藍牙特性。 （圖片來源： Texas Instruments）

一旦選擇了預認證的模塊，必須注意確保其正確安裝到 PCB 上。 例如，對于包含板載天線的模塊，天線下方或制造商規格書中指定的禁區內不得有任何接地層或金屬， 否則可能會影響天線的阻抗，并可能造成天線失諧，使通信變得非常不穩定。 由于金屬會影響天線性能，因此還須確保設備外殼設計合理。

對用于啟動并運行模塊的軟件開發工具和堆棧，需要進行仔細的考量。 一些模塊在運行時需要大量外部軟件進行設置和配置。 如果這些軟件堆棧不是由制造商提供，則開發團隊可能需要寫數千行代碼，才能保證預認證模塊正常工作。 在此類情況下，制造商必須提供具有良好硬件抽象層的微控制器代碼示例，以實現便攜性。

優選模塊在啟動時最多需要一個基本配置命令，隨后在 UART 上僅需透明傳輸和串行數據接收。

混合解決方案能結合以上兩種解決方案的優勢

幸運的是，開發人員在尋求無線解決方案時，不只有自建或購買這兩種選擇。 他們還有第三個可行的解決方案，即混合方法。 通過使用無線物聯網平臺，如 Silicon Labs Gecko 無線物聯網平臺（圖 3），他們可以選擇將兩種解決方案的優勢部分相結合，或選擇帶有集成無線前端的微控制器。 在這兩種情況下，開發團隊都需要尋找一些參數，以確保成功。

圖 3： Silicon Labs Blue Gecko 無線物聯網平臺開發套件開箱即用，可直接連接微控制器、藍牙和軟件堆棧。 （圖片來源： Silicon Labs）

首先，無線產品中使用的任何平臺或微控制器都必須具有高能效。 雖然物聯網設備可由電池和電網供電，但部署數十億的設備而不考慮能耗是絕對不行的。 選擇低功耗微控制器，如 STMicroelectronics STM32L0 或 NXP Kinetis-L 81，可幫助確保與該產品相關的主控制器具有高能效。 由于這些微控制器還支持各種預建驅動程序和軟件開發工具，開發人員能快速啟動并實施無線解決方案。

其次，專門針對無線解決方案的微控制器將無線收發器內置于微控制器中，可減少零件數量、加速認證過程，進而節省時間和成本。 一個完美的例子是 Silicon Labs EFR32FG1P132F64GM32-C0，它含有一個板載藍牙收發器。 此微控制器設計為低功耗 MCU，并得到軟件庫的支持，可操作藍牙堆棧。

集成解決方案為開發人員提供了綜合選項，實現從頭開始自建與購買預認證模塊之間的平衡。 很多時候，有一些經認證的參考設計，如果遵循這些設計，能大幅縮減開發和認證時間。 開發人員需認識到，內置有無線收發器的微控制器將用部分處理時間管理無線堆棧，這會略微降低其整體性能。 開發人員需確保小心編寫軟件，以免 CPU 過載或錯過任何實時調度額定截止時間。

另一個潛在的問題是集成收發器仍需外部天線元件。 開發人員需仔細遵循其參考設計，如果其傳輸線路設計不合理，可能會將項目延遲數月。 在大多數情況下，IC 供應商非常樂意審查任何設計，并提供意見和建議，以確保過程順利進行。

結論

決定自建、購買還是集成無線功能，是讓人相當困惑的設計問題。 一般而言，開發人員只會關注與舊無線技術相關的硬件設計和制造成本。 這種方法的問題在于今天的無線通信不再是簡單的硬件解決方案，而需要一組復雜的軟件堆棧和工具才能使模塊正常工作。 雖然在設計之初，自建模塊極具吸引力，但這存在眾多風險和潛在障礙，而采用預認證模塊或利用集成解決方案的風險則要低得多。