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如何通过LPWAN联接满足物联网需求
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互联是物联网的一个基本组成部分，并使能和支持智能城市、工业4.0、家庭自动化和自动驾驶等趋势。无线技术现在是一种常见的互联形式，虽然可能很难说无线联接比有线联接更多，但很难否认它是联接新设备的首选方式。这在更广泛的物联网中尤为重要，因为许多端点将是位于相对远程的小型传感器或执行器，或用于移动(如车辆)或便携式(如平板电脑)的设备。
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（1）
杨玲
2020-8-17 14:38:43
除了方便之外，无线联接的另一个优势是范围；在大多数情况下，如果网络接入点与设备之间的距离超过3米，无线联接就有意义了。此外，如果设备数很多，例如在智能办公室中，可能有数百个端点，包括门窗上的接近传感器，或者远程控制的照明装置，无线接入就有意义。一个接入点可支持的设备的理论数量实际上只受到它能提供的IP地址数的限制，但物理上实施数百个以太网端口将消耗大量的空间和功率。
选择正确的无线协议
鉴于无线联接的方便性、通用性和性能，再加上市场机会(我们预计在这十年内将有数百亿台设备联接到物联网)，现在有许多无线协议可供使用不足为奇。
如今，主要得益于智能手机、平板电脑、耳机及电脑外设等个人设备的激增呈现出的规模经济效益，蓝牙在普及。蓝牙联接的工作频率为2.4GHz，根据环境的不同，蓝牙联接的范围通常在20到30米之间。在同一波段工作的其他技术也同样受限，但它们通过采用网状网络拓扑来克服这一问题，在2.4GHz频段内不同协议之间存在竞争，因为它们都在物联网领域争夺设计胜算。
早在2.4GHz的前景出现之前，工业应用中的无线联接就倾向采用在MHz范围内的频率，这些频率随后被重新命名为低于1GHz（Sub-GHz）协议，以反映2.4GHz协议的出现。过去Sub-GHz频段的标准化程度较低，法规方面也有实施专有方案的自由，因此它仍然很受欢迎。然而，为了应对物联网的挑战，它也随着越来越多的支持互操作性的标准化方案的发展而发展；它是物联网及其许多垂直领域的首选协议。
为物联网开发
物联网大而无界，这说明范围极其重要。虽然这可通过使用基于网格拓扑的个人区域网络(PAN)来实现，但它们仍然需要中继器或相对接近的节点，以便在很长的距离上传播数据。正因为如此，开发人员开始转向广域网(WAN)。今天使用的最常见的无线WAN是移动电话网络，然而，将同样的技术用于物联网仍然会带来挑战；除了接入网络的成本之外，端点的电池使用寿命将以天、而不是月甚或年为单位。
解决这一问题的实际方案是低功耗广域网（LPWAN）。为支持LPWAN而开发的技术提供了可在较低载波频率下实现的范围，但对于物联网端点所需的电池使用寿命，唯一真正的折中是在有效载荷上。LPWAN利用物联网中的端点通常只需相对较低频传输少量数据的优势，这说明每次传输所用的能量保持绝对最低。
LPWAN使用的网络拓扑模拟移动网络，因为它通常使用基站的星形网络，而不是由中继器组成的网状网络。网络可以是开放的，也可以是专有的，这取决于应用。目前协议的例子包括无线计量总线(广泛用于智能抄表)、KNX(用于家庭自动化系统)和Sigfox(实际上是一种协议和一个全球LPWAN，专注于联接物联网传感器)。
LPWAN联接的单芯片方案
针对LPWAN应用领域的无线技术覆盖的频率范围很广，从27 MHz到1050 MHz。为了实现一个可以使用各种LPWAN协议解决许多不同的物联网应用的单一设计，收发器需要能够在整个范围内工作。此外，在固件中运行的协议需要一个有能力的微控制器。
将这两种功能元素整合到一个单一器件中，可创建一种灵活的方案，比双芯片方案更具有成本优势且更高能效。由于这主要由软件定义，为制造商提供了一个易调整的平台，可通过使用不同无线协议满足更广泛应用的需求。
需要限制通过LPWAN运行的许多IoT端点进行无线交换的数据量，这更强调了边缘处理；使端点能够在本地处理数据并且在不涉及云平台的情况下采取行动。为了支持这一点，任何方案的处理性能都需要很好地平衡功率和性能。ARM CORTEX-M0核完全适合这个应用领域，因为它提供32位架构的性能，但具有领先行业的低功耗。ARM CORTEX-M0+是由安森美半导体选择的用于AXM0F243超低功耗RF微控制器的架构。图1显示了该器件的框图，它集成了ARM核子系统和创建一个LPWAN设备所需的RF功能用于物联网。
图1：AXM0F243的功能框图
该集成的窄带收发器兼容一系列调制方案，包括频移键控(FSK)、最小(频率)移位键控(MSK)、4-FSK、和高斯FSK和MSK，以及幅度移位键控(ASK)和相移键控(PSK)。因为它主要由软件定义，所以可支持许多LPWAN协议，包括无线计量总线、Sigfox等等。
该收发器可采用或不采用前向纠错(FEC)工作，以便使用所支持的任何调制技术对跨频带的给定数据速率给予接收灵敏度范围。表1显示了在868 MHz采用或不采用FEC的情况下接收器灵敏度的例子。
表1
AXM0F243支持在27 MHz到1050 MHz之间的载波频率，数据速率从100 bit/s到125 kbit/s，并采用一个具有超快稳定时间的RF频率合成器和具有带宽升压模式的VCO自动测距以快速锁定，这有助于设备的低功耗。它还可支持外部VCO，以及外部功率放大器。
无线电控制器采用RX/TX开关控制支持天线分集，分组接收完全自动化，无需使用片上微控制器即可工作，进一步降低了整体功耗。
通用外设
除了集成微控制器和RF收发器外，AXM0F243还具有可编程和固定功能的模拟和数字外设。模拟块由两个运算放大器、一个12位SAR ADC、低功耗比较器和电流DAC组成。两个专用总线使用可以通过固件控制的模拟开关联接模拟块，能将任何I/O引脚路由到任何模拟块。可编程数字块使用联接到交换式网络的LUT(查阅表)实现，类似于FPGA的CPLD，支持将一系列固件定义的逻辑功能应用于从GPIO端口路由的任何信号。固定的功能包括一个定时器/计数器/PWM块，一个可在I2C、SPI和UART模式下工作的串行通信块。
总结
物联网涵盖许多垂直市场，包括家庭和建筑自动化、抄表和传感器/执行器监测。无线联接是物联网的基础，LPWAN正在成为目前物联网所含的许多应用的关键促成因素。
通过选择一种灵活和可编程的单芯片方案，开发人员能够更好地以具性价比的和高能效的方式应对物联网的挑战。
除了方便之外，无线联接的另一个优势是范围；在大多数情况下，如果网络接入点与设备之间的距离超过3米，无线联接就有意义了。此外，如果设备数很多，例如在智能办公室中，可能有数百个端点，包括门窗上的接近传感器，或者远程控制的照明装置，无线接入就有意义。一个接入点可支持的设备的理论数量实际上只受到它能提供的IP地址数的限制，但物理上实施数百个以太网端口将消耗大量的空间和功率。
选择正确的无线协议
鉴于无线联接的方便性、通用性和性能，再加上市场机会(我们预计在这十年内将有数百亿台设备联接到物联网)，现在有许多无线协议可供使用不足为奇。
如今，主要得益于智能手机、平板电脑、耳机及电脑外设等个人设备的激增呈现出的规模经济效益，蓝牙在普及。蓝牙联接的工作频率为2.4GHz，根据环境的不同，蓝牙联接的范围通常在20到30米之间。在同一波段工作的其他技术也同样受限，但它们通过采用网状网络拓扑来克服这一问题，在2.4GHz频段内不同协议之间存在竞争，因为它们都在物联网领域争夺设计胜算。
早在2.4GHz的前景出现之前，工业应用中的无线联接就倾向采用在MHz范围内的频率，这些频率随后被重新命名为低于1GHz（Sub-GHz）协议，以反映2.4GHz协议的出现。过去Sub-GHz频段的标准化程度较低，法规方面也有实施专有方案的自由，因此它仍然很受欢迎。然而，为了应对物联网的挑战，它也随着越来越多的支持互操作性的标准化方案的发展而发展；它是物联网及其许多垂直领域的首选协议。
为物联网开发
物联网大而无界，这说明范围极其重要。虽然这可通过使用基于网格拓扑的个人区域网络(PAN)来实现，但它们仍然需要中继器或相对接近的节点，以便在很长的距离上传播数据。正因为如此，开发人员开始转向广域网(WAN)。今天使用的最常见的无线WAN是移动电话网络，然而，将同样的技术用于物联网仍然会带来挑战；除了接入网络的成本之外，端点的电池使用寿命将以天、而不是月甚或年为单位。
解决这一问题的实际方案是低功耗广域网（LPWAN）。为支持LPWAN而开发的技术提供了可在较低载波频率下实现的范围，但对于物联网端点所需的电池使用寿命，唯一真正的折中是在有效载荷上。LPWAN利用物联网中的端点通常只需相对较低频传输少量数据的优势，这说明每次传输所用的能量保持绝对最低。
LPWAN使用的网络拓扑模拟移动网络，因为它通常使用基站的星形网络，而不是由中继器组成的网状网络。网络可以是开放的，也可以是专有的，这取决于应用。目前协议的例子包括无线计量总线(广泛用于智能抄表)、KNX(用于家庭自动化系统)和Sigfox(实际上是一种协议和一个全球LPWAN，专注于联接物联网传感器)。
LPWAN联接的单芯片方案
针对LPWAN应用领域的无线技术覆盖的频率范围很广，从27 MHz到1050 MHz。为了实现一个可以使用各种LPWAN协议解决许多不同的物联网应用的单一设计，收发器需要能够在整个范围内工作。此外，在固件中运行的协议需要一个有能力的微控制器。
将这两种功能元素整合到一个单一器件中，可创建一种灵活的方案，比双芯片方案更具有成本优势且更高能效。由于这主要由软件定义，为制造商提供了一个易调整的平台，可通过使用不同无线协议满足更广泛应用的需求。
需要限制通过LPWAN运行的许多IoT端点进行无线交换的数据量，这更强调了边缘处理；使端点能够在本地处理数据并且在不涉及云平台的情况下采取行动。为了支持这一点，任何方案的处理性能都需要很好地平衡功率和性能。ARM CORTEX-M0核完全适合这个应用领域，因为它提供32位架构的性能，但具有领先行业的低功耗。ARM CORTEX-M0+是由安森美半导体选择的用于AXM0F243超低功耗RF微控制器的架构。图1显示了该器件的框图，它集成了ARM核子系统和创建一个LPWAN设备所需的RF功能用于物联网。
图1：AXM0F243的功能框图
该集成的窄带收发器兼容一系列调制方案，包括频移键控(FSK)、最小(频率)移位键控(MSK)、4-FSK、和高斯FSK和MSK，以及幅度移位键控(ASK)和相移键控(PSK)。因为它主要由软件定义，所以可支持许多LPWAN协议，包括无线计量总线、Sigfox等等。
该收发器可采用或不采用前向纠错(FEC)工作，以便使用所支持的任何调制技术对跨频带的给定数据速率给予接收灵敏度范围。表1显示了在868 MHz采用或不采用FEC的情况下接收器灵敏度的例子。
表1
AXM0F243支持在27 MHz到1050 MHz之间的载波频率，数据速率从100 bit/s到125 kbit/s，并采用一个具有超快稳定时间的RF频率合成器和具有带宽升压模式的VCO自动测距以快速锁定，这有助于设备的低功耗。它还可支持外部VCO，以及外部功率放大器。
无线电控制器采用RX/TX开关控制支持天线分集，分组接收完全自动化，无需使用片上微控制器即可工作，进一步降低了整体功耗。
通用外设
除了集成微控制器和RF收发器外，AXM0F243还具有可编程和固定功能的模拟和数字外设。模拟块由两个运算放大器、一个12位SAR ADC、低功耗比较器和电流DAC组成。两个专用总线使用可以通过固件控制的模拟开关联接模拟块，能将任何I/O引脚路由到任何模拟块。可编程数字块使用联接到交换式网络的LUT(查阅表)实现，类似于FPGA的CPLD，支持将一系列固件定义的逻辑功能应用于从GPIO端口路由的任何信号。固定的功能包括一个定时器/计数器/PWM块，一个可在I2C、SPI和UART模式下工作的串行通信块。
总结
物联网涵盖许多垂直市场，包括家庭和建筑自动化、抄表和传感器/执行器监测。无线联接是物联网的基础，LPWAN正在成为目前物联网所含的许多应用的关键促成因素。
通过选择一种灵活和可编程的单芯片方案，开发人员能够更好地以具性价比的和高能效的方式应对物联网的挑战。
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