過去，尋求針對消費者和商業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IoT）應(yīng)用程序的公司通常需要分別為每個應(yīng)用程序支持基于藍牙和基于802.15.4的單獨設(shè)計。但是，使用新的設(shè)備類，開發(fā)人員可以輕松配置單一設(shè)計以支持任一模式 - 甚至可以同時操作兩種模式。此外，這些器件中的低功耗模式使工程師能夠在非常嚴格的功耗預(yù)算內(nèi)實現(xiàn)高效的無線連接，從而可在電池或環(huán)境供電的能量采集設(shè)計中實現(xiàn)擴展操作。

支持特定的無線連接選項已成為面向消費者和商業(yè)市場的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計的主要差異化因素。對于消費者物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計，藍牙低功耗（BLE） - 也稱為藍牙智能 - 仍然是事實上的標(biāo)準(zhǔn)，不僅因為它的低功耗特性，而且還得益于其在龐大的移動BLE主機安裝基礎(chǔ)上的無處不在的支持包括智能手機和平板電腦。

BLE專為解決健身設(shè)備，信標(biāo)和家庭娛樂等無線個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用而設(shè)計，可為短距離連接選項提供卓越的能源效率（圖1）。憑借其廣泛的市場吸引力，半導(dǎo)體制造商繼續(xù)提供具有極低功耗的更先進的BLE片上系統(tǒng)（SoC）器件。例如，Dialog Semiconductor DA14580在傳輸過程中僅需3.4 mA，在接收期間僅需3.7 mA - 在睡眠模式下僅需600 nA。

圖1：在一項關(guān)于BLE與802.15.4功耗的研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)BLE（左）提供了更高的能量效用（字節(jié)）每消耗能量的焦耳比802.15.4（右）發(fā)送，與單個連接事件（CE）中幀數(shù)的增加有顯著差異。

然而，現(xiàn)成的BLE收發(fā)器支持藍牙V4 .1，擅長將基于BLE的設(shè)備連接到單個主機，但缺乏提供大多數(shù)商業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用所需的網(wǎng)絡(luò)連接的能力。藍牙V4.2提供互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議支持配置文件，用于通過BLE傳輸層進行IPv6數(shù)據(jù)包交換，但用于這些設(shè)備的BLE V4.2 IC和相關(guān)軟件仍處于早期開發(fā)階段，不太可能為更成熟的設(shè)備提供現(xiàn)成的替代方案低功耗網(wǎng)絡(luò)協(xié)議已有一段時間了。

因此，針對工業(yè)或商業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的設(shè)計人員利用基于IEEE 802.15.4的連接選項。該標(biāo)準(zhǔn)是ZigBee和Thread等無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的基礎(chǔ)，可與6LoWPAN和標(biāo)準(zhǔn)Internet協(xié)議一起使用，構(gòu)建無線嵌入式Internet。設(shè)計人員可以很容易地找到這些協(xié)議的軟件堆棧以及來自802.15.4芯片制造商和第三方的其他協(xié)議。

直到最近，設(shè)計人員希望構(gòu)建一個簡單的溫度感應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序，例如，很快就會遇到不同市場之間的連通性二分法。為了滿足消費者和工業(yè)市場的應(yīng)用需求，設(shè)計人員需要構(gòu)建兩個版本的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備 - 基于BLE的版本能夠與消費者智能手機連接，基于802.15.4的版本能夠與工業(yè)網(wǎng)絡(luò)連接。多模無線電的出現(xiàn)為解決各種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用市場提供了更靈活的解決方案。

統(tǒng)一設(shè)計

使用德州儀器CC2650無線MCU，開發(fā)人員可以創(chuàng)建單一的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備設(shè)計，能夠滿足各種物聯(lián)網(wǎng)連接要求。作為TI SimpleLink系列的成員，CC2650具有低功耗2.4 GHz收發(fā)器，能夠支持多種連接標(biāo)準(zhǔn)，包括Bluetooth Smart，ZigBee，6LoWPAN和帶TI提供的軟件堆棧的ZigBee RF4CE遠程控制應(yīng)用。同時，該器件還提供物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用所需的低功耗操作。 MCU本身僅消耗61μA/MHz，并且該設(shè)備在無線電操作期間具有非常低的功耗。 CC2650在有源接收模式下的功耗通常約為6 mA，在有源傳輸模式下（0 dBm）大致相同，同時在寬溫度和電壓范圍內(nèi)提供均勻的Tx輸出功率（圖2）。

CC2650專為無線傳感器應(yīng)用而設(shè)計，集成了32位ARM Cortex-M3,128 KB閃存，SRAM和多種外設(shè)，包括低功耗傳感器控制器。該傳感器控制器管理片上外設(shè)，包括帶有8通道模擬多路復(fù)用器的12位200 ksamples/sec模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。它可以與外部傳感器連接，并在系統(tǒng)其余部分處于睡眠模式時自動收集模擬和數(shù)字數(shù)據(jù)。

RF內(nèi)核包括一個帶有4 KB SRAM塊的專用ARM Cortex-M0處理器并運行最初來自單獨的ROM存儲器。 RF的內(nèi)部處理器使RF內(nèi)核能夠自主處理各種無線協(xié)議的時間關(guān)鍵方面，卸載主CPU并為設(shè)計人員的應(yīng)用提供更多資源。雖然BLE和802.15.4協(xié)議的某些部分嵌入在片上ROM中，但CC2650的128 KB閃存并不足以同時托管多種協(xié)議的軟件堆棧。事實上，TI指出，特定的軟件構(gòu)建一次只能支持一種無線協(xié)議。因此，設(shè)計人員可以將相同的基于CC2650的設(shè)計用于不同的多連接，但需要專門重建軟件系統(tǒng)以支持基于BLE或802.15.4的協(xié)議。

圖2：德州儀器CC2650無線MCU的傳輸功率在寬溫度范圍（左）和電源電壓（右）之間保持相對均勻4 x 4外部單端（4XS）和5 x 5外部差分（5XD）操作。 （德州儀器公司提供）

同時支持基于BLE和802.15.4的連接對于極低功耗應(yīng)用以及僅限于小尺寸和有限電源的應(yīng)用尤其成問題。通常，這些問題迫使設(shè)計人員創(chuàng)建多個設(shè)備版本，并將其應(yīng)用程序作為目標(biāo)，專門用于基于藍牙的移動域或基于802.15.4的網(wǎng)絡(luò)域。反過來，基于藍牙的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備不得不依靠通過具有互聯(lián)網(wǎng)連接的藍牙主機間接連接到互聯(lián)網(wǎng)。同樣，基于802.15.4的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備不得不依靠通過支持藍牙的中間802.15.4網(wǎng)關(guān)間接連接到用戶的移動設(shè)備。

同時連接

通過智能手機應(yīng)用程序更直接地控制網(wǎng)絡(luò)連接的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的期望轉(zhuǎn)變?yōu)閷λ{牙移動設(shè)備和802.15.4網(wǎng)絡(luò)同時連接的不斷增長的需求。例如，用戶希望通過智能手機直接與設(shè)備中的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備進行交互，即使同一設(shè)備與云進行通信以進行整體家庭管理服務(wù)，或者設(shè)備暫時失去其云連接。

對于這些設(shè)計，開發(fā)人員可以利用飛思卡爾半導(dǎo)體KW40Z無線MCU構(gòu)建能夠同時連接到BLE主機和基于802.15-4的網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)。 MCU集成了2.4 GHz收發(fā)器，支持一系列FSK/GFSK和O-QPSK調(diào)制，同時僅需6.5 mA（Rx）和8.4 mA（Tx）。與收發(fā)器一起，MCU集成了高能效的ARM Cortex-M0 + CPU，160 KB閃存和20 KB SRAM，BLE鏈路層硬件，802.15.4數(shù)據(jù)包處理器，硬件安全性和16位ADC以及許多其他模擬和數(shù)字外設(shè)。憑借其更大的Flash模塊，它集成了足夠的片上存儲器，可同時運行BLE堆棧和IEEE 802.15.4 MAC/PHY，以滿足具有多模連接要求的應(yīng)用。

MCU提供極長的時間電池壽命得益于Cortex-M0 +內(nèi)核的高效代碼執(zhí)行以及器件多種低功耗工作模式的可用性。片上電源管理控制器（PMC）支持9種低功耗模式，以滿足特定應(yīng)用的功耗優(yōu)化要求。例如，當(dāng)核心處于其各種停止模式之一時，PMC允許RF無線電保持狀態(tài) - 并將設(shè)備維持在低電流消耗模式，以確保RF無線電能夠快速喚醒以進行通信想要使用KW40Z創(chuàng)建低功耗多模設(shè)計的設(shè)計人員可以使用大量的飛思卡爾資源，包括用于BLE主機和應(yīng)用配置文件的軟件堆棧，IEEE 802.15.4-2011 MAC/PHY ，ZigBee Pro和應(yīng)用程序配置文件，以及Thread - 基于IPv6的協(xié)議，基于6LoWPAN構(gòu)建，專為安全IP網(wǎng)絡(luò)而設(shè)計。

作為自己設(shè)計的起點，工程師可以利用飛思卡爾FRDM- KW40Z開發(fā)套件，提供適用于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的完整多模解決方案。 FRDM-KW40Z采用四層電路板，將MKW40Z SoC與其所需的全部RF電路，32 MHz參考振蕩器晶體以及帶DC/DC轉(zhuǎn)換器的電源相結(jié)合，提供旁路，降壓和升壓模式。除了完整的材料清單外，F(xiàn)RDM-KW40Z套件還提供詳細的原理圖和參考布局 - 特別是減少敏感RF部分的設(shè)計或布局錯誤的可能性。例如，RF設(shè)計（圖3）包括一個外部50：100巴倫，將單端50歐姆端口連接到MKW40Z SoC收發(fā)器的差分RF端口。參考電路板布局包括“F”印刷金屬天線，旨在最大限度地減少占地面積和成本，同時不影響無線電性能。該設(shè)計還提供可選的帶外信號抑制（圖3中的組件L4和C33）。

圖3：飛思卡爾為KW40Z MCU提供全面的資源，包括關(guān)鍵RF部分的設(shè)計和布局，用于連接MCU的差分雙向RF通過平衡 - 不平衡轉(zhuǎn)換器和可選的信號抑制濾波器連接到“F”印刷金屬天線。 （由飛思卡爾半導(dǎo)體公司提供）

結(jié)論

藍牙低功耗提供卓越的低功耗連接，但可用的BLE設(shè)備仍然無法支持基于802.15.4的解決方案提供的網(wǎng)絡(luò)選項。多模無線電設(shè)備的出現(xiàn)為構(gòu)建能夠在基于BLE的消費者應(yīng)用或基于802.15.4的商業(yè)/工業(yè)設(shè)計中運行的單一設(shè)計提供了靈活的方法。事實上，通過飛思卡爾半導(dǎo)體KW40Z，開發(fā)人員可以構(gòu)建能夠在BLE和802.15.4模式下同時連接的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計 - 為構(gòu)建能夠支持與移動設(shè)備，其他物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和其他物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的并發(fā)連接的各種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供有效的解決方案。