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满足多种工业无线标准和协议的芯片选型考量

作者:迎 九时间:2019-10-29来源:收藏

  迎 九 (《电子产品世界》,北京 100036)

本文引用地址:http://www.dzszp.com/article/201910/406427.htm

  摘 要:物联网(IIoT)通常有多种标准或协议,到底哪种方案最佳?芯片方案如何满足市场上多种连接方案的需求?为此,《电子产品世界》采访了TI、Silicon Labs、Nordic、u-blox、儒卓力、CEVA等公司。

  关键词:;无线;

  1 应对多种无线标准/协议,TI的SimpleLink平台与BAW技术不断更新

  1。1 IIoT对无线连接的要求

  相对于消费类物联网系统,物联网对于设备各个方面的性能要求更高。在一个相对复杂的工业环境下,产品需要提供更稳定的应用、更安全健壮的连接、更广泛的可扩展性和供电系统的适应性,这无疑对方案供应商提出了更高的要求,安全、可靠、低功耗是无线方案在IIoT(工业物联网)无线连接里面的核心竞争力。同时,连接标准的持续演变也对方案的研发成本提出了挑战,容易使用并且方便升级扩展的系统也是未来对于IIoT方案的另外一个需求。

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500万彩票网  作为成熟的通信标准,Wi-Fi、BLE、ZigBee、NB-IoT、3G/4G modem等仍旧会持续在工业物联网市场解决相应的网络问题。与此同时,TI的TI15。4Stack、LoRa、Sigfox等Sub-1G的协议又作为Sub-1G类远距离传输网络在IIoT中发挥重要的作用。但随着2。4 GHz频段和433 MHz/470 MHz频段的设备越来越多,对于设备的共存和抗干扰性能提出了更高的要求。同时,也对新的应用频段和协议提出了新的需求,例如5 GHz频段的SoC 物联网Wi-Fi产品。

500万彩票网  另外,当今工业物联网的无线系统也变得越来越复杂。由于场景的需求,也许有更多的协议会被复合采用,从多协议到多频段系统,从感知端到云端实现稳定可靠方便的传输。

  1。2 TI的SimpleLink平台与BAW技术

  众所周知,TI在工业应用市场上投入很大,对于工业物联网市场也不例外。

  此前,TI已经推出了基于CC26xx、CC13xx、CC32xx系列芯片的SimpleLink TM 开发平台,可以支持低功耗500万彩票网、ZigBee/802.15.4、Thread、Wi-Fi、6LoWPAN、Sigfox、Sub-1G等协议的并行开发,通过在不同协议中完美复用应用层代码,简化和降低工业客户的研发难度和成本,从而解决了IIoT应用连接标准持续演变和复杂性的顾虑。

  2019年初,TI推出了第三代2.4G/5G双频Wi-FiCC3235S/CC3135S,将客户的无线连接方案频段扩展到了干扰更小的5G频段,使通信链路更为可靠稳定。另外,CC32XXS系列无线MCU(微控制器)包含了诸如安全存储、克隆保护、安全启动和网络安全性等25种丰富的嵌入式安全特性,这些特性为开发人员提供了强大的工具,帮助他们在无需使用外部安全MCU或元件的情况下保护IoT(物联网)器件,避免知识产权、数据窃取和其他风险。

  TI已经发布的体声波(BAW)技术,也帮助工业物联网客户提供了一颗更为稳定可靠的芯片——CC2652RB。由于不再需要外部的射频晶振,利用TIBAW技术的创新芯片可以缩减物料清单成本,减小设备的尺寸和设计的复杂性,提高网络的性能。并且,BAW技术相对应crystal(晶体)材料晶振,在工业和电信应用中可以大幅提升抗振动和冲击的能力,从农业到工厂,客户都可以利用这项技术开发出更高性能的系统。

  2 Silicon Labs支持多样化的无线协议

  2。1 IIoT对无线连接的要求

  在工业物联网(IIoT)应用中有3种通用类型的无线网络:1)由客户开发、实施和维护的专有网络;2)由客户部署和维护的基于标准的无线网络;3)客户以付费形式接入的现有蜂窝物联网(IoT)网络,例如-M或NB-IoT。蜂窝物联网网络是工业物联网应用的一个理想选择,例如应用在跨越远距离和大区域(如城市、州/省甚至全国范围)内的资产跟踪。

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  在为工业物联网应用选择通信网络时,客户必须考虑各种技术和成本因素。对于许多客户而言,这些考虑因素将继续推动他们使用专有的或基于标准的无线网络来构建和维护他们自己的网络。据Silicon Lans预测,在可预见的将来,这些网络还将与蜂窝技术共存。尽管5G在工业物联网方面具有广阔的应用前景,但现有的无线技术可以为仅需要低数据速率的机器对机器(M2M)和机器对云端应用提供可扩展且经济高效的连接。

  2.2 看好哪类无线通信标准

  Silicon Labs的无线物联网解决方案广泛支持多样化的无线协议,包括、Thread、mesh、低功耗蓝牙、Wi-Fi、Z-Wave和专有协议等 [1] 。SiliconLabs为物联网应用提供了丰富的器件组合,包括无线SoC和模块、微控制器和传感器,使客户能构建完整的系统,来监测环境变化,在本地处理数据,并使用无线技术将数据传输到云端进行分析。客户和合作伙伴还可以使用Silicon Labs的射频产品,来实现WirelessM-Bus、Wi-SUN、ISA-100和WirelessHART等更多的无线通信协议,以满足特定的工业应用需求。

  作为Silicon Labs的关键差异化要素之一,SiliconLabs为工业物联网提供了恰到好处的无线连接。SiliconLabs为客户提供了灵活性,他们可以从多种可选的无线协议中选择任何一种,这是因为Silicon Labs的无线器件是在一个可支持多种标准和专有协议的通用的、可扩展的平台上构建的。针对工业物联网,Silicon Labs提供了灵活的连接技术选择,包括能在2.4 GHz运行各种领先的、基于标准的协议,以及大部分在1 GHz以下运行的专有协议,所有这些功能都可以集成在同一个无线系统级芯片(SoC)器件上。

  工业物联网涉及数量众多、各自不同的应用和市场。Silicon Labs将关注点放在了楼宇自动化、智能照明、智能表计、资产管理和其他类似的工业物联网应用上,它们需要基于标准的和专有的低功耗无线连接 [2]

  Silicon Labs的解决方案主要有Wireless GeckoSeries 2平台和 Wireless Gecko Series 1平台,它们都包含无线SoC和模块。

  3 Nordic看好500万彩票网-M和NB-IoT前景

  3.1 IIoT对无线连接的要求

  工业物联网(IIoT)可以实现高水平的超高效自动化运作,前提是需要一个能够在广泛的工业环境中实现快速数据吞吐的无线解决方案。

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  由于IIoT的运作也严重依赖于传感器阵列,而这些传感器由微型电池或能量收集技术供电,因此这个无线网络的功耗必须非常低。由于网络通常需要通过广域网(WAN)进行通信,因此理想的解决方案是可以用作低功耗WAN(LPWAN)的无线技术。这就是无线IIoT的主要难题 [3]

  然而,我们还有其他考量,例如这个无线网络必须可靠且不受外部攻击。在理想情况下,它还应该支持GPS之类的定位服务,以实现资产跟踪。

  3。2 看好LTE-M和NB-IoT

500万彩票网  Nordic Semiconductor认为用于IIoT的蜂窝无线解决方案将被广泛采用,尤其是LTE-M和NB-IoT。这些开放标准由3GPP开发和管理,确保了全球范围内的互操作性和可靠性。

  LTE-M非常适合要求低功耗、低延迟和移动性的中等吞吐量应用,例如资产跟踪、可穿戴设备、医疗和家庭安全应用,当然还有IIoT领域中的众多应用。

  NB-IoT非常适合需要低功耗和长距离的低吞吐量静态应用,例如智能计量、智能农业和智慧城市应用。

500万彩票网  能源效率是蜂窝物联网技术的基石。LTE-M和NB-IoT均是为了使设备能够以电池驱动来运行数年而设计。这可以通过使用多种技术来实现,但在任何一个用例中,数据吞吐量都低于标准LTE,从而降低了能耗。

  3.3 Nordic的解决方案

  Nordic的nRF9160是紧凑的高集成度系统级封装(SiP)器件,可为各种单一设备低功耗蜂窝物联网(cIoT)设计(包括IIoT应用设计)提供最新的低功耗LTE技术以及先进的处理功能和安全性,并且易于使用。

  nRF9160集成了Arm Cortex-M33应用处理器、完整的LTE调制解调器、RF前端(RFFE)和电源管理系统,是紧凑、完整、节能的蜂窝物联网解决方案。

  集成调制解调器同时支持LTE-M和NB-IoT,可以在全球范围内运行,而无需使用任何区域特定型款。nRF9160支持包括eDRX和PSM的所有节能功能。

  为实现安全可靠的执行以及密匙生成和存储,nRF9160采用重要的额外安全措施,其中包括ArmTrustZone和Arm CryptoCell,进一步增强了设备安全性。

  GPS接收器已集成到无线电中,并提供各种运作模式以配合采用位置跟踪的多种应用。

  4 工业无线用LTE和5G方案

  4。1 IIoT对无线连接的要求因应用而不同

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  无线连接的要求完全取决于各个应用场景的不同需求。针对工业物联网,应用场景主要分为两个核心需求。首先是对低功耗和网络覆盖广域提出的极高要求,这一需求主要是来自于数据吞吐量较低的电池驱动设备,该类设备有可能位于蜂窝网络覆盖有限的区域。其次,另一个需求则源于超可靠、低延时的通信技术,而这对于工业领域的高可靠度作业起着至关重要的作用,例如管理工业控制回路。顺带一提的是这两个核心应用场景正是当下5G技术的主要目标场景。总而言之,客户需要能够提供安全且可靠的无线连接的产品, 并且能在整个产品生命周期中提供支持。

  4.2 u-blox的模块与芯片方案

  4.2.1 模块方案

  u-blox始终从工业应用场景的核心需求出发,设计并研发杰出的无线通信解决方案,覆盖领域包括工厂自动化、智能仪表、资产追踪和联网医疗设备等等。这也就是为什么u-blox能够基于LTE-M、窄带物联网等低功耗广域以及LTE Cat 1、LTE Cat 4等无线通信标准,开发出独有的产品组合。

  与此同时,越来越多的客户和市场都开始关注端到端网络安全的重要性,u-blox也希望能够为他们的业务流程、资产和客户信息提供最大限度的保障。因此,u-blox一直以来都竭力在产品性能和安全性上精益求精,力求为客户提供超出预期的产品组合,让高性能、高安全性不仅仅为产品销售而服务,更要让其贯穿整个客户产品的生命周期。

  4.2.2 芯片产品

  自2019年以来,u-blox发布了数款全新芯片产品。尽管这需要在研发上投入相当大的成本,但是这一切都是值得的,因为这使u-blox能完全控制产品的功能以满足市场需求。另外,这也让u-blox不再依托于第三方供应商,实现进一步的独立创新。

500万彩票网  u-blox也与另一家瑞士企业Kudelski展开合作,该公司在数字资产保护技术领域有着丰富的经验,针对工业物联网中特有的、基于硬件可信根的嵌入式端到端网络安全需求,研发出相应的5G的芯片组。

  5 IIoT需要多种无线连接方案,儒卓力可提供一揽子方案

  5。1 IIoT用无线连接的应用现状

  根据应用本身,IIoT无线连接的要求有很大的不同,这里没有“一刀切”的解决方案。NB-IoT赢得了远程超低功耗技术之战,这要归功于移动网络运营商(MNO)的优秀基础设施。Sigfox和LoRa在某些应用中仍然适用,但是现在NB-IoT被更广泛地用于不同的场景。Sigfox和LoRa率先在市场上出现的时间优势已经消失,NB-IoT已经超越了它们。在功耗无关紧要的远程技术方面,4G技术仍处于领先地位。儒卓力正向市场提供首个5G工业模块,但是在基础设施和价格与4G技术处于同一水平之前,客户不会选择使用5G技术。

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  在短程环境中,IIoT无线连接的要求取决于各项任务:能量收集传感器使用了1 GHz以下的 EnOcean技术。如果使用小型电池,佳明(Garmin)的ANT产品越来越受欢迎,因为新的工业应用配置文件正在研究中。ANT已经在超低功耗消费设备中建立了良好地位,如今也开始涉足工业领域。蓝牙Mesh [4] 则用于工业照明应用。由于市场上已经出现了第一批使用IEEE802.11ax的路由器和智能手机,Wi-Fi技术正在从第5代过渡到第6代。新一代技术也在影响工业Wi-Fi模块的选择。RFID和NFC是旧式无线技术,但在工业物联网环境中的使用仍不断增长。

  5.2 工业无线通信标准在应用中的挑战

  众所周知的大型无线标准技术也将在工业应用中获得更多的市场份额,其中包括Wi-Fi、蓝牙、RFID和5G。

  如果单一应用需要特殊功能,则需要专有解决方案。在成本、功耗、范围、速度或安全性方面,专有解决方案可以调整为最佳性能。

  标准技术始终是在这些不同的关键性能指标方面作出妥协的折衷方案,但相互操作性可以得到保证。

  5.3 儒卓力的解决方案

  儒卓力早在2005年便建立了无线技术中心,当时第一部iPhone和物联网设备还没有问世。这个无线产品部门管理着大约40家不同供应商的产品组合,从而确保为每项应用提供最佳的产品和技术。儒卓力现在提供收发器IC、无线连接IC、系统级芯片,以及与即用型模块相同的解决方案,包括天线、天线匹配网络、认证和屏蔽。此外,儒卓力的产品组合还包括一些无线设备,诸如网关、信标、调制解调器以及包括各种无线技术的完整计算机系统。因此,客户可以和儒卓力无线技术中心团队成员接洽以便为找到正确的解决方案。

  6 蓝牙、Wi-Fi和NB-IoT的应用场景分析

  6。1 工业无线的应用场景

  市场上没有适合所有工业物联网(IIoT)应用的“一体适用”无线连接解决方案。不同的应用具有不同的要求,使得某种解决方案比其他解决方案更合适。不过,任何无线应用通常有多个典型的关键要求,包括:数据速率,功耗/电池寿命,连接范围和稳定性,安全性,互操作性和通用生态系统,当然还有成本。

  工业物联网采用了几种无线通信标准和专有解决方案。不过,CEVA认为最受欢迎的是蓝牙、Wi-Fi和NB-IoT。它们都具有强大的安全功能并拥有大型生态系统。需要用户根据具体应用来决定其中哪个方案较合适。

  例如以下有几个典型应用。

  1)资产跟踪。如果应用要求在国家或世界范围内跟踪资产(例如集装箱),那么蜂窝通信解决方案是最好的选择,以便在各处进行通信。NB-IoT(带有GNSS)是低成本和低功耗应用的最佳选择,并且已获所有移动网络运营商(MNO)在全球范围部署。

  如果应用是在小范围内或建筑物、工厂、仓库或医院等室内跟踪资产,Wi-Fi或低功耗蓝牙都是很好的选择。这两种技术都包含本地化功能。尽管Wi-Fi的连接范围更广,但低功耗蓝牙不仅具有更低的功耗,并提供了更好的精度(远低于1 m),这要归功于使用AoA/AoD(到达角/出发角)方法的全新低功耗蓝牙5.1测向功能。

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500万彩票网  2)无线传感器/执行器监控。最合适的方案选择还是取决于连接范围、吞吐量和功耗限制。例如在智能农业、智能计量和智慧城市中,连接范围通常很广(从几百米到几千米),数据吞吐量非常低,维护周期很长,因此NB-IoT是充分利用MNO的高可用性基础架构的绝佳选择。如果是用于范围较小的室内应用,连接医疗传感器或智能建筑传感器(诸如状态检测、门锁、温度计、机器控制和缺陷检测),那么Wi-Fi或低功耗蓝牙更合适。若要直接连接到云,则Wi-Fi会更好;如果低功耗(即电池寿命)更为重要,则低功耗蓝牙是首选方案。无电池低功耗蓝牙设备(注:具有太阳能或其他能量收集技术)越来越受欢迎。实际上,低功耗蓝牙标准在过去数年中已经获得长足发展以满足此类应用需求,具有长距离和mesh支持,尤其是mesh已证明很受欢迎,可以覆盖经典蓝牙范围以外的领域。如果吞吐量要求很高(超过100 kbit/s数倍),则Wi-Fi更合适,例如心电图(ECG)应用需要在几天的时间内,连续将患者的生体信号从各种ECG单元流传输到机器。

  6.2 CEVA的IP解决方案

  CEVA提供蓝牙、Wi-Fi和带有GNSS的NB-IoT交钥匙解决方案。CEVA的客户将解决方案集成到SoC中,用于各种物联网应用。CEVA的解决方案涵盖了无线电、调制解调器、基带/MAC和软件协议栈,其中后者可在通用CPU或CEVA DSP上执行,以实现最佳性能。

  CEVA的交钥匙平台有:CEVA-Dragonfly NB2,是NB-IoT平台;CEVA RivieraWaves蓝牙IP;CEVARivieraWaves Wi-Fi IP。

  参考文献

  [1] MAUPIN M。无线IIoT:迈向下一代工业互联。电子产品世界,2019(3):15-16。

  [2] 李仁庆.Silicon Labs蓝牙Mesh应用实例.电子产品世界,2019(4):72-75.

  [3] 王莹,毛烁.IoT无线连接的技术方案与未来趋势.电子产品世界,2018(11):11.

  [4] WOOLLEY M。如何使用蓝牙mesh扩展无线网状网络。电子产品世界,2018(10):22-26。

  本文来源于科技期刊《电子产品世界》2019年第11期第12页,欢迎您写论文时引用,并注明出处。



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