设计基于标准的无线接入控制的物联网

标签:物联网

访客:6572  发表于:2016-09-13 08:07:16

物联网是一个激动人心的机会。能够使数据能够定期访问设备上链接到更广泛的网络和容易提供用于嵌入式系统设计人员有更多的选择。

一个用于连接了这些设备的关键技术 - 无论是传感器,控制器或端子 - 当然是无线的。虽然组织,如ZigBee的从一开始他们的活动的心脏曾经有过这样的应用程序,蓝牙特别兴趣小组已经开始增加在功能,支持物联网为一起可穿戴计算,智能终端和外围设备的现有设计。蓝牙智能协议的最新版本通过软件添加这些功能添加到现有的硬件,带来规模的显著经济到工业领域。


选项图像物联网在实施一系列节点

图1:物联网在实施一系列节点选项。

这方面的一个重要例证是nRF51822从Nordic半导体。这是为超低功率(ULP)应用程序的多协议单芯片。它结合北欧的收发器,一个ARM的Cortex-M0的32位芯,16千字节的RAM用于协议栈和其他应用程序,并与提供给用户40 KB至180 KB高达256千字节的闪存存储。

它也包括一个AES引擎来处理的数据的加密。作为此数据在因特网上运行,在所述无线节点加密是更重要的。

工业物联网应用,外设组合变得更为重要。尽管有更多的标准蓝牙的应用程序有一个合理的明确和稳定的外设集,无线传感器节点和不同的控制器经常会有需要不同的外设。可编程外设互连(PPI)系统的nRF51822是支持与系统外设直接连接自治区无需CPU的16通道总线。这减少了等待时间的通信,使之更具可预测性,帮助开发人员编写更加适应软件。这也有助于降低功耗,作为CPU不需要通电。而该芯片具有两个全球功率模式中,每个外围设备可独立关闭,再次降低了总功耗。

对于这个nRF51系列器件,输出功率为+4 dBm的与灵敏度高达-93 dBm的蓝牙智能应用4 dB的可扩展性,现在下降到-20 dBm的。


蓝牙智能Nordic半导体nRF51822单芯片示意图

图2:Nordic半导体蓝牙智能的nRF51822单芯片。

其中一个为nRF51822的主要优点是,它为开发人员提供的应用程序代码开发和嵌入式协议栈之间的完全分离。这意味着编译,链接,和运行时避免与嵌入式堆栈和调试的相关的挑战的依赖关系。这是通过具有作为预编译的二进制供给的蓝牙智能堆栈,而使应用程序代码也可以分别地和独立地编译而经由异步的,事件驱动接口与堆栈连通来实现的。

虽然这可能给予设计者来调整堆栈用于特定应用的机会较少,它提供了在应用程序的开发和测试显著时间节省。这也消除了一个更加复杂的实时操作系统框架,它可以添加到代码的复杂性的需要。

这种分离使得北欧添加通过其软件开发工具包现有的蓝牙4.0智能硬件上IPv6功能。它提供的驱动程序,库,示例和API nRF51系列设备使用IPv6通过蓝牙智能适配层(6LoWPAN的)和一个完整的互联网协议套件。它还提供了本机IPv6支持蓝牙智能应用程序,让他们直接通过基于IP的网络交谈,云服务和其他连接的“东西”。

该开发套件能够为大规模,分布式,云连接,异构网络相关的智能家居,工业部署和企业自动化应用,物流,门禁控制,和云服务,可以完全不可知的技术支持。这使得没有一个用户界面,能够轻松地相互沟通,并与其他支持IPv6的有线或无线技术,如Wi-Fi无线,以太网,ZigBee的IP,和线,形成一个“无头”蓝牙智能系统异构网络。

而不是使用一个网关,该nRF51的IoT SDK延伸IP寻址一路的“东西”,从而使“无头路由器”。协议栈的第一个版本包括:Internet协议支持配置文件(IPSP),6LoWPAN的适配层,IPv6的网络路由层,用户数据报协议(UDP)和传输控制协议(TCP)传输层,约束应用协议(COAP)和消息队列遥测传输(MQTT)应用层,以及一系列的应用实例。这些都被用于在nRF51822小内存占用优化,SDK包含配置设备为蓝牙智能6LoWPAN的节点的例子,在传输层,如UDP和TCP,以及在应用与IP层接口与COAP和MQTT水平。

系统级芯片(SoC)的是不是强制性的-一个中央处理器运行简单的ZigBee或6LoPAN栈的独立收发器,如Atmel的 AT86RF231可以使用,使设计者能够实现专有算法和开发自己的协议实现。

这是一个低功耗的2.4 GHz无线收发器设计用于工业和消费的ZigBee / IEEE 802.15.4,6LoWPAN的,RF4CE和高数据速率2.4 GHz ISM频段应用。无线电收发信机是一个真正的SPI至天线解决方案,其中所有的RF-关键部件,除了天线,晶体和去耦合电容,集成在芯片上,以与模拟广播,数字调制和解调,包括时间和频率同步和数据缓冲。


爱特梅尔AT86RF231收发器独立的示意图2.4 GHz频段

图3:AT86RF231为可以很容易地接口到中央控制器在IOT中节点的2.4GHz频带的独立收发器。

模块

无线物联网不仅仅是32位处理器; 因素,如易于集成到一个设计可能是一个问题。在这种情况下,集成的无线收发器,控制器和天线可以节省开发和成本相当多的时间的模块。

所述的主要成分deRFmega128-22M00从无线电模块德累斯顿Elektronik公司是8位的ATmega128RFA1微控制器。这是通过对像的ZigBee或6LoWPAN的无线应用的紧凑模块中的2.4 GHz收发相结合,并与在IEEE 802.15.4标准。

无线电模块被设计为无线传感器网络节能的高端设备。用户可以通过一个总的51或55可焊接的LGA焊盘访问0.80毫米间距它们定位在模块底部所有重要的信号。该类型22M00具有集成天线消除了对额外的射频设计的需要,最大限度地减少积分时间和BOM的定制设计成本。该类型22M10模块具有RF垫,使外部天线设计或更长的时间范围或更高性能的应用同轴插座。

该集成收发器具有-100 dBm的接收机灵敏度,以及一个128位AES加密数据单元来帮助保护链接。8 MHz的单片机的时钟装置的无线电模块有大约18毫安的非常低的电流消耗在发射和接收模式。目前在休眠模式下功耗小于1μA。

对于一个认证标准,如蓝牙智能,模块可以提供一个已认证的工作简单,插入式选项。

该BLE113从Silicon Labs公司是蓝牙智能模块,目的是在物联网的小型化,低功耗的传感器。它集成了蓝牙智能应用程序所需的所有功能,包括收发器,软件堆栈和基于GATT的配置文件,可与多达八个连接,同时支持主从模式。

这与它也可以承载终端用户应用程序,简单应用这意味着没有必要为一个外部微控制器一个附加的优点。这对于设计其中引脚计数(即足迹)是有限的特别重要的。

这也需要配上灵活硬件接口的可编程8051级控制器内核一个8位的方式连接到不同的外围设备和传感器。


Silicon Labs公司BLE113蓝牙模块的图像

图4:Silicon Labs公司的BLE113蓝牙模块采用8位控制器。

在低功耗休眠模式下的功耗仅为500 nA和会醒来就在几百微秒,18 mA的电流发送和接收14毫安的电流。这意味着它可以直接从一个标准3 V纽扣电池或双AAA电池的小型外形设计供电。

的9.15点¯x15.75点¯x2.1毫米模块包括其中所述阻抗匹配为1毫米而优化的单极贴片天线 - 2毫米主板PCB的厚度,作为辐射图案通过在主板的布局的影响。

结论

物联网是市场有自己特定的要求越来越重要的环节。离散控制器和收发器可以用于一种低成本,紧密集成的设计,而32位的控制器芯同时处理的协议和在一个系统级芯片的应用程序代码。这两种方法都使用与提供预先认证的功能,大大减少了开发和测试的物联网的无线解决方案在不影响空间或性能时模块。

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