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雙無線電連接︰在物聯網應用中實現兩全其美
http://www.qckg520.com 2020-12-23 15:20:18 21ic
電氣網】訊
  引言
 
  據統計,物聯網市場預計將從2020年的2480億美元增長到2025年的1.6萬億美元。物聯網設備的迅速崛起及其廣泛的應用案例也大大增加了其設計的復雜程度和多功能。選用一種合適的互聯通訊方案對任何一個物聯網設備來講都是至關重要的,但往往單獨的一種互聯方式無法滿足其所有的功能需求。本文著重論述了將近程和遠程通訊方式結合在一起使用的需求,以顯著提高物聯網設備的整體性能和多功能的特性。同時本文將重點聚焦在低功耗藍牙(BLE)和Sigfox技術上,因為它們已被視為優化物聯網產品技術架構的首選項。
 
  物聯網設備連接拓撲
 
  物聯網連接設備可大致分為三類︰
 
  1)直接連接到遠程基礎設施的設備
 
  GPRS、CDMA等技術使我們的智能手機或物聯網設備可直接連接到電信塔。隨著Sigfox、LoRa和NBIOT等LPWAN技術的出現,可在低功耗、低通訊速率及相近的距離內實現設備間的互聯通訊。這些設備允許物聯網連接設備漫游,而不必局限于特定位置。
 
  2)連接到本地網關並進而連接到遠程基礎設施的設備
 
  通過無線技術(如WiFi)或有線技術(如LAN、IO-Link、PLC等)可將本地的物聯網設備接入網關。借助該方法,可通過一個連接的網關將多個設備連接到雲。通常,這些技術具有非常高的數據速率,並用于高帶寬應用,如互聯網瀏覽、在線視頻或音頻等。這種方法的優點是,您可以遠程控制或監控家庭、辦公室或工業設施中的多個設備。因此,它還用于物聯網設備的許多控制應用中。但是,由于它們依賴于網關,因此不能像第一種方法那樣隨意移動。
 
  3)從本地連接到智能手機或彼此相連(通過或不通過互聯網連接)的設備
 
  藍牙、Zigbee、Thread和超低功耗藍牙[BLE]等技術可實現較短距離的點對點通信。在許多情況下,它們將手機作為雲網關。近程通信的優勢在于可獨立工作,而對雲網絡無任何要求。
 
  隨著人機接口(HMI)的出現,可連接設備(如手機或筆記本電腦)通常提供多種連接方式,如低功耗藍牙[BLE],經典藍牙,WIFI,GPRS等。但是,大多數的物聯網設備通常是被設計用來完成某項特定的任務,所有往往只會選用上述三種方式中的其中一種通訊方式,這中設計思路也限制了這些設備的可用性,產品使用壽命和多用途的特性。
 
  優化的雙重連接
 
  優化的架構結合了遠程技術和近程技術,可成為物聯網設備向廣泛應用滲透的里程碑。遠程連接允許與通信基礎設施進行通信,甚至允許漫游。同一設備中的近程技術可實現獨立的近程通信,以滿足廣泛的要求。
 
  低功耗藍牙[BLE]是一種難以置信的近程技術,可在多種使用場景中作為遠程連接技術的補充。BLE可實現近程直接連接,而遠程連接則可以為物聯網設備提供雲連接。
 
  BLE在物聯網設備中實現的一些功能包括
 
  -用戶界面
 
  BLE連接設備可連接到智能手機應用,從而使用戶能夠以直觀的方式與設備進行交互。這也可以減少設備所需的按鈕數量或顯示裝置,從而使其更便宜、更輕便且防水或防塵。
 
  -可配置性
 
  BLE還可用于配置設備,以使其以某種方式運行。允許在用戶端進行配置,設備制造商無需在工廠定制產品。甚至可以為設備配置各種自定義功能,如根據佩戴位置工作的計步器、設置鬧鈴或切換LED等。甚至可以使用BLE配置工業產品(如LED驅動器),以適應消費者所需的LED配置類型
 
  -本地監控
 
  基于BLE的接口支持在無雲連接的情況下直接監測傳感器數據。這在需要快速本地響應的情況下尤其重要。它也可用于優化數據成本,因為用戶可決定需要將哪些數據發送到雲,以及需要在本地監控哪些數據
 
  -診斷
 
  通常,當設備發生故障時,服務工程師需要打開設備或將電纜連接到設備,以便訪問設備。這很復雜,並限制了設備的創造力和功能。例如,如果設備具有開放端口並可以通過螺釘輕松打開,則該設備可能不防水。在主系統發生故障且BLE接口啟用的情況下,BLE接口便于無線訪問設備。在許多情況下,BLE可能無法供用戶使用,而只能出于診斷用途被激活。
 
  -固件升級
 
  固件升級功能允許在發貨後更新設備固件。即使在設備發貨後,這對于提供新功能和漏洞更新也很重要。通過固件升級,也可以根據用例配置設備功能。固件升級也是一種重要的診斷功能。
 
  BLE可以與其他遠程技術(如GPRS或LPWAN)相輔相成,以提供遠程連接。Sigfox是一種重要的多用途低功耗遠程技術。當BLE SOC驅動Sigfox無線電時,可在盡量不增加功耗、外形尺寸和價格的情況下實現廣泛的新功能和用例。Sigfox是一種可提供全球雲、遠程連接且功耗極低的LPWAN技術。Sigfox設備可在全球範圍內自由連接,而無需與網絡運營商達成任何獨立協議,也無漫游費用。
 
  某些功能可通過在同一設備中實施遠程技術來實現。我們來了解使用Sigfox所實現的功能。
 
  -遠程監控
 
  可使用Sigfox網絡將傳感器數據發送到雲,而無需本地網關。設備可直接將數據上傳到Sigfox運營商運營的Sigfox網關。這些網關可直接實現長達數公里的連接。
 
  -數據聚合
 
  需要將煤氣表、水表或其他傳感器的數據匯總到雲中,以便合並、計費或分析。通過Sigfox網絡長期發送的數據可用于此目的。
 
  -跟蹤和定位
 
  跟蹤和定位是使用最廣泛的物聯網設備用例之一。如果需要精確定位,則可通過Sigfox網絡將GPS坐標發送到雲端。許多用例(如車隊監控)均接受幾公里的精度。在這類用例中,Sigfox網絡自身可使用三角測量法進行定位,而無需GPS信號。Sigfox引入了一種名為Monarch的新功能,以根據當地法規識別無線電服務並管理無線電頻率變化。借助該功能,設備可跨國界漫游,並始終保持連接。
 
  -事件通知
 
  當有人使用BLE解鎖時,也需要使用獨立網絡將信息記錄在雲端。開門、超過傳感器閾值、防盜警報、火警之類的事件同樣需要獨立于本地接口工作。配備正確的傳感器、邏輯和Sigfox無線電的設備可輕松實現該目標。
 
  -診斷和協助
 
  如果需要幫助或設備的某些部分出現故障,則物聯網設備可通過Sigfox網絡發出警報。Sigfox也允許發送下行消息,以便在診斷模式下配置設備並提供相關數據。
 
  意法半導體推出了獨特的解決方案,以便將BLE和Sigfox無線電合並成一種通用解決方案。雙無線電通過Sigfox提供遠程連接,並通過BLE提供智能手機連接。與Sigfox設備的智能手機連接支持用戶界面[UI]、無線固件更新[FUOTA]、直接配置和控制。
 
  STDES-MONARCH已通過Sigfox認證,並免費提供所有必要的設計文檔和軟件。該參考設計同時嵌入了BlueNRG-2低功耗BLE片上系統(SoC)和S2-LP窄帶超低功耗sub-1GHz收發器。
 
  意法半導體的BlueNRG-2是一種經過超低功耗BLE 5.0認證的無線處理器,它支持與傳感器無縫連接、Privacy 1.2、Secure Connection 4.2、數據長度擴展、8dBm的輸出功率和與物聯網
 
  BLE Mesh連接支持通過物聯網解決方案的Mesh網絡連接多個BLE設備。通過引進Mesh解決方案,即使設備不在網絡的直接範圍內,也可以進行連接。
 
  S2-LP是高性能超低功耗RF收發器,適用于sub-1GHz頻段的RF無線應用。可將其編程為在413-479 MHz、452-527 MHz、826-958 MH、904-1055 MHz頻段的sub-1GHz頻率下運行。S2-LP支持不同的調制格式︰2(G)FSK、4(G)FSK、OOK和ASK。S2-LP的遠程通信RF鏈路預算高于140 dB,並符合世界各地(包括歐洲、日本、南亞、印度、中國和美國)適用法規的要求。
 
  結論
 
  隨著物聯網用例的發展,同一設備將需要更多連接選項。這將增強設備的可用性、多功能性和可靠性。BLE SoC驅動sub-1Ghz無線電組合預計將有良好的發展勢頭,因為它在不犧牲成本、功耗和外形尺寸的前提下實現了額外的連接。意法半導體在兩種世界級的無線電技術中采用了該架構,並在客戶中取得了巨大反響。
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