【技术】物联网中的多协议、多频段连接的案例

广泛应用于物联网 （IoT） 中的无线协议具有许多共同的属性。多协议 SoC 可以运行所有的协议，简化了多种无线设计。我们希望控制生活中无数的设备和系统。例如当我进入家里或办公室的房间时，希望能够用开关控制灯。当我离开家时，我希望设置我的安全警报并锁上门。许多这样的系统已经被安装，并且成为一套完善的基础设施的一部分。

物联网的技术演变

物联网正在改变我们的期望。现在，我希望通过智能手机远程监测和控制我家的温度；希望我的办公楼在没有人的时候关掉灯来节约能源；希望建筑物知道我什么时间在那里，并确保我周围的环境舒适安全。

为了实现我们日益连通的世界，无数的物联网设备和系统已经在我们几乎没有注意到的情况下被部署。我们的家庭、办公室、工厂乃至城市基础设施中有许多的无线安全系统、通行卡、占用传感器、远程温度传感器和其它连网设备。

支撑物联网的有线和无线传感器的复杂网络已经开发和部署了数十年。替换这些传感器网络的代价将是昂贵的。物联网的成功正在提高目标。随着多协议技术的出现，新的无线传感器节点的部署现在变得更加容易了。该技术包括硬件和软件，可使单个片上系统（SoC）设备支持多种无线协议，如低功耗蓝牙（Bluetooth low energy，BLE）、Zigbee和Thread。并且它横跨从Sub-GHz到2.4GHz的多个频率。

然而，由于物联网基础设施建立在传统系统的基础上，我们还必须考虑将新的802.15.4无线技术添加到物联网早期部署的已有基础设施上所带来的挑战。传统系统的支持并不是唯一的挑战，还要考虑常用于解决类似连接性挑战的竞争性协议标准所带来的复杂性。

典型的物联网节点

关于我们周围的大量传感器网络，首先需要了解的是它们基于的微控制器（MCU）技术以及某种传感元件。它们一起将模拟环境转换为数字数据包，一旦量化，数据往往必须进入云以进一步处理。在许多情况下，选择的传输方式是无线传输。无线传感器数据包通常很小，无线节点本身必须有效地利用大小、成本和功耗。

图1：交换多协议方案

过去为了实现这一连接过程，许多供应商使用了Sub-GHz射频，以及针对电池寿命进行了优化的轻量级无线协议。他们被迫自行制定自己的协议，因为既有的选择太耗电或者无法覆盖期望的范围。然而，现在开发者有很多强大的、高效的、基于标准的选择可用，包括Zigbee，Thread和低功耗蓝牙（BLE）。

物联网设备的设计人员往往面临一种困境，即设计的单一产品既要能够与所有无线标准一起工作，同时要最小化BOM（物料清单）成本和复杂性。只有少量的设备制造商有资源或时间来创建特殊设计，以支持每种有可能用于物联网的无线标准。

多协议、多频段SoC通过在一个高度集成的SoC 芯片中支持Sub-GHz专有频率以及2.4GHz频段基于标准的协议，将开发人员从这种困境中解放出来。理想情况下，多协议、多频段SoC的无线收发器具有两个无线路径：一个用于Sub-GHz传输，一个用于2.4 GHz传输。这种集成的无线架构给予物联网开发人员很大的灵活性来应对多种应用场合。

考虑一下集成到无线SoC中的典型多频带收发器的信号链。无线收发器的一些部件是共享的，一些是分开的。例如，RF部分必须具有单独的部件来处理不同的频率要求。但调制解调器（由调制器、解调器和一些加密硬件组成）可以在两个无线前端共享。

这种无线架构为多协议、多频段SoC设计创建了高度优化、一致和经济的方法。不同的协议栈可以共享调制解调器来实现各种通信标准。调制解调器也在RF部分之间进行复用以接收和发送包。这种共享架构也非常适合软件开发，因为它提供了射频功能的通用接口。因此，它允许开发人员创建可以在不同协议栈之间共享的无线配置层。

图2：动态多协议连接

实现多协议、多频段系统所需的软件很复杂。无线协议栈必须是高效的，并且必须适用于广泛的硬件产品。它们还必须在多线程环境中与实时操作系统（RTOS）一起工作。在多协议应用程序中，多协议栈必须无缝地一起工作或独立工作，从而不会导致臃肿或降低效率。当两个协议栈在具有共享硬件的同一个SoC上运行时，必须以保持网络完整性的方式来实现。这是一个复杂的任务。

多协议/多频段系统被证明可用于各种各样的用途。可编程多协议连接很容易解释和实现。当单个器件可以横跨多个最终产品部署时，工程管理人员将认识到大量的代码可被重用，以提高效率。工程师可以指定单一型号的器件以运行Zigbee、Thread、BLE 或者专有协议。然后，他们可以在生产时决定产品是否运行蓝牙或作为Sub-GHz产品运行。这种方法使制造商能够最大限度地降低财务风险，同时保持最大的生产灵活性。

当设备已经部署在现场时，交换多协议方案（如图2）允许连网设备通过引导加载新的固件映像来更改它们运行的无线协议。例如，这种技术可能会使用智能手机连接从低功耗蓝牙切换到Zigbee、Thread或其它无线网络。

交换多协议对终端消费者具有很大的意义。例如，这项技术使安装人员能够通过智能手机应用程序来配置和校准产品。这项功能在部署Thread 或Zigbee节点时特别有用。

图3：多协议应用案例比较

在各种网络中的配置可能很困难。交换多协议技术简化了这项工作，它使物联网产品在一开始就能够使用BLE，之后再将其配置并切换到其它网状网络协议。与动态多协议相比，交换多协议的优点在于需要更少的设备资源，因为不需要在多个无线设备之间物理存储和运行多个协议。

在单个无线芯片上运行三种通信协议栈的动态多协议连接如图3所示。通过时间分片机制，实现了在协议之间共享无线。这种动态方法允许使用低功耗蓝牙与其它无线协议。在这个简单的示例中，通常在Zigbee上运行的设备周期性地使用蓝牙信标功能。

使用动态多协议，可以通过分时共享物理资源来支持一个SoC的两种协议（或更多）。动态多协议通常使用更多的设备资源，如闪存，并具有更复杂的软件架构。它还需要细致的射频设计以在不同协议之间动态共享无线资源。

图6：IoT覆盖与数据率的关系

虽然动态多协议方案使用更多的硬件资源，但考虑到这种方法带来的价值，这种选择是值得的。在许多情况下，动态多协议技术将设计复杂性和整体系统成本降低了至少50%。这些节省来自于仅使用一个SoC设备，而不是使用两个或更多个芯片以及分布式规则引擎和不同的协议栈架构。单个多协议SoC与强大的RTOS、精心设计的无线协议栈和本地应用程序相结合，可以轻松实现需要多种连接模式的物联网设计。

并发多协议在部署Thread和Zigbee网络的网关设计中特别有用。在这里，由于协议和无线配置之间的相似性，许多软件和硬件资源可以按原样重用。例如，Thread和Zigbee共享相同的PHY和MAC层，最大限度地减少了重新配置收发器的需要。此外，Thread和Zigbee在通信协议栈中共享一些更高的共同元素，这使资源共享更加高效。结果是设备可以使用更小的内存占用，这有助于降低最终产品的成本。

总结

目前只有少数SoC供应商可提供基于高度集成的SoC和优化软件的多协议产品。更少的供应商可提供必要的开发工具，以简化多协议无线设计的复杂性。成功地实现系统中多协议栈无缝工作是一项挑战。

使事情变得困难的是，有时无线设计团队遍布世界各地，有不同的设计目标，或者可能是不同业务部门的一部分。当多个协议栈来自不同的公司或社区资源时，设计一个功耗和内存受限的可靠系统将变得非常困难。

协议必须在受限系统中有效地使用硬件，以避免浪费CPU周期和内存资源。特别重要的是要有效地处理协议栈之间的切换，否则会产生冲突和/或浪费能量。浪费CPU周期可能会对电池寿命产生破坏性影响。协议栈的低效还可能导致需要更多的内存，从而增加系统成本。为了确保开发出成功的应用程序，开发人员必须仔细考虑每个组件，如设备硬件（SoC或模块）、无线电调度程序、协议栈和RTOS。

多协议、多频段解决方案的需求将继续增长，因为对于所有物联网应用而言，没有哪一种无线协议是完美的。在一个更互联的世界中，我们将继续看到连网设备和嵌入式软件变得越来越复杂，以满足物联网的多样化需求。