使用多协议无线模块来简化物联网产品的设计和认证

来源：Digi-Key
作者：Steven Keeping

利用无线连接，设计人员能够将非智能产品变成物联网 (IoT) 的智能集成设备，可将数据发送到云端进行基于人工智能 (AI) 的分析，同时允许设备接收空中下载 (OTA) 指令、固件更新和安全增强功能。

但为产品增加无线链路并非易事。在设计阶段开始之前，设计人员必须选择一种无线协议，这可能是一项棘手的任务。例如，一些无线标准运行于流行的免许可 2.4 GHz 频谱。所有这些标准都代表了在传输范围、吞吐量和功耗方面的权衡。要为某个特定应用选择最合适的协议，必须根据协议的特点仔细评估应用的要求。

因而，即便使用高度集成的新型收发器，设计射频 (RF) 电路对于很多设计团队来说也是一项挑战，导致成本超支和进度滞后。此外，射频产品将需要进行操作认证，这本身可能是一个复杂而又耗时的过程。

一种解决方案是基于使用多协议片上系统 (SoC) 的认证模块进行设计。这样可消除使用分立元器件进行射频设计的复杂性，并允许灵活选择无线协议。这种模块化方法为设计人员提供了一种随取随用的无线解决方案，让他们能够更容易将无线连接集成到产品中并通过认证。

本文阐述了无线连接的好处、探讨了一些主要 2.4 GHz 无线协议的优势、简要分析了硬件设计问题，并介绍了来自 Würth Elektronik 的一种合适的射频模块。文中还讨论了满足全球法规所需的认证过程，探讨了应用软件开发，并介绍了一种软件开发工具包 (SDK)，以帮助设计人员开始使用该模块。

多协议收发器的优势

没有任何一种短程无线技术占据绝对支配地位，因为每种技术都要做出权衡，以满足其目标应用的需求。例如，要提供更远的传输距离和/或更大的吞吐量，就要以增加功耗为代价。另外还要考虑到其他一些重要因素，包括抗干扰性、网状网络功能、互联网协议 (IP) 互操作性。

在各种成熟的短程无线技术中，有三种处于明显领先地位：低功耗蓝牙 (Bluetooth LE)、Zigbee 和 Thread。由于这三种协议都继承了 IEEE 802.15.4 规范的基因，因而彼此之间有一些相似之处。该规范描述了低数据速率无线个人局域网 (WPAN) 的物理层 (PHY) 和媒体访问控制层 (MAC)。尽管 Zigbee 存在一些 sub-GHz 变体，但这些技术通常都工作在 2.4 GHz。

低功耗蓝牙适用于物联网应用，例如只需偶尔传输数据且速率要求不那么高的智能家居传感器（图 1）。低功耗蓝牙与大多数智能手机中采用的蓝牙芯片具有互操作性，对于面向消费者的应用（如可穿戴设备）来说，这也是一大优势。该技术的主要缺点在于需要昂贵且高耗电的网关连接到云端，还有糟糕的网状网络功能。


图 1：低功耗蓝牙非常适合智能家居传感器，如摄像头和恒温器。其具备与智能手机的互操作性，因而简化了兼容产品的配置。（图片来源：Nordic Semiconductor）

Zigbee 也是低功耗和低吞吐量应用的理想之选，包括在工业自动化、商用和家庭领域。该技术的吞吐量低于低功耗蓝牙，但传输范围和功耗与后者相似。Zigbee 不能与智能手机互操作，也无法提供原生 IP 功能。Zigbee 的一大关键优势是它从一开始就是针对网状网络设计的。

与 Zigbee 一样，Thread 使用 IEEE 802.15.4 PHY 和 MAC 工作，能够支持多达 250 部设备构成的大型网状网络。Thread 与 Zigbee 的不同之处在于，它使用的是 6LoWPAN（IPv6 和低功耗 WPAN 的结合），这使得与其他设备和云端的连接变得非常简单，不过需要通过一个称为边界路由器的网络边缘设备进行连接。（请参见“短程无线技术重要考量因素简要指南”。）

虽然基于标准的协议占据主导地位，但 2.4 GHz 专有协议仍有一席之地。尽管这些协议限制了与配备同一制造商芯片的其他设备的连接，但它们可以进行微调，以优化功耗、传输范围、抗干扰性或其他重要工作参数。IEEE 802.15.4 PHY 和 MAC 完全能够支持 2.4 GHz 专有无线技术。

由于这三种短程协议的广泛普及，以及 2.4 GHz 专有技术提供的灵活性，人们很难选择一种合适的协议来适应最广泛的应用。以前，设计人员必须选择一种无线技术，然后在需要使用不同协议的变体时重新设计产品。但是，由于这些协议均使用基于类似架构的 PHY，而且都在 2.4 GHz 频段工作，因此许多芯片供应商提供了多协议收发器。

这些芯片允许使用单一硬件设计，只需上传新的软件，即可针对几种协议进行重新配置。不仅如此，该产品还可以配备多个软件堆栈，每个软件堆栈之间的切换由微控制器单元 (MCU) 进行监控。例如，用户可以通过智能手机，使用低功耗蓝牙来配置智能家居恒温器，然后再让设备切换协议，以便加入 Thread 网络。

Nordic Semiconductor 的 nRF52840 SoC 支持低功耗蓝牙、蓝牙网状网络、Thread、Zigbee、IEEE 802.15.4、ANT+ 和 2.4 GHz 专有堆栈。Nordic SoC 还集成了 Arm®Cortex®-M4 MCU，用于运行射频协议和应用软件，另外还提供 1 MB 的闪存和 256 KB 的 RAM。在低功耗蓝牙模式下运行时，该 SoC 提供 2 Mbit/s 的最高原始数据吞吐量。该 SoC 采用 3 VDC 输入电源，在 0 分贝（分贝数基准为 1 mW）输出功率下，发射电流为 5.3 mA，在原始数据速率为 1 Mbit/s 时，接收 (RX) 电流为 6.4 mA。nRF52840 的最大发射功率为 +8 dBm，灵敏度为 -96 dBm（低功耗蓝牙，1 Mbit/s）。

良好射频设计的重要性

虽然像 Nordic 的 nRF52840 这样的无线 SoC 是功能非常强大的器件，但仍需要良好的设计技巧才能最大限度地提升其射频性能。特别是，工程师必须考虑到各种因素，如电源滤波、外部晶体定时电路、天线设计和放置，以及至关重要的阻抗匹配。

区分优劣射频电路的关键参数是阻抗 (Z)。在高频率下，例如在短程无线电使用的 2.4 GHz 频率下，射频迹线上某一点的阻抗与迹线的特性阻抗相关，而特性阻抗又取决于印刷电路板基底、迹线尺寸、与负载间的距离，以及负载的阻抗。

实际上，当负载阻抗（在发射系统中是天线，在接收系统中是收发器 SoC）等于特性阻抗时，迹线上距离负载任意间距处测得的阻抗均相同。这样线路损耗被降到最低，实现了从发射器到天线的最大功率传输，从而提高了稳定性，扩大了传输范围。因此，良好的设计实践是构建匹配网络，确保射频器件的阻抗等于印刷电路板迹线的特性阻抗。（请参见“兼容蓝牙 4.1、4.2 和 5 的低功耗蓝牙 SoC 和工具可应对物联网挑战（第 2 部分）”。）

匹配网络包括一个或多个分流电感和串联电容。设计人员的挑战是如何选择最佳的网络拓扑结构和元器件值。制造商通常提供模拟软件，帮助进行匹配电路设计，但即使遵循了良好的设计规则，所设计的电路的射频性能也经常令人失望，缺少足够的传输范围和可靠性。这导致需要更多的设计迭代来修改匹配网络（图 2）。


图 2：Nordic 的 nRF52840 需要外部电路来实现其功能。外部电路包括输入电压滤波，支持外部晶体定时并连接到 SoC 的天线 (ANT) 引脚，SoC 和天线之间带有阻抗匹配电路。（图片来源：Nordic Semiconductor）

模块的优势

使用分立元器件来设计短程无线电路具有一些优势，特别是物料清单 (BoM) 成本较低和节省空间。然而，即使设计人员遵循 SoC 供应商提供的众多优秀参考设计之一，其他因素也会极大地影响射频性能，包括元器件质量和公差、电路板布局、基底特性及终端设备封装。

另一种方法是基于第三方模块进行无线连接。这些模块是完全组装并经过优化和测试的解决方案，能够实现“随取随用”的无线连接。在大多数情况下，模块已经获得了在全球市场使用的认证，从而为设计人员节省通过射频法规认证所需的时间和资金。

使用模块也有一些弊端。这些弊端包括成本更高（取决于体积）、最终产品尺寸更大、更依赖单个供应商及其量产能力，有时还会减少模块所基于的 SoC 的可用引脚数量。但是，如果设计简便性和更快的上市时间足以抵消这些弊端，那么使用模块就是最佳选择。

以 Nordic 的 nRF52840 作为核心的一个例子是 Würth Elektronik 的 Setebos-I 2.4 GHz 无线电模块 2611011024020。这个紧凑型模块的尺寸为 12 × 8 × 2 mm，其内置天线，有一个盖子可以最大程度减少电磁干扰 (EMI)，并且附带支持蓝牙 5.1 以及专有 2.4 GHz 协议的固件（图 3）。如上所述，通过添加适当的固件，该模块的核心 SoC 也能够支持 Thread 和 Zigbee。


图 3：Setebos-I 2.4 GHz 无线电模块外形紧凑，内置天线，还配有一个盖子以限制电磁干扰。（图片来源：Würth Elektronik）

该模块接受 1.8-3.6 V 的输入，当处于休眠模式时，电流仅为 0.4 µA。其工作频率涵盖了工业、科学和医疗 (ISM) 频段，该频段的中心频率是 2.44 GHz（2.402 至 2.480 GHz）。在理想条件下，输出功率为 0 dBm 时，发射器和接收器之间的视距传播距离可达 600 米，最大的低功耗蓝牙吞吐量为 2 Mbit/s。该模块内置四分之一波长 (3.13 cm) 天线，但也可以通过将外部天线连接到模块上的 ANT 端子，来扩大传输范围（图 4）。


图 4：Setebos-I 2.4 GHz 无线电模块包括一个用于外部天线 (ANT) 的引脚，以扩大无线电的传输范围。（图片来源：Würth Elektronik）

Setebos-I 无线电模块通过焊盘接入 nRF52840 SoC 的引脚。表 1 列出了每个模块引脚的功能。引脚“B2”至“B6”是可编程的 GPIO，可用于连接传感器，如温度、湿度和空气质量设备。


表 1：显示 Setebos-I 2.4 GHz 无线电模块的引脚名称。LED 输出可用于指示无线电传输和接收。（图片来源：Würth Elektronik）

短程无线产品认证

虽然 2.4 GHz 频段是免许可的频谱分配，但在该频段运行的无线电设备仍然需要遵守当地的法规，例如美国联邦通信委员会 (FCC)、欧洲符合性声明 (CE) 或日本电信工程中心 (TELEC) 的法规。要遵守这些法规，必须提交产品进行测试和认证，这个过程可能非常耗时，而且成本昂贵。如果射频产品没有通过任何部分的测试，则必须重新提交产品。如果模块要在蓝牙模式下使用，还需要列入蓝牙技术联盟 (SIG) 的蓝牙列表。

模块通过认证，并不能自动将认证授予使用该模块的最终产品。但如果最终产品不使用 Wi-Fi 等其他无线器件，这样通常会将最终产品的认证变成一项文书工作，而无需进行大量的重新测试。列入蓝牙列表时通常也是如此。一旦通过认证，使用该模块的产品就会贴上标有 FCC、CE 和其他相关 ID 编号的标签（图 5）。


图 5：贴在 Setebos-I 模块上的 ID 标签示例，表明其已通过 CE 和 FCC 射频认证。通过一些简单的文书工作，认证通常可以由最终产品继承，而无需重新测试。（图片来源：Würth Elektronik）

模块制造商通常会在他们打算销售产品的地区获取其模块的射频认证（如果合适，还要列入蓝牙列表）。Würth Elektronik 已经为 Setebos-I 无线电模块完成这项工作，但必须与出厂固件一起使用。在蓝牙工作方面，该模块经过了预认证，前提是它要与 Nordic 的 S140 低功耗蓝牙出厂堆栈或通过该公司的 nRF Connect SDK 软件开发工具包提供的堆栈一起使用。

Würth 和 Nordic 的固件稳定可靠，适用于任何应用。但是，如果设计人员决定使用开放标准的低功耗蓝牙或 2.4 GHz 专有堆栈，或来自其他商业供应商的堆栈，对模块进行重新编程，则他们将需要在预定操作区域，从头开始启动认证程序。

用于 Setebos-I 无线电模块的开发工具

针对高级开发人员，Nordic 的 nRF Connect SDK 提供了全面的设计工具，用于为 nRF52840 SoC 开发应用软件。nRF Connect for VS Code 扩展是我们推荐的集成开发环境 (IDE)，可以运行 nRF Connect SDK。也可以使用 nRF Connect SDK，将替代的低功耗蓝牙或 2.4 GHz 专有协议上传到 nRF52840。（请参考上文关于这对模块认证影响的评论。）

nRF Connect SDK 与 nRF52840 DK 开发套件配合使用（图 6）。该硬件采用 nRF52840 SoC，支持原型代码开发和测试。一旦应用软件准备就绪，nRF52840 DK 就可以作为 J-LINK 编程器，通过模块的“SWDCLK”和“SWDIO”引脚，将代码移植到 Setebos-I 无线电模块 nRF52840 的闪存。


图 6：Nordic 的 nRF52840 DK 可用于开发和测试应用软件。然后，可以使用开发套件，对其他 nRF52840 SoC 进行编程，例如 Setebos-I 模块上使用的 SoC。（图片来源：Nordic Semiconductor）

使用 Nordic 的开发工具构建的应用软件设计用于在 nRF52840 的嵌入式 Arm Cortex-M4 MCU 上运行。但有一种可能的情况，最终产品已经配备了另一个 MCU，而且开发人员希望使用它来运行应用程序代码，并且监控无线连接。或者，开发者可能更熟悉其他流行的主机微处理器的开发工具，例如 STMicroelectronics 的 STM32F429ZIY6TR。该处理器也是基于 Arm Cortex-M4 内核。

为了让外部主机微处理器能够运行应用软件并监控 nRF52840 SoC，Würth Elektronik 提供了 Wireless Connectivity SDK。该 SDK 是一组软件工具，可实现该公司的无线模块与许多流行处理器（包括 STM32F429ZIY6TR 芯片）的快速软件集成。SDK 包含 C 语言的驱动程序和实例，使用底层平台的 UART、SPI 或 USB 外设，与连接的无线电设备进行通信（图 7）。开发人员只需将 SDK C 代码移植到主机处理器上。这显著减少了为无线电模块设计软件接口所需的时间。


图 7： Wireless Connectivity SDK 驱动程序让开发人员能够使用外部主机微处理器，通过 UART 端口轻松地驱动 Setebos-I 无线电模块。（图片来源：Würth Elektronik）

Setebos-I 无线电模块使用“命令接口”进行配置和执行操作任务。这个接口提供了多达 30 条命令，可以完成各种任务，例如更新各种设备设置、传输和接收数据、将模块置于各种低功耗模式。连接的无线电设备必须在命令模式下运行，才能使用 Wireless Connectivity SDK。

总结

为互连产品选择单一无线协议很棘手，而从头开始设计无线电电路则更具挑战性。Würth Elektronik 的 Setebos-I 等无线电模块不仅在协议选择上具有灵活性，还提供了一个符合不同运营地区监管要求的随取随用连接解决方案。Sebetos-1 模块附带 Würth 的 Wireless Connectivity SDK，这让开发人员可以简单快速地使用自己选择的主机 MCU 来控制该模块。