電子工程師一直認為射頻（RF）電路設計是一項令人費解的工作，最好交給相應專家來完成。使RF設計變得復雜的一個因素是，在設計中通?？梢院雎缘募纳煞衷诟哳l下變得非常重要。在考慮PCB布局時，還必須考慮傳輸線影響，信號延遲和反射等因素，以及任何可能干擾附近設備的雜散信號。要克服的最后障礙是遵守協(xié)議標準和法規(guī)要求。為了簡化產品開發(fā)，現(xiàn)在市場可以提供現(xiàn)成的經過預先認證的RF模塊，以及系統(tǒng)級封裝（SiP）產品，其中包含了所有必需的功能。

 

這里考慮一個典型的無線模塊，集成有無線收發(fā)器、晶體振蕩器、RF電路和印刷電路天線，它還包括一個帶有固件的微控制器，用以實現(xiàn)無線協(xié)議棧。該模塊也可以集成其他功能，例如能源管理和外部接口等等。通常，這些模塊會有專門的評估和開發(fā)套件。開發(fā)套件可幫助對無線模塊進行初始評估，還可以用作軟件開發(fā)平臺，并構建產品演示或原型。但是，對于某些特定應用，仍然有必要了解確定無線技術性能和適用性的參數(shù)。例如，某些應用需要高數(shù)據(jù)速率或遠程通信，而另一些應用則更側重于低能耗。

 

Wi-Fi

 

Wi-Fi可能是最為熟知的無線標準，它廣泛用于家庭和辦公室環(huán)境，可360度接入高速數(shù)據(jù)。在室內環(huán)境下，由于障礙物（例如墻壁）的限制，其作用距離大約為10～30米，但是室外作用距離可以超過100米。目前的Wi-Fi標準使用2.4GHz和5GHz這兩個頻率。2.4GHz標準可提供高達600Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，較高的5GHz頻段可以提供更快的數(shù)據(jù)速率，但是其作用距離受固體障礙物的影響和限制更大。

 

Microchip Technology AC164165 Wi-Fi智能設備支持套件是一個Wi-Fi演示和開發(fā)平臺，該平臺基于緊湊的單頻段2.4GHz模塊（ATWINC15x0），并針對低功耗IoT應用進行了優(yōu)化。Wi-Fi控制器支持IEEE 802.11b/g/n標準，而高級物理層（PHY）可提供更出色的靈敏度和作用距離。

 

圖1：AC164165 Wi-Fi智能設備支持套件。（來源：Microchip）

 

除微控制器和各種標準接口外，主板還包括電源管理電路。例如，用于外部鋰離子或鋰聚合物電池管理的充電控制器使其適合于便攜式設備的原型制作。用于濕度，壓力和環(huán)境光檢測的板載環(huán)境傳感器可提供更多附加功能。

 

該套件經過預編程，可與Amazon Alexa一起使用，能夠提供云端連接以簡化快速原型制作。之后，開發(fā)人員可以使用Atmel Studio 集成開發(fā)環(huán)境（IDE）編寫專有的應用固件。

 

藍牙Mesh網(wǎng)絡

 

藍牙主要用于短距離通信，它取代了與打印機等外圍設備的有線連接。與Wi-Fi相比，藍牙功耗更低，作用范圍也更小，且最大數(shù)據(jù)速率僅為1或2 Mb/s。但隨著最近藍牙5標準的推出，藍牙Mesh網(wǎng)絡已明顯增大了其作用范圍。

 

圖2：藍牙Mesh網(wǎng)絡的圖形架構。（來源：Mouser Electronics）

 

為了評估藍牙Mesh網(wǎng)絡，賽普拉斯（Cypress）的EZ-BT Mesh評估套件包括有四個完整的藍牙節(jié)點，這些節(jié)點可直接提供一個簡單網(wǎng)絡。要創(chuàng)建較大網(wǎng)絡，只需添加更多節(jié)點。

 

該無線模塊基于賽普拉斯低功耗雙模Bluetooth 5器件CYW20819，并包括一個晶體振蕩器和印刷電路天線。它還具有模數(shù)轉換器（ADC）和脈寬調制（PWM）外設以及幾個串行接口，包括PCM/I2S音頻接口。為了提供更多功能，套件中的每個主板都帶有USB和UART接口、軟件定義的RGB LED和開關，環(huán)境光傳感器，熱敏電阻和無源紅外（PIR）運動傳感器。它的低功耗特性使其非常適合在電路板上裝有紐扣電池座的電池供電應用。

 

圖3：藍牙m(xù)esh網(wǎng)絡節(jié)點板功能。（來源：賽普拉斯）

 

為了支持物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)，ModusToolbox®軟件開發(fā)環(huán)境包括一個IDE、板級支持包、中間件程序庫以及各種應用代碼示例。

 

Z-Wave

 

Z-Wave主要為家庭自動化應用而設計，是一種功耗非常低的無線協(xié)議。它能夠間歇性地傳輸少量數(shù)據(jù)，通常使用紐扣電池或能量收集器供電。與其他無線技術一樣，Z-Wave也使用mesh網(wǎng)絡來實現(xiàn)所有設備之間的通信，并由此擴大作用范圍。

 

圖4：Z-Wave 700無線入門套件。（來源：Silicon Labs）

 

Silicon Labs的 Z-Wave 700 無線入門套件是功能全面的評估和開發(fā)平臺。它包含兩個主板，并帶有附加射頻板，其中包括射頻收發(fā)器、晶體振蕩器和支持組件。該射頻板也可以用作ZGM130S SiP模塊的參考設計。

 

每個主板都有廣泛的外部接口，包括以太網(wǎng)和USB，以及microSD卡插槽，還包括一個128x128像素的LCD、濕度和溫度傳感器以及一個紐扣電池座。另外，該主板另有一個擴展頭，用于附加板集成其他硬件。Simplicity Studio環(huán)境支持行業(yè)標準IDE中的軟件開發(fā)，并提供用于能量分析、配置和無線網(wǎng)絡分析的應用示例和工具。

 

窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）

 

最后，LTE蜂窩技術或4G在移動電話領域已經廣為人知。對于物聯(lián)網(wǎng)和低功耗應用，NB-IoT標準使用LTE技術的子集，將帶寬限制為200kHz，以便降低功耗。

 

Nordic Semiconductor的 Thingy:91™ 多傳感器原型開發(fā)套件非常適合低功耗蜂窩物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)應用。它基于nRF9160 SiP，將RF前端與多模LTE-M/NB-IoT調制解調器集成在一起，能夠提供對藍牙、蜂窩無線和GPS的支持。該套件還具有用于板載可充電鋰聚合物（Li-Po）電池的內置電源管理，使其非常適合開發(fā)便攜式和電池供電應用。它還集成了一系列令人驚嘆的環(huán)境傳感器：如溫度、濕度、空氣質量和氣壓、光線和顏色傳感器以及兩個加速度計，這些對于概念驗證和測試非常有用。

 

圖5：Thingy:91™ 多傳感器原型開發(fā)套件。（來源：Nordic Semiconductor）

 

結論

 

當今市場上有許多可用的無線通信協(xié)議，如何選擇最合適的協(xié)議取決于具體的應用需求。但無論選擇哪種標準，都有許多成熟的模塊和開發(fā)套件用來啟動項目，加速產品開發(fā)，并縮短上市時間。經過初步的原型設計和開發(fā)，在最終產品中使用相同的無線模塊可以節(jié)省大量時間和工程資源。

 

 

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