可擴展性無線技術在智慧感測中的應用

可擴展性無線技術在智慧感測中的應用
製造商在設計智慧聯網應用,特別是針對消費類和工業市場時,該採用哪種無線標準是一大挑戰。在大多數市場上,這類型的設備是新興技術,例如在智慧燈泡產品市場可以發現多個帶有無線連通性的選擇。而在其它無線電設備的選擇方面也屬一定難度的應用,包括遙控、住宅/大樓自動化、智慧型儀器、健康服務、醫療、穿戴式產品、安防報警系統、信號燈等。

由於無線電設備是智慧感測應用的核心組件,一直以來設計人員都需在設計的早期階段就決定採用哪種無線標準。傳統情況下,製造商會選擇一個無線元件,並圍繞它製造產品,定案後設計就無法更改,比如收發器技術、印刷電路板(PCB)的佈線、軟體堆疊(Software Stack),以及進入該無線電設備的應用程式介面(API)。

以使用短距離無線通訊標準技術ZigBee的製造商為例,隨著設計工藝演進,全新的市場數據指出,使用Bluetooth Smart會使應用目標市場大幅增長,但若在設計後期階段才更換無線電設備將會是大工程,因為Bluetooth Smart無線電設備可能來自其他供應商,而原本與無線電設備相關的設計工作,像是軟體堆疊、API的部分都可能需要重做,因此就效率來看,製造商會考慮採用更接近完工階段的新設計去更改無線電設備。

即使Bluetooth Smart與原始的ZigBee皆來自同一家供應商,但由於建立在完全不同的技術基礎上,這些差異將會嚴重限制目前的設計繼續被沿用於全新無線電設備中的比例。在此情況下,已完工的設計可能出現延遲,甚至延後產品的上市時間,增加的工程設計成本不得不被納入考量。
 
應對市場需求的無線MCU平台

在進軍全新市場或部署新技術時,技術的適應性會是關鍵。缺少靈活變通將導致產品在市場上銷售狀況不佳,但適當的可配置性則會讓產品在取得市場上發揮關鍵作用。

橫跨整個無線技術範圍的可擴展性無線微控制器平台,可以幫助製造商靈活適應多變的市場需求。德州儀器(TI)基於ARM Cortex-M3的SimpleLink低功耗無線MCU平台具備可擴展性,讓針腳對針腳相容封裝選項的器件可支援大量不同的無線電類型,包括Bluetooth Smart、Sub-1GHz、ZigBee、6LoWPAN、IEEE802.15.4、RF4CE等無線通訊標準和運行速度高達5Mbps的專屬模式等。

從硬體角度來看,更換正在使用的無線電設備更為簡單直接。所有2.4GHz和全部Sub-1 GHz技術都是直接相容針腳對針腳。此外,平台器件之間的所有其它外部設備皆同,這使製造商能夠在設計的後期階段,靈活選擇使用的無線電設備。

對於所支援的每一種不同規格標準,這個平台須能相容彼此的代碼。然而,無線電標準間的切換,的確會對應用軟體的設計造成影響,而這影響是由無線電堆疊間的差異所造成,其應用必須將這一點考慮在內。例如,與6LoWPAN的對接是用IP報文交換(Message Switching)完成,借助Bluetooth Smart來讀取或修改不同屬性。

製造商將無線介面模組化的最佳做法,除了直接接入無線電設備,將資料發送至一個無線電函數外,還可以存取這個無線API;然後透過使用合適的API,讓此函數能夠按照要求,處理將被發射或被接收的資料。這樣做的效果在於若需於設計後期階段更改無線電設備,只須移植無線電函數即可。
 
可擴展性實現靈活性

當第一個無線電設備定案後,借助SimpleLink無線微控制器平台架構,製造商可將無線連通性協議的選擇時間延後到設計後期階段,設計人員便不需要再把額外精神放在替代無線電設備的設計上,能夠同時設計多種無線電設備。由於不同的無線電技術可以輕鬆轉移,製造商可選用同一款基礎設計去支援多項無線電設備,能以最佳的性價比提供多種選擇。

採用此超低功耗平台的首款器件是針對Bluetooth Smart的CC2640無線MCU、支援6LoWPAN和ZigBee的CC2630器件,以及用於Sub-1 GHz的CC1310無線MCU。此外,這個平台還以CC2620無線MCU支持ZigBeeRF4CE。這些器件都已針對超低功耗設計進行優化,從而可以使用單顆鈕扣電池,或是利用能量採集而無電池的情況下長期運作,為製造商在連接大量感測器和設備時帶來極大的靈活性。

CC2650這個多標準器件可在硬體和軟體下進行動態配置,不拘泥於某一種特定的無線電標準,能隨時在安裝現場進行配置。這使得製造商們甚至可以等到最後一刻才決定要採用哪種無線電標準,同時又無須更改天線設計。此外,因其器件所支援的無線電標準是可以被改變的,因此亦能採用單晶片。透過在現場重新配置CC2650,一個系統能同時和採用ZigBee的器件或選擇Bluetooth的器件進行通訊。

這款在315MHz、433MHz、470MHz、500MHz、868MHz、915MHz和920MhzIS M波段下運行的Sub-1 GHzCC1310無線MCU,能提供長達20年的電池使用壽命,可用於大樓和工廠自動化、警報和安防、智慧電網和無線感測器網路應用。借助CC1310解決方案加上CC26系列器件,MCU超低功耗平台可以滿足任
何設計需求。
 
針對最低功耗的多處理器效率
 
很多智慧感測應用裝置必須在只有一顆鈕扣電池供電、且不間斷的狀態下持續運作數年。有些設計連電池都無,必須從能量採集技術中獲得有限的電力以維持運轉,尤其是穿戴式應用對於功耗特別敏感。

無線MCU平台必須將多個處理器加以整合,以提供智慧感測應用在執行多重任務時,具備不同等級的計算能力。透過現有的處理器執行任務,平台即能夠以最低的功率運算,其中包括應用處理器、無線電處理器、感測器控制器等。

SimpleLink超低功耗平台的主處理器,必須為應用處理器提供獨立MCU運作時所需要的性能,並可對基於感測器的系統做智慧管理,提供充足的處理能力來應用和進行高級堆疊處理。在無線電處理器上,平台整合了一個專門處理系統中所有低階無線電任務的Cortex-M0,減輕主CPU對處理時間任務的負擔。感測器控制器則被設計成可滿足數據採樣和做出簡單決策的要求,能快速有效的處理感測器監控行為。此外,由於記憶體有限,且沒有外接其他外部設備,對於定期輪詢(Polling,一種CPU決策如何提供週邊設備服務的方式,又稱程式控制輸出入)感測器輸出,並且決定閾值事件是否出現等任務,避免在非必要時喚醒主CPU而浪費資源。

提供無線電設備運作和對接時所需的軟體,則必須以無線MCU簡化設計,讓開發人員可直接使用合適的器件,且不須大量配置或調整,即可完成優化以使用無線設備。為達目的,無線電控制器與生產代碼將會一併提供,以實現最高效率的無線電運作。

由於感測器控制器需要監控感測器進行決策,並根據特定應用採取行動,開發人員必須提供用戶設置感測器控制器的軟體工具,且要在不寫入任何代碼的情況下完成設定。至於定製代碼的應用,則可透過與C語言類似的指令碼語言實現,利用測試和偵錯功能的感測器控制器,不只能加快開發進程,更實現資料的即時視覺化以及演算法驗證。

感測器控制器的另一項優勢是與主CPU集中在一起。當使用一個二級、處理能力相對較低的MCU執行感測器控制器,不只能減輕主CPU的負擔,當應用處理器進入睡眠模式時,還可讓效能更高的控制器監控和管理這些感測器。由於這些二級MCU位在應用處理器的外部,開發人員必須設計和管理這些處理器之間的通訊,還必須執行中斷功能,查看控制器是否能喚醒應用處理器。

無線平台需要在不增加設計複雜度的同時,提供高功效的全部優勢。因感測器控制器、無線電MCU及應用處理器都整合在同一塊矽片上,大幅簡化軟硬體設計,甚至發揮更高的功效。當然,開發人員亦可使用Cortex-M3的可程式設計能力來進行應用,為每一項無線電技術提供API,以最高效率在應用中快速執行無線連通性。
 
MCU平台滿足智慧感測應用需求
 
創造易於程式設計的無線MCU,並且在進行實體層和堆疊整合時避免遇到問題是市場客戶需求,在無需損失可靠性或性能的前提下,除了穩定的安全性,RF和天線設計都已經簡化,而協定堆疊也為生產做好準備。開發人員可以從Code Composer Studio整合開發環境或IAR嵌入式工作台等全功能設計環境中進行選擇。此外,針對平台的綜合評估套件可立即用於設計工作。

為了對應不同的I/O需求,多種封裝尺寸的無線MCU便有其必要。例如採用4×4mm封裝的器件提供10個通用型輸入輸出(GPIO),5×5mm封裝則具有15個GPIO。對於需要更高連通性的應用來說,7×7mm封裝則能提供31個GPIO。

在無線技術範圍內擴展的多標準MCU平台,以數量為優勢的記憶體、GPIO數和器件封裝的靈活選擇為基礎,進而對降低功耗和成本產生影響,使製造商從全新角度面對市場變化,讓開發人員能在設計的後期階段再選擇無線電標準,也替製造商提供更多的時間和彈性做好準備。同時,透過專用器件優化性能和功耗,MCU平台將可幫助開發人員滿足對智慧感測的嚴苛要求。
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