如何为可穿戴设备和物联网选择合适的个人局域网链路

王浩然

个人局域网(PAN) 的真正部署阶段尚未到来。我们正处于新一代可穿戴计算机、传感器和外设的爆发点，这将使我们与机器的缠结进入一个新的水平。

传统上，一个PAN 会与一个无线语音链路关联，如与无线耳机的蓝牙连接。尽管这是一个有用的本地机器到机器(M2M) 个人链路，但远未达到低功耗RF 近场技术PAN 所能提供的实际潜力。

本文将探讨我们有哪些选择来通过我们的“个人电磁泡泡”产生和收发数据。文中将讨论各种应用中使用的低功耗级别和信号类型，范围覆盖可穿戴设备或简单的“深嵌”传感器，到较复杂的高清视频和用于实时3D 手势识别的图像处理。

我们将讨论现今有哪些标准的芯片级解决方案，如IRDA、无线USB、蓝牙、Z-Wave、ZigBee 和Wi-Fi，并从带宽的角度深入研究，以确定预期可以看到的实际、可使用的吞吐量。同时我们还会讨论对于不同功能哪些标准更好。本文件所引用的所有零件、规格书、指南和开发工具均可以在Digi-Key 网站找到。

并非都是RF

无线链路一般会使我们联想到无线电概念，但并非所有无线链路都是基于RF 的。有些视线、近程和低带宽通信可以用IR（红外线）来取代。例如，用于设备或医疗程序遥控的两件式力反馈手套。此时，象ROHM RPM973-H11E2A 这样的IRDA 模块做得更好（图1）。这种收发器是超薄、自足式的，能够以光学链路提供高达4 Mbits/s 的速度，且不会受任何来源的环境射频噪声干扰。它同时具有适合恶劣条件的坚固结构。

图1：不要小看坚固耐用的IR 在适度带宽数据通信中作为视线链路的用处。有多种设计精良的低成本收发器供工程师们选择。

尽管光学技术有其独到之处，但到目前为止，新兴PAN 应用中用得最广泛的通信技术还是RF。有趣的是，对较近程的低速链路，可以使用低成本的窄带AM、FM、ASK、FSK、载波开/载波关和PSK 类型的RF。计算机鼠标有1,200 bit/s 的数据速度就可以工作地很好。

Murata TR3000 使用433.92 MHz 的载波和ASK 或OOK 调制，支持高达115.2 Kbaud 的数据速率。它的工作电压为2.7 到3.7 V，接收数据时电流只需3.8 mA，7.5 mA 的电流就可以进行数据传输。其能耗就更出色了，可将较近程链路的能耗降低一个数量级，从而延长电池续航时间（图2）。

图2：窄带传输因为相对低的数据速率而可使用较低的功率数。但是，噪声源和拥挤的互动环境会造成问题。

虽然可对窄带AM 和FM 进行功率限制，但会有太多的可能干扰源，因此当出现错误时，这类链路一般不会进行仲裁、冲突检测、冲突避免和自动重发。此时使用数字无线电就比较好。

多个数字标准正在角逐令人垂涎的较大规模PAN 市场，包括象蓝牙、USB、ZigBee、Wi-Fi 或Z-Wave 这样的一致可互操作标准，具体不一而足。

随着多个IC 级的器件即将面市，无线USB 将提供某些保证。Cypress CYRF6936-40LTXC 是直接定序扩频无线2.4 GHz USB 收发器仅有的零件。1.8 至3.6 V 装置的数据速度高达1 Mbit/s，使用4 MHz SPI 端口进行设置和控制。这是一个采用裸焊盘的40 引脚零件，比窄带解决方案稍大。其34 mA 发射（21.2 mA 接收）电流也明显高一些。其实，许多应用大多时间处于休眠状态而非唤醒状态，利用小电池就可以实现长时间突发通信，如果电池可以充电则尤为如此。

带有嵌入式控制器的类似零件有Cypress CYRF89235-40LTXC，该零件提供一个高达24 MHz 的片载Harvard 架构M8C RISC 处理器，以及一个仿真端口（图3）。片载32 K 闪存可以存储某些应用的堆栈和用户代码。可以通过8 位端口或通过I²C 或SPI 接口（同时都包括）在可编程I/O 上扩充2 K RAM。

图3：片上系统方式允许嵌入式微处理器完全运行协议堆栈，同时提供嵌入式环境，既可以存储您应用特定的代码，也可以建立您自己的定制接口。

不只是语音

蓝牙语音未来最有可能统治耳机领域或用于个人语音链路，尽管它使用的功率远较其所需要的要多很多。对于大多数零件来说，蓝牙器件连在一起会工作地很好，即使在拥挤的环境也是如此。网络共享进程会让收发器成为简单的查询锁定类型，无需保持多个套接字和复杂的协议堆栈。

另一方面，低功耗蓝牙非常适合用于象传感器、致动器和PAN 这样的非语音应用。类似于其它标准，已经有人开始行动，推出集成解决方案。值得注意的一个蓝牙LE 解决方案来自CSR，即其TCSR1010A05-IQQM-R 单芯片蓝牙LE 片上系统(SoC) 收发器（图4）。作为CSR 的µEnergy 低功耗蓝牙平台的一部分，该器件同时包含一个嵌入式微控制器。在此实例中，则是一个运行BT LE 堆栈、无线电、中断和外部接口的16 位RISC 处理器。

图4：嵌入式微处理器不仅可以包含数字无线电外设功能，而且还可以提供其它连接和外设接口，包括混合信号。

需要注意的是，这些零件有较多资源可用。闪存和RAM 容量均64 K 字节。此外，这些零件还包含一个10 位A/D、12 个可编程I/O、SPI、I²C、UART、PWM 和一个调试SPI 端口。就现今正在开发中的无线电来说，几乎全部都有能量管理特性，并可以使用32 kHz 实时时钟晶体，以节省更多的休眠功率。

这一领域的另一个竞争者是STMicroelectronics，该公司提供蓝牙LE 无线网络处理器BLUENRGQTR。它作为1 Mbit/s 兼容型主、从设备时也符合蓝牙v4.0 规范要求。它可以使用32 kHz 时钟或振荡器，以便减少能耗或者运行在更高的原生频率上，进行进程密集型资料处理。本例中，频率最高为32 MHz。

它基于ARM Cortex-M0 处理器（图5），带一个64 K 的程序闪存和12 K 的SRAM。它同时还有SPI、I²C、UART、串行程序和调试，以及AES 硬件。STMicroelectronics 视之为PAN 领域的潜在外设控制器，特别适合保健类应用。该公司还针对蓝牙LE 的保健应用提供产品培训模块。

图5：不仅是8 位和16 位内核可运用到PAN 应用中，而且这种32 位的Cortex-M0 也可以操作无线电链路，且对您的代码具有巨大的处理能力。

与许多其他供应商类似，STMicroelectronics 也支持堆栈并提供开发环境帮助您加快开发速度。本例中，该供应商的STEVAL-IDB002V1 是一款有用的针对BlueNRG 低功耗网络处理器的演示和评估板。

其它可能

其他无线玩家要想在新兴的、处于爆发式增长阶段的PAN 市场分得一杯羹有许多障碍要克服。其中一个例子就是ZigBee。这是一个流行的标准，有多家设备和模块制造商支持，适合家庭和楼宇自动化应用。

与蓝牙不同，ZigBee 在智能电话、平板电脑和笔记本电脑上没有原生支持。这就可能存在障碍。ZigBee 还需要一个相当复杂的堆栈，意味着节点成本会较高。另一方面，ZigBee 具有架构仲裁和识别能力，在成为大网眼的一部分方面具有优势。

Wi-Fi 也某些吸引人的地方，特别在推进物联网方面。它提供云基连接能力，其提供的芯片和模块也是认证就绪型的解决方案。尽管Wi-Fi 在智能电话、平板电脑和笔记本电脑上具有原生支持，但是功耗太大。控制灵活性方面可能使之不太适合PAN 应用，所以它仍可能不是一个可行的解决方案，特别是在它每次进入低功耗模式之后，在唤醒时需要重新建立连接，发现模式也占用很多时间和能耗。

还有其它潜在解决方案。Z-Wave、ANT+、IOHomecontrol、W6LoPAN 和RF4CE 均在应用特定和通用协议之列，值得了解。

总而言之，我们正在见证新一代物联网相关产品的快速发展，这将增强我们的能力和我们的自我意识力。在这个环境中，智能电话最有可能成为个人局域网的中枢，将象保健监护仪、智能手表和显示设备（如Google 眼镜）以及各种各样嵌入衣服和鞋子的传感器之类可穿戴设备连接起来。本文探讨了工程师们有哪些选择来通过个人“电磁泡泡”产生和接收数据。我们还讨论了许多可能的协议并回顾了有代表性的零件。

吉祥夜

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