物聯(lián)網(wǎng)(IoT)將會(huì)是未來(lái)增長(zhǎng)很快的一個(gè)領(lǐng)域，然而這其中也充滿了挑戰(zhàn)——物聯(lián)網(wǎng)當(dāng)中包含有許多不同種類的有線和無(wú)線標(biāo)準(zhǔn);許多應(yīng)用都需要滿足低功耗和安全性的要求;此外，物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)份額巨大、演進(jìn)迅速，設(shè)備需要易于設(shè)計(jì)。
過(guò)去幾十年，電子產(chǎn)品的演進(jìn)從不具備通信功能，到設(shè)備間具有簡(jiǎn)單連接，再到設(shè)備與因特網(wǎng)實(shí)現(xiàn)互連，現(xiàn)如今，其發(fā)展階段已走向設(shè)備與設(shè)備之間以及設(shè)備與因特網(wǎng)之間均能實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。通信設(shè)備從電腦到手機(jī)再到物聯(lián)網(wǎng)，其市場(chǎng)份額將呈10倍以上的爆發(fā)性增長(zhǎng)。
前不久，德州儀器(TI)嵌入式處理業(yè)務(wù)部無(wú)線連接解決方案副總裁兼總經(jīng)理Haviv Ilan(圖1)向筆者介紹說(shuō)，現(xiàn)在的產(chǎn)品正越來(lái)越多地用到無(wú)線技術(shù)。除智能手機(jī)以外的很多產(chǎn)品都添加了智能功能，比如燈泡使用無(wú)線設(shè)備進(jìn)行開(kāi)關(guān)和亮度控制。
圖1：德州儀器(TI)嵌入式處理業(yè)務(wù)部無(wú)線連接解決方案副總裁兼總經(jīng)理Haviv Ilan。
很多產(chǎn)品都需要實(shí)現(xiàn)無(wú)線連接，這其中最重要的兩個(gè)方面是實(shí)現(xiàn)控制和軟件升級(jí)。當(dāng)產(chǎn)品制造好銷售到客戶手中后，若是具有無(wú)線功能，則可以很方便的實(shí)現(xiàn)升級(jí)服務(wù)，為產(chǎn)品提供更多的新功能。又比方說(shuō)，為了節(jié)省電力消耗，可以采用控制功能，在不同時(shí)間降低產(chǎn)品的用電量。
以前，無(wú)線通信的瓶頸是功耗較大，這極大地制約了電池壽命，然而，隨著各種低功耗無(wú)線技術(shù)(比如低功耗藍(lán)牙)的出現(xiàn)，越來(lái)越多的無(wú)線產(chǎn)品將會(huì)在市場(chǎng)上涌現(xiàn)。此外，物聯(lián)網(wǎng)能使市場(chǎng)擴(kuò)大的原因是，手機(jī)使用無(wú)線連接只是其中的一個(gè)產(chǎn)品，將來(lái)，不管是電燈、傳感器還是籃球等，任何東西都可以連接到網(wǎng)絡(luò)上(圖2~5為TI現(xiàn)場(chǎng)展示的部分Demo)。
圖2：TI現(xiàn)場(chǎng)演示：通過(guò)Wi-Fi控制電源插座。
圖3：TI現(xiàn)場(chǎng)演示：Sub-1GHz共存——在存在干擾的情況下，開(kāi)關(guān)控制燈的距離不受影響。
圖4：TI現(xiàn)場(chǎng)演示：智能籃球——美國(guó)已有該產(chǎn)品銷售，可提供速度和角度信息，用于業(yè)余籃球愛(ài)好者訓(xùn)練之用。
圖5：TI現(xiàn)場(chǎng)演示：藍(lán)牙低功耗游戲演示——用玩具小鳥砸玩具小豬(小鳥和小豬均帶有BLE SoC芯片)，在平板電腦上根據(jù)加速度計(jì)數(shù)據(jù)(對(duì)應(yīng)飛行時(shí)間、加速度及沖撞力)評(píng)判玩家得分。
物聯(lián)網(wǎng)涵蓋家庭、工廠、健康和汽車等許多應(yīng)用(圖6~9)。家庭安防系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線方式實(shí)現(xiàn)煙感器或防盜器連接;LED燈、傳感器等通過(guò)無(wú)線通信與云端建立互連。工業(yè)自動(dòng)化對(duì)無(wú)線有很大需求——從燈光控制到溫濕度控制等，通過(guò)無(wú)線調(diào)試和24小時(shí)不間斷監(jiān)控實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的最佳化。在醫(yī)療保健方面，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程醫(yī)療、運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。在汽車方面，越來(lái)越多的汽車會(huì)具備Wi-Fi功能，從而實(shí)現(xiàn)將手機(jī)中的多媒體數(shù)據(jù)和云端數(shù)據(jù)下載到汽車上;除此以外，未來(lái)汽車的發(fā)展趨勢(shì)是將其中重達(dá)40kg的有線網(wǎng)絡(luò)替換成無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，從而節(jié)省材料和燃油開(kāi)銷。
圖6：無(wú)線連接在家庭中的應(yīng)用。
圖7：無(wú)線連接在工廠中的應(yīng)用。
圖8：無(wú)線連接在醫(yī)療保健中的應(yīng)用。
圖9：無(wú)線連接在汽車中的應(yīng)用。
那么，物聯(lián)網(wǎng)是如何工作的呢?每個(gè)聯(lián)網(wǎng)設(shè)備都是物聯(lián)網(wǎng)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，它們通過(guò)網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)橋或路由器連接到云端;然后再通過(guò)PC機(jī)、手機(jī)或者平板電腦與云端建立連接，實(shí)現(xiàn)人與機(jī)器的交互(圖10)。
這其中，物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)/網(wǎng)橋/路由器和云端以及各種不同應(yīng)用所使用到的器件都不相同(圖11)。Haviv Ilan表示，在物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)方面，比較簡(jiǎn)單的節(jié)點(diǎn)會(huì)用到MCU，比較復(fù)雜的節(jié)點(diǎn)會(huì)用到ARM處理器。除此之外，更重要的是需要無(wú)線連接射頻產(chǎn)品，以傳送傳感器所采集的數(shù)據(jù)。然后，信號(hào)處理還需要用到模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，電池供電需要用到電源管理芯片，不同信號(hào)(比如溫度、濕度)的采集需要采用不同的傳感器等等。
圖10：物聯(lián)網(wǎng)組成示意圖。
圖11：德州儀器能提供從物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)/網(wǎng)橋/路由器到云端最全面的器件支持。
網(wǎng)關(guān)/網(wǎng)橋/路由器都具有簡(jiǎn)單的MCU或處理器、有線/無(wú)線的連接和電源管理器件。如果是ZigBee的應(yīng)用，則會(huì)采用ZigBee網(wǎng)關(guān)，用到ZigBee器件，其連接到云端則會(huì)采用以太網(wǎng)IC或Wi-Fi IC。云端部分則是處理器的天下，其中具有很高端的處理器，比如多內(nèi)核處理器。同樣，云端服務(wù)器也會(huì)用到許多的模擬和電源IC。
Haviv Ilan強(qiáng)調(diào)，不管是在IoT節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)/網(wǎng)橋/路由器，還是在云端部分，TI都有豐富的產(chǎn)品和解決方案，這也是為什么TI這么看重物聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)原因。
拿水泵案例來(lái)看，水泵內(nèi)部具有一個(gè)主控MCU;控制水泵閥門需要用到無(wú)線射頻產(chǎn)品或以太網(wǎng)MCU;水泵還需要安裝傳感器檢測(cè)水的流速(圖12)。另外，水泵還有一些模擬和電源產(chǎn)品，這些TI都能提供支持。
在網(wǎng)關(guān)部分，水泵采用的是Sub-1GHz射頻技術(shù)，網(wǎng)關(guān)也要有Sub-1GHz IC做接收;接收之后再通過(guò)有線或無(wú)線方式和IP建立連接。TI做了一個(gè)網(wǎng)關(guān)的參考設(shè)計(jì)，在網(wǎng)關(guān)的參考設(shè)計(jì)里，無(wú)論是Sub-1GHz射頻技術(shù)還是Wi-Fi、藍(lán)牙，該公司都有網(wǎng)關(guān)解決方案。
圖12：水泵應(yīng)用案例。
在服務(wù)器部分，TI也有豐富的產(chǎn)品和案例。比如，惠普的Moonshot服務(wù)器就采用了該公司的多內(nèi)核高端處理器，通過(guò)其DSP運(yùn)算可以提供很好的數(shù)據(jù)分析功能。
德州儀器嵌入式處理業(yè)務(wù)部無(wú)線連接解決方案無(wú)線連接中國(guó)區(qū)總經(jīng)理Eran Sandhaus(圖13)補(bǔ)充說(shuō)：“TI在物聯(lián)網(wǎng)方面有許多不同產(chǎn)品可以滿足不同需求，不管是在Zigbee還是Sub-1GHz技術(shù)，還是低功耗藍(lán)牙，還是PLC載波通信方面。最新的EtherCat是工業(yè)用Ethernet的方向，另外，NFC、6LowPAN或者其他不同的技術(shù)，我們TI都有不同的產(chǎn)品，可以滿足到所有這些需求。
圖13：德州儀器嵌入式處理業(yè)務(wù)部無(wú)線連接解決方案無(wú)線連接中國(guó)區(qū)總經(jīng)理Eran Sandhaus。
“在IoT技術(shù)里，低功耗也非常重要。TI在中國(guó)對(duì)低功耗技術(shù)做了很多不同的無(wú)線產(chǎn)品、MCU產(chǎn)品以及模擬產(chǎn)品，用戶可以設(shè)計(jì)很多低功耗的產(chǎn)品使用在物聯(lián)網(wǎng)部分。除了電池用電以外，現(xiàn)在也可以看到有很多不同的應(yīng)用開(kāi)始考慮沒(méi)有電池的方向，比如通過(guò)光伏板取電、手機(jī)無(wú)線充電或者無(wú)線能量采集，做無(wú)電池的應(yīng)用，TI通過(guò)低功耗的技術(shù)做到了更多更低功耗的產(chǎn)品?！?
最后，保密技術(shù)也是很重要的部分，TI的產(chǎn)品采用了加密技術(shù)，使得這些產(chǎn)品可以在物聯(lián)網(wǎng)里更安全地傳送。此外，IoT設(shè)備需要盡可能降低開(kāi)發(fā)的復(fù)雜度，否則很難讓用戶接受。在這方面，IoT物聯(lián)網(wǎng)中的一些簡(jiǎn)單應(yīng)用的設(shè)計(jì)，TI通過(guò)SimpleLink產(chǎn)品，讓工程師和用戶可以很簡(jiǎn)單地把設(shè)備直接連到物聯(lián)網(wǎng)上，從而讓工程師更容易接受物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品。
