整合到物聯網中

　　哪種無線技術適合物聯網?

　　許多應用的元件選擇相對簡單，但對於諸如微控制器之類可程式設計半導體來說，開發團隊必須考慮更廣泛的條件範圍：有無可用的開發工具、終端程式設計裝置供應商以及編譯程式碼質量都需要納入考慮範圍。

　　隨著物聯網 (IoT) 應用的飛速發展，通常需要在產品中整合一個或多個無線協議。 當然，市場上有多種能讓無線“問題”消失的模組，但此類解決方案採用整合的專業知識和固定的韌體功能，可能會缺乏所需的靈活性、沒有一個合理的價位或者佔據過多板空間。 如需通過一個具有無線功能的可程式設計晶片或者一個僅有無線功能的模組來擴充套件微控制器功能，開發團隊應考慮目前什麼樣的軟體堆疊可用，以及軟體堆疊在開發工具選擇方面的各種限制。

　　針對 IEEE 802.15.4 無線解決方案的矽片選項

　　Atmel 的最新 IEEE 802.15.4 解決方案以 SAMR21 系列器件形式推出，這是一種單晶片解決方案，它整合了工作頻率高達 48 MHz 的 ARM Cortex M0+ 處理器和一個低功耗 2.4 GHz 收發器。 該收發器的發射功率可達 +4dBm，接收器靈敏度為 -101dBm。 採用 QFN32(16 個 I/O 引腳)或 QFN48 封裝(28 個 I/O 引腳)以及高達 256 KB 的快閃記憶體、32 KB 的 SRAM，這些器件似乎非常適合那些要求高整合度的設計。

　　如果您不擅長 RF 設計，那麼預認證型 MRF24J40Mx 無線模組(來自 Microchip)也應該是一個十分誘人的選項。 這些器件工作在 2.4 GHz 範圍內，包括一個可選 PCB 天線和 PA/LNA(用於要求更大範圍的應用)以及一個易於配置的 SPI 介面。 選用 PA/LNA 時，發射功率可保持在 +20 dBm，接收器靈敏度達到 -102 dBm。 當模組僅採用 RF 收發器時，設計團隊可自由選擇 MCU，以通過其 SPI 介面控制該模組。

　　硬體開發工具

　　為減輕開發工作，Atmel 推出 ATSAMR21-XPRO 開發板(圖 1)，複製其成功的“Xplained”格式。 最新的開發板已採用同樣的風格，它非常有助於 MCU 引腳沿開發板邊緣分佈，以方便使用聯結器。 另外，開發板採用功能強大、被稱作 EDBG 的板載嵌入式偵錯程式。 該 EDBG 包括一個 ARM 標準序列有線除錯 (SWD) 介面(用於對目標 MCU 進行除錯和程式設計)和一個虛擬 COM 埠，從而能在 MCU 和 PC 主機之間傳輸序列(USART)格式資料，這種情況極為適合從應用程式碼輸出除錯資訊。 該器件的微型 USB 聯結器也可用作電源，成為多個可能電源中的一個。 在無線方面，提供兩個片式天線以及 SMA 聯結器，以簡化系統開發和 RF 效能測試。 功耗在電池供電型設計中是關鍵指標，可通過板載針座輕鬆測量。

　　圖 1：SAMR21-XPRO 易於沿板邊緣接入微控制器引腳，帶有一個板載偵錯程式以及一個片式天線和 SMA 聯結器。

　　Freescale 推出的 1322X 開發者入門套件 (DSK) 則採用了一種不同的方法。 該套件屬於開箱即用型，可用作基於兩塊不同參考板的氣象站應用，用作具有溫度、壓力和加速感測器的感測器參考板，以及用作具有 LCD 圖形螢幕的網路協調器板。 這兩塊板均提供操縱桿、多個按鈕和 LED 指示燈用於監視和控制，以及一個 USB 介面用於連線 PC。 該套件包含電源，但從電池聯結器可以看出，Freescale 已認識到在開發時需要通過在實驗室周圍走動來進行環境測試。 該套件還包括一個 J-Link JTAG 偵錯程式。

　　MRF24J40MA PICtail/PICtail Plus 是一種簡單擴充套件卡，用於配合使用 Microchip 的專有 PICtail 和 PICtail Plus 聯結器，在該公司的微控制器開發板上也能發現這種聯結器。 這種擴充套件卡會使該公司的 PIC18 Explorer 板 更易於配合使用，以滿足要求不高且 8 位效能即足以應付的應用，或者當需要 16/32 位功能時，則可以使用該公司的 Explorer 16 開發板 。 請注意，為進行全面開發，還需購買如 MPLAB ICD 3 或 MPLAB REAL ICE 等線上除錯工具。

　　軟體開發工具

　　Atmel 將繼續推廣自家的開發環境 (IDE)——Atmel Studio 6 並提供免費下載、使用。 然而，由於該工具全部安裝後體積超過 850 MB，因此下載、安裝過程非常耗時。 安裝完畢後，使用者便擁有了進行無線軟體開發所需的一切：GNU GCC 工具鏈、 Atmel 軟體框架 (ASF)(用於簡化片載外設程式設計和使用的 API 集合)，以及海量專案示例，其中包括 100 多個針對 ATSAMR21-XPRO 的示例。 內建擴充套件管理器也提供更多模組，如無線編譯器、無線效能分析器，並能簡化配置和無線鏈路效能測試。

　　如果 MRF24J40x 模組與 Microchip 微控制器(圖 2)配合使用，還需要使用 MPLAB X IDE，其下載容量小於 400 MB。 該 IDE 可在 Linux、MAC OS 和 Windows 系統下執行。 編譯工具鏈必須單獨下載，MPLAB XC 編譯器的免費版享受有限優化支援。 升級到付費版後可享受全優化功能。 Wireless Development Studio 需單獨下載，利用同樣由 Microchip 提供的 ZENA 無線介面卡工具為 MiWi™ 網路提供網路監聽功能。

　　圖 2：MRF24J40A 模組已獲認證並帶有 PCB 天線，允許開發人員根據實際需要選擇合適的微控制器

　　無線軟體堆疊

　　IEEE 802.15.4 不可避免地要與 ZigBee® 連結;當需要與此類網路互操作時，Atmel 可提供已獲 ZigBee® PRO 認證的 Bit Cloud SDK 協議棧。 如不需要無線互操作功能，還可使用稱作“輕型網狀網”的 Atmel 專有網路堆疊。 可支援網狀網中超過 65,000 個節點、具有 8 kB 快閃記憶體/4 kB SRAM 典型儲存器容量，這足以滿足絕大多數系統的要求(AVR2130 參考文獻 1)。 對於希望在 IEEE 802.15.4 MAC 層程式設計的更多冒險者來說，也有針對規範相容性通訊且無需堆疊開銷的軟體(AVR2025 參考文獻 2)。

　　類似於上文提到的解決方案，Freescale 也推出其通過鑑定、命名為 “BeeStack” 的 ZigBee® 協議棧。 Freescale 也象其他公司一樣推出一款專有網狀網路產品，該產品被命名為 SynkroRF，具有控制器和受控節點。 對於點對點或者星形網路即可滿足的系統，也有 SMAC 無線網路協議來使之最簡化。 所有這些協議堆疊均包含在 BeeKit 軟體下載中免費贈送。 下載並安裝後能生成必要的軟體檔案，以便與必要的技術文件一起納入 IAR 專案中。

　　Microchip 的 ZigBee® PRO 堆疊價格為 1000 美元，不過也免費提供其專有的 MiWi™ 堆疊。 MiWi™ P2P 是最簡化版，是專門針對點對點或簡單星狀網路拓撲結構的輕型堆疊。 MiWi™ PRO 是一種全網狀網路堆疊，總共可支援 8000 個節點、64 個協調器節點和一個 65 的跳距。 協調器裝置需要一個不到 25 KB 的快閃記憶體和一個約 13 KB 的端節點裝置。 應用說明 AN1629 深入研究了無線效能和鏈路預算計算，解答了設計團隊在系統總效能方面許多首要關注問題。

　　總結

　　當我們將某個產品無線連線到物聯網中的 IEEE 802.15.4 網路時，無疑有眾多選擇。 所有供應商提供了廣泛的協議堆疊，且其中絕大多數都能以最少的費用，通過有評價的套件和一些下載軟體進行篩選。 當板空間和高整合度是關鍵指標時，Atmel 和 Freescale 的解決方案最出色。 但是，如果板空間不是最重要的關注點，那麼，具有合適微控制器選擇靈活性的認證型 Microchip 無線收發器模組就可能是一個更誘人的選擇。