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物联网应用为什么要蓝牙ZigBee一起抓?

这么多的无线协议,我们怎么去确保它们互联互通?未来IoT的发展又会是什么情况?

 IoT的现状类似于三国时代混战的局面,有ZigBee、蓝牙、Sub-GHz、Z-Wave和WiFi(短距窄带)以及长距的LORA、NB-IoT等很多无线协议。那么,这么多的无线协议,我们怎么去确保它们互联互通?未来IoT的发展又会是什么情况?

日前,在ASPENCORE旗下《电子工程专辑》、《EDN》和《国际电子商情》共同举办的“IoT技术与应用论坛”上,Silicon Labs(芯科)南中国销售经理何坤在其“物联网-无线多协议的应用及探讨”主题演讲中指出,IoT目前有以下四点趋势。首先,设备之间通信存在多协议连接,因此我们需要有无线多协议的基础来保证不同设备不同协议能够连接。第二,在多协议无线连接领域,如何能够让智能手机发挥更大作用。第三,实现近距离的移动体验,这也是由手机带来的思考。第四,目前整个市场的生态非常多样,像国外的Amazon Echo、Google Home,苹果Home Kit以及运营商和零售商,都在建立自己的生态环境,希望不同的用户能够接入进来。现在物联网处于类似90年代末2000年代初互联网的初级阶段,大家并不知道方向在哪里。

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我们需要有物联网的基础设施,提供各种无线连接的方式。未来基于这样的无线连接方式,能够产生多种应用场景,就像手机目前能有看视频、看新闻、各种app等各种丰富的应用场景,这在15年前是想不到的。未来5到10年,物联网也会存在各种各样的应用场景。

多协议的设备会带来怎样的体验改变?

在智能家居中,智能门锁是未来一个很重要的发展方向。在家庭内部,我们可以提供ZigBee连接,同时,我们希望锁可以通过手机进行配置——蓝牙最主要的功能就是进行配置和跟锁进行连接。当主人回到家,在开锁的过程中,相关信息就可能传递到家里的灯上,灯和锁在家庭内部组成ZigBee网状网络,当用户开锁的时候,就会通过ZigBee形成联动机制,而把灯打开。

 

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同时,用户的手机也可以作为室内定位工具。比如灯和锁不只是连接到ZigBee网络,还会提供蓝牙信标功能。当你进到卧室,蓝牙信标会发送广播包信息,它知道你进入到卧室中,进而打开卧室灯。

目前,智能家居中,WiFi单品卖得比较好,因为家家户户都有路由器。但真正的智能家居一定是一个联动的系统,未来会进入到更高阶层,人会感受到智能的变化。设备不仅会创建联动机制,还会进行自我升级,从智能变智慧。但所有的基础是无线连接。

商业应用的例子:停车场室内定位

下面看一个商业场景的例子。比如在一栋大楼或停车场里,蓝牙信标部署要额外付出成本——不管是室内定位还是在商场推送广告信息,都要额外付出成本去部署设备。另外设备有生命周期要求,比如带电池、会带来繁琐的维护工作,商家和用户对这一繁琐过程不可接受。那可不可以在现有物联网基础上,把这一功能加进去?比如在灯里面,本身它就是ZigBee网状网络设备并且对供电要求不高(市电供电,对功耗不敏感,维护成本也较低)。除了成本不高以外,在停车场等各种场景下灯的密度也很高,所以很容易实施。

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室内定位的标准在明年一季度会出来,那时会为大家带来更直观的体验。很多朋友会遇到,在去商场的时候,回家找车的时候位置很大,找不到车。室内定位越来越成熟时,会带来更好体验,信标会起到真正作用。

ZigBee和蓝牙怎样保证不冲突?

他表示,芯科可以提供很多多协议产品,一个芯片可以提供多种连接。另外,通过手机操作能降低维护成本,因为手机人人都有,它可以跟很多设备对接,提高使用率。蓝牙BLE可以提供2M PHY功能,提升下载速度;ZigBee和sub-GHz等网状网络的传输速度低。因此,使用BLE下载固件升级可以带来更好的用户体验。如果设备既要考虑联网,又要考虑蓝牙互联配置,那单芯片方案的成本可以比多芯片有40%的降低,并且信噪比高,可以传输更远距离。

举个动态多协议的例子。比如ZigBee和蓝牙,蓝牙信号是固定间隔;通过动态调节机制可以使两者信号不发生冲突,同时保证Zigbee设备不离网。ZigBee有重发机制,所以在网络传输里,蓝牙可以有高优先级。另外,蓝牙传输可以通过内部协议栈包括OS来进行连接时间的动态配置,比如在蓝牙下载固件时,让它占用更多时间。

 

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下图是多协议软硬件的支持框架。最底层是芯片的物理层,上层提供了Micrium OS——Micrium OS是一家实时操作系统公司,两年前被Silicon Labs收购,用来做动态多协议处理的协调工作。在OS层上面提供射频的协调部分,包括无线电抽象层。因此可以用OS去做调度,确保ZigBee跟蓝牙协议栈能很好配合。比如将智能锁配置好,ZigBee配置好,通过手机把锁加入到app,进行注册和认证,这样蓝牙连接就不会出现问题。最上层是应用层,不管是锁还是照明、开关等设备,对用户的应用层开发不会起到任何影响。

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多协议方案怎么对ZigBee和蓝牙进行智能调度?

蓝牙的连接时间相对固定,一般不会有什么变化,并且在网络里相对ZigBee优先级较高——ZigBee有重发机制,第一次不成功则试第二次,这样可以让优先级更高的设备先去传送信号。

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ZigBee发送报文时,如果和蓝牙没有发生冲突,那相安无事;如果发生时间冲突,那ZigBee优先级就放下来,让蓝牙先完成报文接收,然后转为ZigBee工作。这种机制可以保证通信不发生冲突。

芯科提供的入门套件和无线电板如下,可以接到电脑上进行调试。它包括三块电路板,用户可以用来组网。

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支持多协议连接的SoC和模块

另外看下Mighty Gecko SoC。它包括射频、模拟、串口等各种模块,每个模块有能耗要求,把它们分成多个功耗模式(EM0-4S),可以使它保持最低功耗。这里有两个重点强调一下,射频部分同时支持2.4GHz(ZigBee和蓝牙都是这个频段)和sub-GHz;内部也集成了PA和报文,可以实现更好的传输距离。另外它提供各种串口支持,比如提供4个UART以及2个I2C接口。

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另外,Silicon Labs也提供很多经认证的模块,包括SiP封装和电路板形式,可以加快工程师的开发时间。

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赵明灿
电子技术设计(EDN China)资深技术分析师。
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