物聯網(IoT)的部署正在獲得實質的動力,感測方面新的技術進展及新的通訊協議將有助於推動IoT的發展。IoT的多學科特性需要一系列廣泛的能力,資源或經驗有限的組織在將設備連接到雲端方面可能會遇到挑戰。當涉及到確保在不同的垂直市場能更快採用IoT,電池壽命或設備獨立性又是另一個挑戰。

在網路邊緣進行數據蒐集和/或執行活動的IoT節點通常是由電池供電。頻繁更換電池造成的不切實際和成本維護是許多物聯網應用的阻礙。部署在遠程位置的節點進一步加劇此問題。

對於物聯網的潛在用戶及方案提供商而言,掌握提供高能效工作的互連技術,如藍牙低功耗(Bluetooth Low Energy,BLE)或低功耗廣域網路(Low Power Wide Area Network,LPWAN)技術至關重要。此外,創新的免電池感測器,如安森美半導體的智慧被動感測器(Smart Passive Sensors,SPS),透過蒐集超高頻(UHF)射頻(RF)能量來工作,消除了對電池使用壽命管理的任何顧慮。它們無需維護,還能對難以進入的區域進行監測。

藍牙低功耗生態系統

藍牙低功耗技術是智慧家庭、建築自動化(Building automation)、智慧零售、數位健康等IoT垂直領域最受歡迎的通訊協議之一。幾乎每一支智慧型手機及平板電腦都可以使用藍牙,該通訊協議的功能強化,使其非常適合應用於IoT網路邊緣。

BLE導入了傳輸小資料封包並進入休眠模式的概念,大幅降低整體功耗。這種運作模式非常適用於感測器節點,因為在感測器節點中不需要恆定的資料流。BLE以非接觸模式、較寬的通道、更短的資料封包以及更簡單的堆疊,並經過最佳化以提供高能效。為了進一步支援IoT模式,在BLE規範中增加了新的網路拓撲,如廣播、網狀網路(mesh)及更強大的安全功能,包括「中間人」(Man in the Middle)保護及AES-128加密。

最新版的規格──藍牙5──是在提供與IoT相關功能及性能方面的另一項重大進步。藍牙5將峰值頻寬增加到2 Mbps,並擴展了四倍的傳輸範圍,達到300公尺的理論數字。對於IoT應用而言,特別重要的是藍牙5能被配置為網狀網路,而不需要中樞,這明顯增加了潛在覆蓋範圍並使網路更加靈活。

安森美半導體的多協議藍牙5所認證的SoC RSL10可提供低功耗休眠與接收功能,適合電池供電的應用;該元件還獲得ULPMAX驗證及超過1,000分的成績(得分越高代表功耗越低);ULPMAX是嵌入式系統的產業標準基準。RSL10的CortX-M3核心與32位元低功耗DSP核心、寬輸入電壓範圍、嵌入式快閃記憶體及超微型尺寸,提供了設計靈活性。

智慧被動感測器

安森美半導體的SPS技術擴展超低功耗運作的概念及便利性,是完全無線的,可用於資料傳輸,也提供運作所需的最小功率。

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圖1:SPS技術是完全無需電池而且無線的。

SPS「標籤」(tag)可以監測環境參數,如溫度、壓力及濕度,這是許多IoT應用的關鍵。它們包含一顆超薄IC,管理電源、RF互連與感測,不需要透過微控制器。這些裝置從UHF RF傳輸中蒐集能量,因此只需將RF讀取器靠近就可以正常運作。

由於體積小、成本低的SPS標籤有改革IoT的潛力,能在先前難以進入的區域進行感測。它們特別適用於難以更換電池的領域,如嵌入牆壁或地板。

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圖2:SPS技術實現了一種全新的IoT感測方法。

SPS標籤用於病人接觸式醫療應用中也完全安全,低成本使其可用於大量的一次性應用,如用於運輸中食物的監測。在一次性應用中,SPS標籤不需要電池的事實節省了成本,也避免了任何與後續電池處理相關的環境問題。

協助IoT開發

提高能效、節省成本和增加收入在已經接受IoT概念的各垂直產業正得以實現。然而,許多看到IoT潛在好處的組織仍在觀望。部分原因是由於陡峭的學習曲線,因為提供可行的IoT方案所涉及的技術範圍很大。

雖然特定的挑戰將取決於應用,但它們可能涉及選擇正確的互連、感測、驅動、電源管理和雲端服務及資料安全方案。能提供快速嘗試各種選項的平台對於達到各種功能區塊的最佳選擇以滿足應用目標是不可缺少的。

就本質而言,IoT是靈活的,任何成功的開發工具都必須與這種靈活性相搭配,使工程師能訂製自己的設計並結合軟硬體,以在單個整合開發環境(IDE)中滿足應用需求。

安森美半導體屢獲殊榮的模組化、節點到雲端的快速原型平台IoT開發套件(IDK)極為靈活,支援一些IoT範例較簡單的開發。IDK提供多種連接、感測與致動選項,為用戶提供根據產業垂直需求客制方案的靈活性。此全面性的套件支援開箱即用的「元件到雲端」應用,並包括一個IDE、多個雲端互連選項以及客戶可利用的40多個範例。

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圖3:安森美半導體的IDK採用通用的模組化方法。

IDK的主要處理元件是安森美半導體的NCS 36510,這是一款低功耗、高整合度的系統單晶片(SoC),包括32位元ARM Cortex-M3處理器以及相關的記憶體與周邊設備。

主板連接到一系列廣泛的子卡──或稱擴充板(shields)──以擴展功能。連結性方面,工程師可針對BLE、Wi-Fi、802.15.4 (ZigBee、Thread)、SigFox、CAN匯流排及乙太網等各種無線與有線通訊協議選擇子卡。感測器方面,有包含溫度、運動、濕度、環境光、壓力與生物感測器的子卡。此外,可透過步進、無刷馬達驅動器與LED驅動器擴充板增加執行功能。

SPS 擴充板進一步提高了IDK的價值,支援免電池的無線感測器擷取資料,以方便地在網路邊緣測量溫度、濕度和壓力。最近推出新的多感測器擴充板和行動應用程式,使該套件得以擴展。新的擴充板結合先前推出的IDK擴充板,可實現一些IoT應用的快速原型製作,包括連網健康、工業可穿戴設備、智慧家庭設備、資產追蹤等。

安森美半導體可提供各種IDK擴充板檔案,包括設計圖、PCB版面和Gerber檔,以支援設計快速從概念轉向生產。

總結

IoT為各家企業組織提供了一個巨大的機會,以擴大其產品的價值與能力。將有時不熟悉的技術納入IoT成功實施的寬度通常具有挑戰性,特別是對市場新手來說。

開發套件和工具可提供具無限擴展性及高靈活度的開發生態系統,使新進及有經驗的設計師都受益。諸如IDK這樣的套件,透過將包括BLE和SPS在內的許多先進的低功耗技術整合到一個直觀的「封裝」中,可以提供一種無風險的方式,以從節點到雲端快速開發物聯網方案的硬體和軟體方面。