物聯(lián)網(wǎng)(IoT)將會是未來增長很快的一個領域，然而這其中也充滿了挑戰(zhàn)——物聯(lián)網(wǎng)當中包含有許多不同種類的有線和無線標準;許多應用都需要滿足低功耗和安全性的要求;此外，物聯(lián)網(wǎng)市場份額巨大、演進迅速，設備需要易于設計。
過去幾十年，電子產(chǎn)品的演進從不具備通信功能，到設備間具有簡單連接，再到設備與因特網(wǎng)實現(xiàn)互連，現(xiàn)如今，其發(fā)展階段已走向設備與設備之間以及設備與因特網(wǎng)之間均能實現(xiàn)互聯(lián)互通。通信設備從電腦到手機再到物聯(lián)網(wǎng)，其市場份額將呈10倍以上的爆發(fā)性增長。
前不久，德州儀器(TI)嵌入式處理業(yè)務部無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，現(xiàn)在的產(chǎn)品正越來越多地用到無線技術。除智能手機以外的很多產(chǎn)品都添加了智能功能，比如燈泡使用無線設備進行開關和亮度控制。
圖1：德州儀器(TI)嵌入式處理業(yè)務部無線連接解決方案副總裁兼總經(jīng)理Haviv Ilan。
很多產(chǎn)品都需要實現(xiàn)無線連接，這其中最重要的兩個方面是實現(xiàn)控制和軟件升級。當產(chǎn)品制造好銷售到客戶手中后，若是具有無線功能，則可以很方便的實現(xiàn)升級服務，為產(chǎn)品提供更多的新功能。又比方說，為了節(jié)省電力消耗，可以采用控制功能，在不同時間降低產(chǎn)品的用電量。
以前，無線通信的瓶頸是功耗較大，這極大地制約了電池壽命，然而，隨著各種低功耗無線技術(比如低功耗藍牙)的出現(xiàn)，越來越多的無線產(chǎn)品將會在市場上涌現(xiàn)。此外，物聯(lián)網(wǎng)能使市場擴大的原因是，手機使用無線連接只是其中的一個產(chǎn)品，將來，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)絡上(圖2~5為TI現(xiàn)場展示的部分Demo)。
圖2：TI現(xiàn)場演示：通過Wi-Fi控制電源插座。
圖3：TI現(xiàn)場演示：Sub-1GHz共存——在存在干擾的情況下，開關控制燈的距離不受影響。
圖4：TI現(xiàn)場演示：智能籃球——美國已有該產(chǎn)品銷售，可提供速度和角度信息，用于業(yè)余籃球愛好者訓練之用。
圖5：TI現(xiàn)場演示：藍牙低功耗游戲演示——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)加速度計數(shù)據(jù)(對應飛行時間、加速度及沖撞力)評判玩家得分。
物聯(lián)網(wǎng)涵蓋家庭、工廠、健康和汽車等許多應用(圖6~9)。家庭安防系統(tǒng)通過無線方式實現(xiàn)煙感器或防盜器連接;LED燈、傳感器等通過無線通信與云端建立互連。工業(yè)自動化對無線有很大需求——從燈光控制到溫濕度控制等，通過無線調(diào)試和24小時不間斷監(jiān)控實現(xiàn)生產(chǎn)的最佳化。在醫(yī)療保健方面，通過物聯(lián)網(wǎng)可以實現(xiàn)遠程醫(yī)療、運動數(shù)據(jù)監(jiān)測。在汽車方面，越來越多的汽車會具備Wi-Fi功能，從而實現(xiàn)將手機中的多媒體數(shù)據(jù)和云端數(shù)據(jù)下載到汽車上;除此以外，未來汽車的發(fā)展趨勢是將其中重達40kg的有線網(wǎng)絡替換成無線網(wǎng)絡，從而節(jié)省材料和燃油開銷。
圖6：無線連接在家庭中的應用。
圖7：無線連接在工廠中的應用。
圖8：無線連接在醫(yī)療保健中的應用。
圖9：無線連接在汽車中的應用。
那么，物聯(lián)網(wǎng)是如何工作的呢?每個聯(lián)網(wǎng)設備都是物聯(lián)網(wǎng)中的一個節(jié)點，它們通過網(wǎng)關、網(wǎng)橋或路由器連接到云端;然后再通過PC機、手機或者平板電腦與云端建立連接，實現(xiàn)人與機器的交互(圖10)。
這其中，物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點、網(wǎng)關/網(wǎng)橋/路由器和云端以及各種不同應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)點方面，比較簡單的節(jié)點會用到MCU，比較復雜的節(jié)點會用到ARM處理器。除此之外，更重要的是需要無線連接射頻產(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(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、網(wǎng)關/網(wǎng)橋/路由器到云端最全面的器件支持。
網(wǎng)關/網(wǎng)橋/路由器都具有簡單的MCU或處理器、有線/無線的連接和電源管理器件。如果是ZigBee的應用，則會采用ZigBee網(wǎng)關，用到ZigBee器件，其連接到云端則會采用以太網(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，云端服務器也會用到許多的模擬和電源IC。
Haviv Ilan強調(diào)，不管是在IoT節(jié)點、網(wǎng)關/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)的一個原因。
拿水泵案例來看，水泵內(nèi)部具有一個主控MCU;控制水泵閥門需要用到無線射頻產(chǎn)品或以太網(wǎng)MCU;水泵還需要安裝傳感器檢測水的流速(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)關部分，水泵采用的是Sub-1GHz射頻技術，網(wǎng)關也要有Sub-1GHz IC做接收;接收之后再通過有線或無線方式和IP建立連接。TI做了一個網(wǎng)關的參考設計，在網(wǎng)關的參考設計里，無論是Sub-1GHz射頻技術還是Wi-Fi、藍牙，該公司都有網(wǎng)關解決方案。
圖12：水泵應用案例。
在服務器部分，TI也有豐富的產(chǎn)品和案例。比如，惠普的Moonshot服務器就采用了該公司的多內(nèi)核高端處理器，通過其DSP運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)務部無線連接解決方案無線連接中國區(qū)總經(jīng)理Eran Sandhaus(圖13)補充說：“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，還是低功耗藍牙，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，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)務部無線連接解決方案無線連接中國區(qū)總經(jīng)理Eran Sandhaus。
“在IoT技術里，低功耗也非常重要。TI在中國對低功耗技術做了很多不同的無線產(chǎn)品、MCU產(chǎn)品以及模擬產(chǎn)品，用戶可以設計很多低功耗的產(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用開始考慮沒有電池的方向，比如通過光伏板取電、手機無線充電或者無線能量采集，做無電池的應用，TI通過低功耗的技術做到了更多更低功耗的產(chǎn)品?！?
最后，保密技術也是很重要的部分，TI的產(chǎn)品采用了加密技術，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設備需要盡可能降低開發(fā)的復雜度，否則很難讓用戶接受。在這方面，IoT物聯(lián)網(wǎng)中的一些簡單應用的設計，TI通過SimpleLink產(chǎn)品，讓工程師和用戶可以很簡單地把設備直接連到物聯(lián)網(wǎng)上，從而讓工程師更容易接受物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品。
