產(chǎn)品開發(fā)在過去較為簡單。 設備以往是自足式的，大多數(shù)都沒有智能和連接功能。 隨著物聯(lián)網(wǎng)的全力發(fā)展，過去簡單的日子一去不復返了。 無論是煙霧和 CO2 檢測器，還是咖啡壺、冰箱，一切能夠想到的設備都紛紛連接到互聯(lián)網(wǎng)。 這使得不熟悉射頻細微差別的系統(tǒng)設計人員不得不將某種形式的無線技術(shù)集成到設計中。

這對硬件和軟件都提出了挑戰(zhàn)，使設計團隊難以決定是選擇自建無線電來增加差異性并嘗試降低成本，還是購買和集成射頻模塊。

如果決定購買，那么 Wi-Fi、藍牙和 ZigBee 模塊是三大首選的無線協(xié)議，它們已經(jīng)可用于幾乎所有可能的設備中。 雖然高效，但集成這些模塊仍需要掌握相關(guān)軟件和射頻特性細微差別的高水平專業(yè)知識，這恰恰可能是許多開發(fā)人員所不具備的。

自建與購買

雖然工程師可能傾向于自建定制的無線電模塊，但真正開始前必須考慮眾多因素。

從頭開發(fā)任何無線電模塊，無論是采用 Wi-Fi、低功耗藍牙技術(shù) (BLE)、ZigBee，還是其他標準無線電，都將花費大量時間。 此外，如果無線電認證機構(gòu)用于測試和數(shù)據(jù)審查的周期較長，則可能出現(xiàn)延遲。 這段時間本可專注于設計的其他方面，但關(guān)鍵的資源卻被占用，這對于小型企業(yè)或初創(chuàng)企業(yè)來說無疑是一個巨大的風險。

從頭開發(fā)無線電模塊不僅給開發(fā)周期增加潛在的延遲，還帶來與認證相關(guān)的額外成本。 使用預認證的無線電模塊，可以使認證成本忽略不計。 另一方面，認證模塊需要初始資本投資，通過認證后，還需持續(xù)進行維護并滿足合規(guī)要求。

如果團隊正構(gòu)建大批量產(chǎn)品或者此產(chǎn)品的衍生品也將采用相同模塊，那么對于他們而言設計模塊很有必要。 批量生產(chǎn)定制模塊將花費 5 美元至 10 美元，而購買預認證模塊的價格為 15 美元至 40 美元，具體取決于模塊的類型。 對于需要快速上市的小批量產(chǎn)品，可以采用預認證模塊。 對于設計周期更靈活的大批量項目，定制的方案可能更具有經(jīng)濟效益。

盡管如此，在大批量應用中也可采用預認證方案。 舉例來說，就小批量而言，Digi XBEE? SX 模塊價格為 35 美元（圖 1）。 開發(fā)團隊如果只考慮硬件成本，可能認為每個裝置 35 美元過于昂貴，因此選擇自己設計模塊，但這是極其錯誤的。

Digi XBEE? SX 模塊集成了 ZigBee 堆棧、各種開發(fā)工具和軟件，開發(fā)費用可能多達數(shù)十萬美元。 如果考慮到軟件堆棧開發(fā)成本，特別是對于合理實施協(xié)議特征的穩(wěn)健軟件堆棧，構(gòu)建模塊將提升到完全不同的開發(fā)專業(yè)水平。

圖 1： 像 Digi XBEE? SX 這樣的長距離模塊對于小批量應用來說價格富有競爭力，其通信范圍可達 9 到 65 英里。 （圖片來源： Digi International）

使用預認證模塊簡化設計

借助預認證的無線模塊，開發(fā)團隊能夠降低總開發(fā)成本，并加快上市速度。 雖然此類技術(shù)無處不在，但實施過程極其復雜，需要特殊的專業(yè)知識來提供利用協(xié)議特征的簡單接口。 預認證模塊肯定能簡化設計、縮短上市時間，但并非所有的預認證模塊都完全相同。

在選擇無線模塊時，功能集的可擴展性是要尋找的關(guān)鍵功能。 隨著產(chǎn)品不斷演進，如果從核心功能集過于局限的部分開始設計，那么當需要更多的特征和復雜性時，整體設計會受到限制。 ZigBee 可擴展解決方案的一個典范，就是 Digi XBEE? 解決方案。 開發(fā)人員可在此獲取能傳輸距離從幾百英尺到最遠 65 英里的模塊，而無需或只需少量開發(fā)開銷。

在設計中應優(yōu)先考慮的另一個特征是物理尺寸。 與集成或定制的解決方案相比，某些預認證模塊可能尺寸大、占據(jù)較大空間。 由于許多工業(yè)設計師想要創(chuàng)造出外觀流暢、輕薄且富有吸引力的設備，因此應避免采用占據(jù)大量空間的龐大模塊。 Texas Instruments CC2564MODNCMOET 藍牙模塊尺寸為 7.1 mm×7.1 mm×1.4 mm，十分時尚小巧，并已通過 FCC 和 CE 合規(guī)性的預認證（圖 2）。

圖 2： Texas Instruments 的 CC256MODN 藍牙 4.1 雙模 HCI 模塊已獲得全面認證，具備低功耗藍牙特性。 （圖片來源： Texas Instruments）

一旦選擇了預認證的模塊，必須注意確保其正確安裝到 PCB 上。 例如，對于包含板載天線的模塊，天線下方或制造商規(guī)格書中指定的禁區(qū)內(nèi)不得有任何接地層或金屬， 否則可能會影響天線的阻抗，并可能造成天線失諧，使通信變得非常不穩(wěn)定。 由于金屬會影響天線性能，因此還須確保設備外殼設計合理。

對用于啟動并運行模塊的軟件開發(fā)工具和堆棧，需要進行仔細的考量。 一些模塊在運行時需要大量外部軟件進行設置和配置。 如果這些軟件堆棧不是由制造商提供，則開發(fā)團隊可能需要寫數(shù)千行代碼，才能保證預認證模塊正常工作。 在此類情況下，制造商必須提供具有良好硬件抽象層的微控制器代碼示例，以實現(xiàn)便攜性。

優(yōu)選模塊在啟動時最多需要一個基本配置命令，隨后在 UART 上僅需透明傳輸和串行數(shù)據(jù)接收。

混合解決方案能結(jié)合以上兩種解決方案的優(yōu)勢

幸運的是，開發(fā)人員在尋求無線解決方案時，不只有自建或購買這兩種選擇。 他們還有第三個可行的解決方案，即混合方法。 通過使用無線物聯(lián)網(wǎng)平臺，如 Silicon Labs Gecko 無線物聯(lián)網(wǎng)平臺（圖 3），他們可以選擇將兩種解決方案的優(yōu)勢部分相結(jié)合，或選擇帶有集成無線前端的微控制器。 在這兩種情況下，開發(fā)團隊都需要尋找一些參數(shù)，以確保成功。

圖 3： Silicon Labs Blue Gecko 無線物聯(lián)網(wǎng)平臺開發(fā)套件開箱即用，可直接連接微控制器、藍牙和軟件堆棧。 （圖片來源： Silicon Labs）

首先，無線產(chǎn)品中使用的任何平臺或微控制器都必須具有高能效。 雖然物聯(lián)網(wǎng)設備可由電池和電網(wǎng)供電，但部署數(shù)十億的設備而不考慮能耗是絕對不行的。 選擇低功耗微控制器，如 STMicroelectronics STM32L0 或 NXP Kinetis-L 81，可幫助確保與該產(chǎn)品相關(guān)的主控制器具有高能效。 由于這些微控制器還支持各種預建驅(qū)動程序和軟件開發(fā)工具，開發(fā)人員能快速啟動并實施無線解決方案。

其次，專門針對無線解決方案的微控制器將無線收發(fā)器內(nèi)置于微控制器中，可減少零件數(shù)量、加速認證過程，進而節(jié)省時間和成本。 一個完美的例子是 Silicon Labs EFR32FG1P132F64GM32-C0，它含有一個板載藍牙收發(fā)器。 此微控制器設計為低功耗 MCU，并得到軟件庫的支持，可操作藍牙堆棧。

集成解決方案為開發(fā)人員提供了綜合選項，實現(xiàn)從頭開始自建與購買預認證模塊之間的平衡。 很多時候，有一些經(jīng)認證的參考設計，如果遵循這些設計，能大幅縮減開發(fā)和認證時間。 開發(fā)人員需認識到，內(nèi)置有無線收發(fā)器的微控制器將用部分處理時間管理無線堆棧，這會略微降低其整體性能。 開發(fā)人員需確保小心編寫軟件，以免 CPU 過載或錯過任何實時調(diào)度額定截止時間。

另一個潛在的問題是集成收發(fā)器仍需外部天線元件。 開發(fā)人員需仔細遵循其參考設計，如果其傳輸線路設計不合理，可能會將項目延遲數(shù)月。 在大多數(shù)情況下，IC 供應商非常樂意審查任何設計，并提供意見和建議，以確保過程順利進行。

結(jié)論

決定自建、購買還是集成無線功能，是讓人相當困惑的設計問題。 一般而言，開發(fā)人員只會關(guān)注與舊無線技術(shù)相關(guān)的硬件設計和制造成本。 這種方法的問題在于今天的無線通信不再是簡單的硬件解決方案，而需要一組復雜的軟件堆棧和工具才能使模塊正常工作。 雖然在設計之初，自建模塊極具吸引力，但這存在眾多風險和潛在障礙，而采用預認證模塊或利用集成解決方案的風險則要低得多。