物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 的本質(zhì)特性決定了其將由大量元件組成，且每個元件均針對不同功能進(jìn)行了優(yōu)化。 可穿戴設(shè)備將針對低功耗和本地連接進(jìn)行優(yōu)化，無線橋接器則針對傳輸能效、靈活的協(xié)議支持進(jìn)行優(yōu)化，您連接的廚房電器則注重易用性。 這些多樣性要求意味著，為了達(dá)到最佳實(shí)施效果，基礎(chǔ)硬件（最有可能基于 MCU）也需要具有多樣的功能集。 如果您認(rèn)為我們在 MCU 方面已有太多選擇，那么下一代面向 IoT 的設(shè)備會使您頭暈?zāi)垦！?/p>

多樣化要求促進(jìn)了特性的多樣性

連接性是最明顯的物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 要求之一。 如果沒有通信功能，我們將只有“物”，而非“物聯(lián)網(wǎng)”。 然而，連接性又涵蓋眾多功能。 只需打開 Digi-Key 無線解決方案 TechZone 主頁，我們便會看到針對藍(lán)牙、蜂窩、GPS、ISM、RFID、802.11/Wi-Fi/WiMax 和 802.15.4/ZigBee 協(xié)議的各種無線解決方案，這些解決方案已然令人眼花繚亂，但它們僅僅是冰山一角。 每一種 MCU 都需要支持所有這些無線協(xié)議嗎？ 若果真如此，MCU 將會爆掉幾乎每一種 IoT 設(shè)計(jì)的功耗、成本、復(fù)雜性預(yù)算。 那么，我們該怎么辦？

一種方法是將關(guān)鍵 IoT 設(shè)備的功能專門化，使這些設(shè)備能簡化自身連接要求。 例如：不是每個傳感器都需要連接 Wi-Fi。 傳感器可只采用低功耗、高能效、短距離連接標(biāo)準(zhǔn)。 多個傳感器可用這種標(biāo)準(zhǔn)連接傳感器“橋”，然后由傳感器橋連接更遠(yuǎn)的設(shè)備，直至連接物聯(lián)網(wǎng)主體。 其它專門元件將提供存儲功能，以便在與目標(biāo)建立連接前存儲本地產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。 例如，在騎車人騎行期間獲得的騎車人的心率數(shù)據(jù)、騎行路徑信息可暫時(shí)存儲在本地活動監(jiān)視器中，直到返回家庭健康信息收集器的覆蓋范圍內(nèi)。 計(jì)算元件也可分布在該網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，用于執(zhí)行分布式計(jì)算，從而能在大的數(shù)據(jù)集發(fā)送前進(jìn)行處理、壓縮。 無線通信會非常耗電，因此在數(shù)據(jù)傳輸前利用少量電能合并數(shù)據(jù)將會顯著提升總能效。 另外，因?yàn)閿?shù)據(jù)需要在多個中間點(diǎn)間流動，以到達(dá)最終目標(biāo)，所以，前端器件節(jié)能也可用來補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)中的任一部分。

例如，圖 1 所示為物聯(lián)網(wǎng)中一組不同的“物”，我們將以此為例深入探討不同的功能如何成為 IoT 成功部署的關(guān)鍵。 本例中包含上文介紹的多個不同類型的元件以及一些新元件。 該 IoT 邊緣是分布式傳感器和致動器——IoT 與“現(xiàn)實(shí)世界”連接的接口。 此處，我們熟悉的元件是人體活動監(jiān)視器、位置跟蹤器、環(huán)境傳感器，以及用于如加熱、冷卻、照明和建筑入口之類“物”的相關(guān)致動器。 在這些“邊緣”元件后則是傳感器融合設(shè)備，它們收集傳感器數(shù)據(jù)并合并（或融合）多種測量值，以創(chuàng)建供更高級別應(yīng)用使用的附加知識。 通過把 GPS 和大氣壓數(shù)據(jù)相結(jié)合來確定海拔高度和位置便是傳感器融合的一個常見實(shí)例。 傳感器融合設(shè)備通常與執(zhí)行協(xié)議間轉(zhuǎn)換的橋接器連接，且通常位于有線連接和無線之間。 有些情況下，需要執(zhí)行本地存儲來緩沖傳感器數(shù)據(jù)，以備后續(xù)下載。例如，當(dāng)為了方便以后下載而由人體活動監(jiān)視器信息管理器存儲心率信息時(shí)，就需要這項(xiàng)功能。

圖 1：通過專門化實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)簡化。

信標(biāo)將是向 IoT 饋送信息的源頭，并能提供廣告、環(huán)境或地址等信息。 例如：信標(biāo)可以發(fā)送在自行車騎行路徑上使用的距離、環(huán)境和海拔高度等信息。 不過，收到關(guān)于自行車新配件廣告時(shí)您不必吃驚，因?yàn)檫@是享受此項(xiàng)服務(wù)的代價(jià)。 傳感器融合橋設(shè)備會把來自多個信標(biāo)和傳感器的數(shù)據(jù)組合在一起，以便根據(jù)接收器的工作模式過濾掉不需要（或不想要）的數(shù)據(jù)。 這種過濾功能可具有雙向性，這樣，心率等個人信息便不會被竊取（如在工作面試期間）。

存儲和通信元件可包含在傳感器融合橋設(shè)備中或者作為通信橋設(shè)備的一部分，這些元件在不同格式之間非常高效地轉(zhuǎn)換無線數(shù)據(jù)并確保其安全、完整。 一旦傳感器通過藍(lán)牙與橋設(shè)備連接，便能存儲數(shù)據(jù)或者利用如 Wi-Fi 等長距離無線標(biāo)準(zhǔn)繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)。 橋接設(shè)備應(yīng)至少具備存儲和通信功能，而更高端的設(shè)備則應(yīng)具備附加處理功能。 這種附件處理功能可用于組合不同的傳感器讀數(shù)，這樣，只有在某個完整的數(shù)據(jù)集可隨時(shí)調(diào)取，或者如果讀數(shù)“超出范圍”且需發(fā)出警報(bào)時(shí)，才需向“上游”設(shè)備發(fā)出警報(bào)。

MCU 多樣性和物聯(lián)網(wǎng)革命

當(dāng)下有一種趨勢肯定會因 IoT 而擴(kuò)大，那就是將關(guān)鍵的無線硬件組件與重要的軟件驅(qū)動程序、協(xié)議堆棧相結(jié)合，以便進(jìn)一步簡化完全實(shí)現(xiàn) IoT 所需的多種設(shè)備的設(shè)計(jì)和構(gòu)建過程。 如圖 2 所示，Nordic Semiconductor 已推出一系列用于提供集成式硬件和軟件解決方案的高集成度無線 MCU。 從標(biāo)準(zhǔn) ARM Cortex-M0 處理器、CPU 外設(shè)、豐富的閃存和 SRAM 開始，Nordic 還集成了工作頻率為 2.4 GHz 的多協(xié)議無線電。 這一些列中的器件引腳相互兼容，均支持低功耗藍(lán)牙和 2.4 GHz 工作模式。 Nordic 提供經(jīng)過預(yù)編譯的（二進(jìn)制）協(xié)議堆棧，讓高級別應(yīng)用代碼的創(chuàng)建變得輕松自如。

圖 2：Nordic nRF51822 無線 MCU 硬件模塊。

在 IoT 邊緣，設(shè)備將變得越來越專門化，因?yàn)樾枰獫M足各種能效要求，將沒有多少空間可以留給臃腫的硬件“裝備”了。 如 Nordic nRF51822 等高度集成的優(yōu)化器件在 IoT 外設(shè)中最能滿足相應(yīng)的要求，并可作為簡單的信標(biāo)和傳感器。 這類器件也最有可能實(shí)現(xiàn)專門化和多樣化，且其中一些類型還包括存儲、處理或者類似通信“中樞”的功能，從而將傳感器管理融入外設(shè)，對源頭中流動的數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化。

將與傳感器、信標(biāo)、傳感器融合設(shè)備連接的橋接設(shè)備、與更廣 IoT 網(wǎng)絡(luò)連接的其它橋接設(shè)備將需要支持各種各樣的無線協(xié)議。 最初，可由每個 MCU 都針對特定標(biāo)準(zhǔn)的多個 MCU 來實(shí)現(xiàn)橋接設(shè)備，也許由 FPGA 實(shí)現(xiàn)，以實(shí)現(xiàn)總體控制、緩沖和安全功能。 如圖 3所示，F(xiàn)reescale 的 MKW2x 系列（如 MKW21D256VHA5）可為低級別網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn) IEEE 802.15.4 提供連接，目前有許多無線個人局域網(wǎng) （WPAN） 設(shè)備支持該標(biāo)準(zhǔn)。 這款片載 RF 收發(fā)器符合或超過所有適用于 2.4 GHz ISM 頻段和 MBAN 頻段（醫(yī)療頻段局域網(wǎng)）的 IEEE802.15.4 技術(shù)規(guī)格。 因此，這款收發(fā)器能為眾多通信標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)連接，具體包括針對 Smart Energy 1.x、家庭自動化、保健和 RF4CE 的 ZigBee Pro 網(wǎng)絡(luò)堆棧和應(yīng)用規(guī)范，以及 ZigBee IP 網(wǎng)絡(luò)堆棧和 Smart Energy 2.0 應(yīng)用規(guī)范。 ARM Cortex-M4 處理器具有 DSP 功能，可以提供重要的處理能力，且硬件密碼驗(yàn)證單元支持包括 3DES、AES、SHA-1 和 SHA-256 在內(nèi)的密鑰加密算法。 芯片中包含唯一的 128 位 ID，有助于設(shè)備驗(yàn)證和安全密鑰管理。

圖 3：用于 IEEE802.15.4WPAN 橋接的 freescale MKW2x MCU 系列。

到橋接設(shè)備的其它連接需要更大的覆蓋范圍，這可能需要使用 Wi-Fi 標(biāo)準(zhǔn)。 為添加 Wi-Fi 連接，Microchip MRF22WB0MA/MB 等集成收發(fā)器模塊采用簡單的 SPI 接口與 MCU 或者 FPGA 連接，如圖 4 所示。 既然 MRF22WB0MA/MB 當(dāng)做一個完整的模塊，那么設(shè)計(jì)人員就不受合規(guī)測試約束，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)快速面市。 如該模塊與 Microchip PIC MCU 配合使用，就可用 TCP/IP 軟件堆棧和代碼庫進(jìn)一步簡化實(shí)施過程。 該模塊與 M2M PICTail Plus 子板配合使用時(shí)，會形成一個支持 GSM、GPRS 和 GPS 通信格式的完整參考設(shè)計(jì)。 Microchip 產(chǎn)品培訓(xùn)模塊對該套件做了詳細(xì)介紹。

圖 4：Microchip MRF24WB0MA 提供 IEEE 802.11b 連接。

需要：更廣、更深的支持生態(tài)系統(tǒng)

包括為加快開發(fā)而越來越多地支持更高級別的通信功能在內(nèi)，這種發(fā)展趨勢將成為 IoT 快速部署的關(guān)鍵推動因素。 音頻領(lǐng)域的情況很好地說明了為什么快速部署 IoT 需要發(fā)展越來越廣、越來越深的支持生態(tài)系統(tǒng)。 例如，Atmel 利用其 AT32UC3A0512 MCU 推出一個完整的數(shù)字音頻網(wǎng)關(guān)參考設(shè)計(jì) （EVK1105），該設(shè)計(jì)將關(guān)鍵的硬件特性和構(gòu)建完整系統(tǒng)所需的必要軟件基礎(chǔ)架構(gòu)組合在一起（Atmel 針對該套件推出了一個優(yōu)秀的產(chǎn)品培訓(xùn)模塊）。 該參考設(shè)計(jì)包括主板、C 源代碼路（含浮點(diǎn)和 DSP 算法）、USB 和 TCP/IP 堆棧和用于優(yōu)化音頻、圖片、視頻編解碼器的應(yīng)用軟件、顯示驅(qū)動程序、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、文件系統(tǒng)，以及一個完整的 RTOS。

該套件中，最令人感興趣的元件可能是解碼器庫中的軟件音頻解碼器，如表 1 所示。 設(shè)計(jì)人員能輕松地確定哪個驅(qū)動器模塊可用在項(xiàng)目中。 Atmel 甚至可以幫助您識別每個驅(qū)動器所需的密鑰許可證。 為促進(jìn) IoT 發(fā)展，供應(yīng)商不僅應(yīng)提供一個開發(fā)生態(tài)系統(tǒng)，還應(yīng)在新產(chǎn)品發(fā)布和啟動所需的任何許可或第三方協(xié)議方面提供幫助。 IoT 會有大量許可證要求，因此消除發(fā)展道路上的相關(guān)障礙將是產(chǎn)品成敗的關(guān)鍵。

中間件 CPU 負(fù)載 閃存 RAM 許可證 MP3 解碼器 Libmad 21-25 MHz 51 KB 30 KB www.underbit.com/products/mad WMA 解碼器 （V10） 30-45 MHz 136 KB 50 KB www.microsoft.com AAC （Helix） 48 MHz 27 KB 30 KB www.helixcommunity.org AAC+ （Helix）（估計(jì)值） 60 MHz 40 KB 100 KB www.helixcommunity.org

IoT 設(shè)備的多樣化特性將需要大量不同的專門化 MCU 來實(shí)現(xiàn)多到使人眼花繚亂的邊緣設(shè)備，并以最密切的方式與“現(xiàn)實(shí)世界”的通信。 設(shè)備進(jìn)入 IoT 網(wǎng)絡(luò)將需要與常見產(chǎn)品線一起進(jìn)行多樣化，具備有助于流量效率優(yōu)化的各種通信、存儲和計(jì)算功能。 供應(yīng)商需要擴(kuò)充專用 MCU，附帶包括示例代碼、驅(qū)動程序、堆棧的參考設(shè)計(jì)；甚至按照 MCU 制造商期待那樣，盡可能快地協(xié)助解決 IoT 新品發(fā)布的許可證要求。