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实用的蓝牙低功耗和Sub-GHz集成方法

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在网状和点对点网络中采用蓝牙技术并没有出现疲劳迹象。同时,sub-GHz无线电继续扩散,特别是在智能家居,商业和工业应用中。在本文中,我们介绍了蓝牙和sub-GHz技术的实用多频带集成方法。

Sub-GHz器件的扩散
随着低功率广域网(LPWAN)和WiL Fi标准(如HaLow(IEEE 802.11ah))的出现,工作频率低于1 GHz(sub-GHz)的无线技术越来越受欢迎和White-Fi(IEEE 802.11af)。这种趋势来自于信号传输更远距离(> 1 km)的固有能力,具有更好的物体穿透和抗干扰性。这种更广泛的覆盖范围对智能城市,建筑和家庭自动化,智能农业和工业物联网(IoT)的物联网具有广泛的影响。

根据ON World的数据,到2025年,LPWAN服务将达到750亿美元,为全球广泛的细分市场提供30多种不同的应用服务。到2021年,预计连接设备将超过30亿,因此sub-GHz市场的蓬勃发展也就不足为奇了。

依赖外部Wi-Fi和蜂窝网络的潜在障碍
虽然使用sub-GHz频谱的物联网设备数量正在增长,但这些技术的进步仍然存在相当大的障碍 - 缺乏与包括智能手机在内的现有设备的兼容性,平板电脑和笔记本电脑。通常,sub-GHz IoT网络以星形拓扑结构运行,其中传感器节点利用通常硬连线的网关或基站(例如,以太网电缆)发起传输,以便与网络服务器进行高吞吐量连接(参见图1)。

因此,远程控制终端设备或网关的唯一方法通常是通过基于Web的远程应用程序或连接到本地Wi-Fi或蜂窝网络的Cli(命令行界面ICfans)终端。可能存在这些网络不总是可用或可靠的情况。虽然这对于某些物联网应用可能不是问题,但对于使用网络来操作,维护和升级设备的工业和商业应用而言,这是至关重要的。 

图1:具有星形拓扑的LPWAN技术LoRa网络图。[信用:Semtech ]

多协议(蓝牙+ Sub-GHz)平台的优点
对于大多数LPWAN网络(包括LoRa,Sigfox和NB-IoT),需要额外的无线电与现有用户设备(例如:智能手机,平板电脑等)进行通信。蓝牙低功耗(LE)提供了一个平台,可通过智能手机或平板电脑在本地执行设备设置,操作和维护。此外,固件无线(OTA)更新可以通过比LPWAN窄带(NB)或超窄带(UNB)更高吞吐量的蓝牙LE 5连接(~2 Mbps)更快地执行,其仅支持调制方案从1 kbps到100 kbps。

用于智能电表设置和管理的多协议SoC
Sub-GHz频率通常用于从数十到数百个智能电表系统中传播所收集的数据,这些智能电表可以是专有的现场区域网(FAN)或开放式LPWAN平台的形式。FAN在多对一通信体系结构中使用星形拓扑,其中多个智能仪表将数据无线链接到连接到网关的本地服务器。然后,收集的信息通过广域网(WAN)发送到地理上分离的公司办公室/账单系统。然后,必须通过互联网上的网关或通过与仪表本身的硬连线连接进行智能仪表的任何升级。通常,执行OTA固件升级以添加功能,解决技术或安全相关问题。

配备SoC的智能电表可以在sub-GHz频率和蓝牙LE(2.4 GHz)下工作,可以提供远程和本地短距离无线通信。通过添加蓝牙连接,公用事业技术人员现在可以使用移动应用程序来控制,通信或更新现场的智能电表。系统中内置的这种冗余可以通过多个备份计划来执行智能电表的无线维护,从而潜在地降低公用事业公司的运营开销。该技术还可以跨行业垂直,并应用于工业区域仪表的农业和工业应用,以监测流量等参数(见图2)。

蓝牙信标和Sub-GHz
蓝牙信标的应用最近已成为领先的接近传感技术,占2015年全球部署接近传感器的近80%。预计到2020年蓝牙信标出货量将超过4亿部。这一指数增长率可归因于广泛的应用程序,包括:

  • 室内导航

  • 非接触式支付

  • 邻近营销

  • 自动办理登机手续

  • 实时定位系统(RTLS)

  • 资产追踪

蓝牙LE信标可应用于中等精度的短程/室内(3-5米)定位服务,智能手机可以检测信标的接近度并了解信号源的一般位置(房间/部门)。这可以是以下形式:向零售商店附近的购物者发送促销(例如,优惠券,销售等),或者允许用户通过移动应用导航到位置,而不管是否是蜂窝数据可用(例如,火车站,公园等)。另一个越来越受欢迎的例子是实时跟踪高价值资产,例如工业应用中的工厂工具,物流应用中的集装箱,甚至医疗保健应用中的医院设备。 

集成了sub-GHz和蓝牙LE无线电模块的SoC可以有效地服务于上述所有应用,因为它们也经常利用sub-GHz频谱 - 大大降低了无线子系统的成本。如图2所示,sub-GHz频率用于许多运输,医疗,消费,公用事业,农业和工业应用,并且与许多蓝牙应用明显重叠。


图2:利用Sub-GHz技术及其各自应用的行业。 

集成蓝牙信标与连接照明,用于基于位置的服务
多协议SoC的一个关键潜在应用是在商场和零售中心的sub-GHz连接照明设备。支持同步蓝牙和sub-GHz连接的芯片可以提供蓝牙信标,用于传播本地化内容,同时还可以远程控制基础设施照明(参见图3))。连接的照明基础设施可用于增加信标密度以代替专用信标,从而提高定位精度,从而推动更好的移动互动。同时广播信标的连接照明网络提供了一个可扩展的平台,可在商业,零售和工业环境中提供自动化,节能和实时定位系统(RTLS)。


图3:蓝牙信标具有基于零售的应用程序,其中寻路电话应用程序还可以将商店特定内容(例如优惠券)发送到客户的智能手机。

蓝牙LE和Sub-GHz如何在单芯片上共存如何
通过传输时隙在一个芯片中集成多个无线电模块。大多数sub-GHz系统由于其窄带调制方案以及来自传感器节点的传输的不频繁特性而能够节省电池寿命。这使终端设备能够在低电流消耗状态下工作 - 接收,空闲和休眠。虽然智能电表或智能灯等sub-GHz终端设备在接收模式下运行,但支持蓝牙LE的其他设备(如智能手机或平板电脑)可以传输到sub-GHz设备。这种内置的智能调度机制允许蓝牙和sub-GHz协议在同一芯片上使用。

对于接近感应应用,典型的蓝牙信标需要1ms来发送信标。信标间隔 - 信标发送其广告分组的频率 - 通常非常大(> 100ms)。这段时间使得sub-GHz无线电模块能够在大多数时间处于监听模式以可靠地控制照明。对于智能电表应用,OTA固件升级可能需要更多时间进行蓝牙连接。由于本地OTA升级的不常见性,这是可持续的。


图4:为多协议应用调度BLE和Sub-GHz。

结论
物联网设备在所有行业中都在激增,这使得无缝方法可以远程监控和跟踪参数。Sub-GHz频率填补了中低吞吐量长距离链路的服务水平不足,可能无法在没有IoT网关的情况下将节点连接到互联网。蓝牙通过直接对这些设备进行本地化访问,提供了增强sub-GHz连接产品功能的机会。这可以通过多协议SoC和一些聪明的调度技术来实现。此外,趋势蓝牙信标技术可与许多sub-GHz技术协同使用,为基于位置的服务提供创新平台。