克服智能节点与物联网的连接挑战

在过去的30年中，互联网走过很长一段路。过时的IPv4让位于IPv6，从而互联网上的每个装置都可以拥有自己的IP地址。机器到机器（M2M）的通信也在升级，无需人为参与，装置即可进行信息交换和处理。互联网涉及的范围和规模将发生巨大改变：业界领先者预测到2015年连接到互联网的装置数量将超过150亿个节点，到2020年将超过500亿个节点。嵌入式行业面临的挑战是如何开启日益增长的互联网价值，此网络通常称为物联网（IoT）。

      根据梅特卡夫（Metcalfe）定律，网络的价值等于网络节点数的平方（参见图1）。物联网的边缘是我们每天都在使用的电器和装置。这些“物”通过采用ZigBee、sub-GHz、Wi-Fi或电力线通信（PLC）等连接的基础设施或骨干网络相互联系，互联网络提供可靠的双向通信链路，具有相对较长的传输距离、较低的快速响应延迟、低功耗和够快的数据传输速率，可从许多连接装置汇聚信息。此基础设施也可以作为连接到互联网的网关，支持其他网络、公用事业公司和终端用户对装置进行远程监控和控制。

然而，物联网中主要的连接装置是位于网络所谓的“最后一英寸”节点。这些节点包 括单片机（MCU）、无线装置、传感器和执行器，他们是物联网的大脑、眼睛和手指。物联网的目标不应该是用户与所有装置连接，坦率地说，用户并不希望监视遍及家中的50多个传感器，查看是否空调打开时窗户也开着。物联网目标应该是不仅能收集重要信息，并且装置之间可以相互通信以及做出决策（参见图 2）。

图 2. 家居区域网络通常包含大量连接装置

      为物联网实现装置互连应用所面临的挑战与传统网络连接装置的挑战大大不同。例如，照明和家电OEM制造商除了其自身的核心功能外，还要为用户引入新的网络、无线和嵌入式软件技术。他们需要自己开发以上技术，或者与一些生产出能够轻松加入系统的产品之公司合作。

      由于通常只有少量数据需要在装置间进行传输，因此类似ZigBee的可靠且具有成本效益的无线协议是理想的选择。电源效率非常关键，因为通常情况下装置无法连接电源，在没有维护或不能更换电池的情况下，需要借助能源收集装置或电池工作数年；开发人员还需要考虑其他因素，例如成本、器件数量、MCU性能、系统规模、标准、互操作性、安全性、易用性和和现场故障排除能力；最后，软件必须能够桥接装置、汇集传感器数据并以直观的方式通过显示器为终端用户显示信息，或通过互联网传递到用户的计算机、平板电脑或智能手机。

物联网展望
      智能电表是物联网应用中的一个典型示例。除了简单地测量功耗，智能电表使电力公司与客户几乎实时通信，或通过预选定程序通信，可以在用电高峰时间段主动关闭运行的高负荷电器（例如空调）。这样做的好处在于为用户节省电费，为电力公司减轻负荷，电力公司无需为一年中仅有的几天电力供应紧张而投资新的发电厂。

      智能电表只是新兴智能家居中的一个方面。除了能够共享计算机文件和多媒体内容，互连的家居网络也能够支持安全、监控和自动化应用等，包括智能照明、智能家电和其他装置。即使只有几个传感器，例如：温度传感器、运动传感器、湿度传感器、光照传感器、玻璃破损传感器等，也能够构建一个强大的网状网络，提高所有与其相连的装置之能力。实际上，物联网可以为工业自动化、照明控制、家庭/楼宇自动化、安全和监控、卫生和保健，以及农业应用等带来巨大的好处，这里仅列举几个例子（参见图3）。物联网提供与装置进行交互的新途径，例如，“app-cessory”一词用来形容用户智能手机上的应用程序，他能够通信以及控制家庭和公司中的传感器和照明。

图 3. 未来几年物联网将通过 ZigBee 协议连接众多行业中数千万装置

梅特卡夫定律中有这样一类应用，其装置在独立安装时没有实用价值，而当他们应用到现有基础设施时，却能够实现巨大价值。比如说，如何减少家庭和公司的“电能吸血鬼”。电能吸血鬼指的是诸如电视和机顶盒等装置，没有使用却仍然消耗电量。据专家估计，电能吸血鬼占家庭总用电量的 7-15％。专门安装动作传感器去检测是否有人在房间里，并据此关闭电视或机顶盒的电源，显然成本过高。然而， 如果电视机能够利用已经安装在家居安全系统中的动作传感器，则可以低成本的管理电能吸血鬼。

家居安全系统中的传感器还可以广泛应用于其他应用。例如，将照明连接到系统， 当有人进入房间时开启照明，当房间里没人时自动关闭照明；现有的系统也可以进行扩展，例如：将低成本的湿度传感器添加到安全系统，由此自动开启和关闭淋浴后的排气风扇。不同系统之间的相互作用可以为用户带来许多好处：

更高效率：装置连接到物联网时，可以确定最佳的时间来运行；比如说，烘干机可以等到高峰时段过后再运行，以降低用电成本。

积极使用：如今，当用户下班准备回家时，可以提前设置空调的运行。如果回家晚了，系统将按照房间无人的模式运行。智能家居系统，例如 Lowes 公司的 Iris 系 统和 AlertMe 公司的智能能源系统，能够远程控制温度控制系统，终端用户可以通 知其家居系统进行用途转换，从而达到更高的运行效率。系统在必要时还可以通过文本方式与房主进行通信。

主动维护：智能设备可以监控其运行状况是否良好，并在故障发生前告知用户或 OEM 制造商潜在的问题。例如，一台洗碗机显示某个时间如三个月后，其可识别的磨损指示将失效，这样OEM 制造商可以采用新特性和算法自动更新系统以提高效率并降低运行成本。同时也降低 OEM 制造商的保修服务呼叫次数。

单一控制界面：用户可以使用智能手机等装置来管理网络。使用单一控制界面是较好的选择，这样，在网络中每添加一个新装置或节点时，用户无需学习不同的用户界面。另外需要注意的是，对于许多应用来说，安装显示器并不划算。例如，为 了克服洗碗机的震动而安装稳固且昂贵的显示器；另一个问题是，显示器更新速度通常赶不上家电更新速度。出于以上种种原因，同时为了降低系统成本和复杂性， OEM 制造商探索如何使终端用户管理其显示器。例如，Nest 学习型恒温器使房屋主人通过任何与互联网连接的装置（例如智能手机）远程管理室内温度。

易于使用：如果通过网络管理装置，用户就可以从任何地方控制网络。故障发现和处理过程也大大简化。例如，洗碗机可以清楚描述何种操作失效或问题，而不是仅仅点亮几盏 LED 灯提示出现错误。需要注意的是，交互是机器与机器之间发生的，无需用户参与。传统上，每个系统独立工作，利用有限的数据做出决策。与之不同，物联网使各系统共享信息，极大的扩展各个系统最初设计时的能力和价值，各种应用的融合也使其更好的工作。

梅特卡夫定律意味着各行各业公司的巨大机会。安保公司可以扩大其业务范围，覆盖到照明和家庭自动化市场，也可以与信誉良好的照明和家庭自动化产品供应商合 作，共同创造增值服务产品。这就是整个市场体系的力量。物联网使电子元器件供应商、软件供应商、OEM 制造商和服务提供商专注于自己的核心竞争力，并利用合作关系带来的优势为消费者创造有吸引力的应用。

通过标准协议进行协同工作

要想使物联网运转起来，所有装置必须能够进行无缝连接。然而，没有一种无线或有线技术能够有效的服务整个网络。为了开发具有成本效益的产品，工程师们需要为其应用选择最佳的通信信道和协议。因此，物联网将建立在各种标准和私有协议的基础上。

如果装置要通过互联网访问，需要支持 IP 并且连入通信信道。然而在网络边缘， IP 是一个相当大的全功能协议，即使简单的应用也会造成较高的开销和成本。类似的，虽然 Wi-Fi 无处不在，但他消耗太多保存在电池或能量收集装置中的能量。

连接的装置要使用协议，例如 ZigBee 和 6LoWPAN，这些协议是轻量级的，其数据速率与需求相符。通过中央控制器连接到物联网的装置甚至可以采用私有标准， 前提是数据在通过网关设备被传递到互联网之前被汇总并转换成标准格式。

无线电技术与协议的组合是否理想取决于特定应用。如今，有较高的数据速率要求时，例如传输视频，Wi-Fi 是合适的技术选择；对于低带宽且无需用户直接干预的 应用来说，2.4 GHz 的 ZigBee 和 sub-GHz 技术具有更低功耗的无线连接，更易于集成到嵌入式系统；对于简单的应用，例如车库门遥控开关或其他像灌溉系统一样需要远程连接的系统，采用 sub-GHz 无线电可能是最佳方式；如果双向通信、安全或需要在网状网络中连接大量装置，那么 ZigBee 能够可靠实现。

采用网状网络拓扑是许多物联网应用的理想选择。想象一下家庭照明系统，其中灯和传感器的数量很容易超过 30 个。Wi-Fi 路由器可能无法覆盖整个房子，而网状拓扑能够可靠的覆盖房子的所有角落，且每个节点的成本最低。此外，网状网络可以自动配置新装置，这样可以使用系统已知的模式。可扩展性同样是一个重要因 素。例如，蓝牙限制同一个网络上仅能连接 7 个装置，Wi-Fi 限定为 32 个。基于 Silicon Labs 的 EmberZNet Pro 提供自我配置和自我修复的网状连接特性，可以将数百个甚至数千个装置连接到同一个网络。 获取超低功耗 。

由于“最后一英寸”装置通常执行有限的任务，其倾向于简单的架构，专注于基础数 据收集、计算和连接功能。是否需要 8 位或 32 位 MCU 主要依赖于执行的计算类型。32 位 MCU 的宽总线和先进外设比 8 位 MCU 具有更快的数据移动和计算能力，因此装置能够更快返回休眠状态，获得更高功效。

对于许多“最后一英寸”的应用，例如遍布家中的监视和照明传感器，如果安装新的线路来为其提供电源，成本将大大高于装置本身和执行的功能。因而，装置必须具备极好的功效，能够利用电池或运行环境中的能量收集装置供电。此外，即使在很难触及的地方，装置也要易于安装。同时要在无电池替换或其他维护的情况下运行数年。

要满足“最后一英寸”装置的供电需求，MCU 必须支持超低功耗操作，并且能够方便的控制和连接。为了获得卓越的功效，MCU 还要集成多种先进能力。例如，高效的片上 DC-DC 降压型转换器具有高能效，并且允许器件一直运行到电池可提供的最低电压。集成 DC-DC 降压型转换器的 32 位 MCU，例如 Silicon Labs 32 位 SiM3L1xx Precision32器件，与没有降压型转换器的 MCU 相比，工作电流降低 40%，如图 4 所示。

图 4. 集成的 DC-DC 降压型转换器减少高达 40%工作电流

      使用在物联网边缘装置上的MCU需要支持多个电压域，这样外设即使在CPU掉电时也能以不同的频率自动运行。例如直接存储访问（DMA）可用于收集传感器数据，并且只在整个缓冲区数据需要处理时唤醒CPU，可提供更大的休眠唤醒比和更高的功效。此种架构也针对快速待机状态转换，从而能在CPU唤醒期间减少功耗。

      举例来说，Silicon Labs SiM3L1xx MCU系列产品，具备专用可编程的数据传输管理器（DTM）硬件模块，使嵌入式开发人员能串连复杂任务并自动执行，而不依赖MCU内核。在这种情况下，内核保持最低功耗状态直到所有任务完成。

      DTM在无线传输中格外有用，无线系统中，例如原始数据通过无线电传输出去之前，需要经过多个操作处理。MCU需要加密原始数据、添加错误校正和编码数据包，并且通过一个或多个突发传输数据包到串口，这个过程如图5所示。

图 5. Silicon Labs 数据传输管理器提供无 CPU 干预的无线数据包自动传输

      特定的应用电路能够进一步减轻CPU负担。例如，用于电表的片上脉冲计数器可以在后台有效测量脉冲串或液体流量，同时集成的电容触摸感应能力为具有UI的装置降低工作时间功耗。基于硬件的加速器能加速处理并且减少工作电流，例如专用包处理引擎（DPPE），可极大提高RF消息处理速度，并同时允许CPU在处理期间维持空闲状态。

加速软件和应用设计
      在构建物联网所需特性和能力的过程中，软件起着至关重要的作用。硬件提供连接基础，软件需要实现底层的M2M交互，确保装置无论在怎样的环境中都可以稳定可靠的运行。

      一般来说无线连接的质量非常依赖于操作环境；例如，每个手机用户都有过这样的经历- 需要在房间内移动来获得更好的信号质量。而像调节器一类的恒温器却不能有任何移动。延迟也非常关键，如果100毫秒内没有应答，大多数用户将倾向于重新按键。

      软件可以确保无线网络可靠性，保证消息已经接收并执行，例如灯泡确实打开了。软件还确保开发人员实现更智能和灵活的装置，从而自行识别问题、提出异常并尽可能的解决问题，且无需人为干预。

      开发人员还能够通过软件来实现先进的功能。举例来说，仅仅远程打开灯还不够，如果能告知用户灯泡需要替换则作用更大。软件扩展自动控制的潜在范围，进一步提升性能和便利性。举个例子来说，在智能无线传感器网络，家居系统决定当室内无人时关闭电子装置。如此简单的操作却能带来巨大的改变，因为如果用于上亿家庭，则能够节约相当多能源。

      软件还能作为网络和控制器的桥梁。例如，一些用户喜欢通过智能手机控制家电和灯光，而另外一些人则可能喜欢通过平板电脑控制。软件让每个人自由选择装置和接口。灵活易用的软件也为OEM制造商提供机会，以区别于其他同类产品。

      现实的情况是，我们正在向应用驱动的世界前进。虽然MCU、传感器和无线连接可以形成物联网的基础，但是真正的创新发生在软件技术。毕竟，有用的不是来自遍及房屋的传感器数据，而是我们能利用数据做什么。

      物联网的关键是互操作性和开放标准，从而多种装置可以相互通信。装置之间的通信能力大大提高网络的价值，一旦网络基础设施搭建完成，即可以很低成本的获取更多信息和智能。为了达到成熟水平，软件要提供装置和应用间共享的通用应用层，并且通过其抽象硬件细节。由此，用于传输数据的底层技术变得无关紧要，开发人员可以自由的围绕物联网应用进行创新。

      例如，由ZigBee联盟开创的ZigBee标准，为连接设备制造商提供明确的方式，使其开发的产品基于标准，并具备互操作性和M2M通信能力。ZigBee标准配置，例如ZigBee智能能源、ZigBee家居自动化、ZigBee楼宇自动化和ZigBee照明连接，可提供互操作平台，简化物联网应用的开发，例如：智能家居和商业楼宇、智能照明控制系统、智能电表和室内能源监控系统等应用。

加快物联网应用上市时间
      为了帮助工程师更快的把物联网装置推向市场，半导体供应商提供各种先进的设计工具，例如为加速核心功能实现的应用库、准备量产的示例应用、固件开发工具、完整的通信和无线电协议栈以及简单的演示应用示例，例如如何通过互联网连接智能手机和“最后一英寸”装置。

      如今，开发工具通过单一控制台提供整个网络的全貌，并创建后备通道连接，以排除故障并跟踪网络上的数据包。专业无线开发工具也可以为甚至没有射频设计经验的开发人员轻松创建高效、可靠且具有成本效益的ZigBee和sub-GHz无线应用。通过使用各种开发板来评估连接性和不同协议性能，工程师可以同步设计和调试应用代码和固件、开始RF设计和优化，并最终完成网络和协议栈开发，与此同时硬件原型仍可处于开发中。

      Silicon Labs公司EmberZNet PRO协议栈为物联网提供一套兼容ZigBee的软件解决方案。与其他ZigBee协议栈相比，EmberZNet PRO已部署在更多的无线网络产品中，可提供增强的可靠性和易用性，并保证完整的ZigBee兼容性，同时为开发人员提供构建在标准ZigBee PRO特性集上的设计框架，特别适用于更大的网络和更具挑战的环境中。

      Ember ZigBee开发环境是EmberZNet PRO协议栈的有力补充，其提供成熟的图形界面和调试工具以缩短设计时间。例如Packet Trace Port和Ember Debug Adapter，可通过标准以太网连接为网络上的每个节点提供可视化的收/发比特流视图。Ember Desktop Network Analyzer可提供快速的网络活动示意图和网络调试。易用的Ember AppBuilder工具提供使用ZigBee标准应用配置，从而最快的进行无线网络产品ZigBee认证。目前，完整的ZigBee智能能源、家居自动化和照明连接配置应用模板可从Silicon Labs获得。

总结:
      在互联网上连接各种装置，装置间可进行无缝通信，并且无需人为干预，这个潮流已无法抵挡。物联网将不断开拓新的市场，并为各个行业的OEM制造商以及应用开发者创造新的应用和机会。毫无疑问物联网正在快速扩展应用领域，例如智能电表和智能家电。物联网已经成为现实，并且已经在几个市场中成功实现商业部署，包括家居互连和绿色能源应用。

      许多OEM制造商和供应商想知道的是：何时物联网能够跨越起步阶段，获得千万量级大市场。伴随着基础技术、产品、软件的发展，以及创建高效、超低功耗“最后一英寸”装置的工具的出现，答案变得十分明确，那就是现在。