簡化聯接至關重要 Sigfox突破IoT應用技術障礙

作者: Brian Buchanan
2019 年 04 月 13 日

在工業和消費應用中,感知、處理、驅動和聯接這些關鍵模組對於IoT的設計至關重要。如果為每個模組提供模組化的、隨插即用的方案,可以顯著地加快和簡化新的設計,用於如智慧家庭/智慧建築、健康和資產追蹤等應用,不一而足。模組化的方案包括制式的開發工具,並在必要時預先通過任何相關國際監管標準和協議要求的認證尤為重要。

Sigfox幫助聯接 挑戰IoT普及

聯接是最具挑戰性的領域之一,視每一應用的特定性質而定,許多協議或多或少都是相關的。Sigfox具備內建基礎設施(Built-in Infrastructure)和遠端聯接(Long-range Connectivity),已成為最有用的協定之一。然而,對於許多潛在的IoT方案設計人員,Sigfox是個新的技術領域,因此,易於採用是IoT普及的關鍵。

共有超過310億的設備聯接到IoT。這些設備為世界各地的消費者和商業用戶帶來了巨大的變化。在家裡,自動照明控制節省能源和提供安全,而遠端門鈴支援用戶從地球上的任何地方「回家」。

在企業中,可以監控工廠或其他設施的每一個細節;這些資料將前所未有地提高營運效率。經營偏遠地區設備的企業可以從舒適的辦公室監控工作,進而減少定期視察的費用。隨著資料分析、即時監控、預測維護和其他高價值主張的加強,正在實現IoT的總體效益。

尺寸精巧度再提升

然而,要使這些IoT設備具有如此方便和利於攜帶的特性,如它們的小尺寸、互聯功能和遠端運用能力,也給設計人員帶來了巨大的挑戰。

雖然這些設備物理尺寸小,能部署在有限的空間裡,但是IoT節點需要包含大量的功能。通常,這將用於管理系統和處理資料的微控制器(MCU)、各種類型的感測器(取決於要測量或監測什麼)以及加密技術,以確保安全儲存和傳輸任何敏感性資料。電源也是必需的,雖然許多IoT設備都部署在家庭、辦公室或工廠,通常有電源可供運用,但為了方便,許多設備使用電池供電。當然,在沒有電源的偏遠地區使用的所有IoT設備都是以電池供電的。

電池有尺寸上的限制以及可用的電量有限,意味著設計人員為了確保沒有浪費一點寶貴的電量,在選擇和運用小的、超低功耗元件、開發精密的電源管理演算法的時候,將有許多重大的挑戰要克服。

節點聯接IoT 通訊介面至關重要

IoT設備的另一個挑戰是提供通訊介面,這對於聯接節點到IoT至關重要。這是個相對專業的領域,設計人員面臨的關鍵挑戰是從現有的巨大範圍中選擇最合適的協議。其中一些協議是非常專門的,適用於非常特定的應用,而另一些協議,如藍牙和Wi-Fi,則被廣泛運用,但僅適用於短程應用。

直到最近,蜂巢式行動科技(Cellular Technology)仍是其他短程無線技術(如藍牙)所無法達到的聯接節點的唯一可用方法。然而,蜂巢式行動科技專用於語音和高資料傳輸速率通訊(High Data Rate Communications),這使得它相對耗電,因而不適合IoT所需和依賴的簡單機器對機器(Machine-to-Machine, M2M)通訊。

Sigfox具低功耗/遠距離/低資料傳輸速率

Sigfox是一種蜂巢式移動系統(Cellular-style System),它為遠端聯接的設備,特別是IoT節點提供低功耗、遠距離、低資料傳輸速率和低成本的通訊。針對簡單的M2M通訊,Sigfox網路能夠支援的聯接遠大於簡單的低功率發射器能夠獨立達到的距離。該網路採用超窄帶(Ultra-Narrow Band, UNB)技術,支援低發射功率同時保持穩固的聯接。

igfox可說是適用於任何IoT應用,它幾乎沒有什麼限制,使應用不須要每天發送超過140個12位元組的消息,並且可以接受每秒100位的無線傳輸量,因此Sigfox提供一個可靠、低功耗、低成本的聯接方案。

然而,與藍牙等無所不在的通訊協議不同,與Sigfox相關的技術專業知識被認為是相對小眾的。這對設計工程師設計和實踐一個成功的、基於Sigfox的通訊介面構成了一條陡峭的學習曲線,對尋求解決遠端IoT市場的公司造成了一道技術門檻。

模組化Sigfox方案 消除技術設計障礙

安森美半導體積極投入該領域,最近推出了可程式設計的Sigfox RF收發器系統級封裝(System in Package, SiP),整合先進的RF系統單晶片(System-on-Chip, SoC)與所有必需的外部元件(包括一個TCXO),進而使簡化和縮短設計認證流程成為可能。

AX-SIP-SFEU SiP提供開箱即用的、設備到雲端的Sigfox聯接,包括使用Sigfox LPWAN通訊的遠端IoT應用上行和下行鏈路。該SiP把一個Sigfox無線電IC、分離式的RF匹配元件、所需的所有被動元件及韌體整合在單個封裝中。由於該方案已預先通過CE認證,並經Sigfox認證,採用安森美半導體的技術解決方案,設計人員有把握實現一個高品質、全整合的完整方案。

該微型的7mm×9mm×1mm、統一塗層保護膜封裝,確保AX-SIP-SFEU可部署在空間受限的遠端IoT應用中。該元件其實是世界上最緊湊的、Sigfox認證的方案,確保設計人員能夠克服設計遠端IoT節點所面臨的物理空間挑戰。微型尺寸特別適用於可穿戴裝置、資產追蹤標籤或任何需要小Sigfox方案的應用。

使用AX-SIP-SFEU還能顯著減少電源相關的問題,因為超低功耗設計結合了待機、睡眠和深度睡眠模式,以便在不須要傳輸時省電。這些模式分別只需0.55毫安培、1.2微安和180奈安的電流,使該元件可由鈕扣電池(CR2032)供電。或者,可以使用能量採集技術,無需任何電池、管理或更換。

任何無線電設計中(尤其是第一次設計時)最令人刮目相看的一面,就是獲得認證。AX-SIP-SFEU SIP經Sigfox認證用於RC1區域網路,表示它已通過認證,符合標準的RF和協定規範,進而確保了互通性。此外,該元件已獲CE認證,證明其符合歐洲經濟區內銷售產品的衛生、安全和環保標準。

雖然IoT提供了許多好處及機會,但節點小而且複雜的性質給設計工程師帶來了巨大的挑戰。他們不僅必須滿足物理尺寸限制和處理低功耗的要求,還必須確保設計中所含的RF通訊符合國際標準,這增加了設計流程的時間、成本和風險。尤為重要的是,對於要遠距離無線聯接的遠端設備,需要比蜂巢式移動網路更具性價比的方案。

透過運用預先認證的、超微型、超低功耗模組如安森美半導體的AX-SIP-SFEU,設計人員現在能夠設計IoT節點,有把握能輕易和幾乎零風險地實施預認證的RF通訊系統,進而消除IoT設計的一個重大技術障礙。

(本文作者為安森美半導體無線互聯方案經理)

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