物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 的本質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行了優(yōu)化。 可穿戴設備將針對低功耗和本地連接進行優(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，為了達到最佳實施效果，基礎硬件（最有可能基于 MCU）也需要具有多樣的功能集。 如果您認為我們在 MCU 方面已有太多選擇，那么下一代面向 IoT 的設備會使您頭暈目眩。

多樣化要求促進了特性的多樣性

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 設計的功耗、成本、復雜性預算。 那么，我們該怎么辦？

一種方法是將關鍵 IoT 設備的功能專門化，使這些設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、短距離連接標準。 多個傳感器可用這種標準連接傳感器“橋”，然后由傳感器橋連接更遠的設備，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。 計算元件也可分布在該網(wǎng)絡內，用于執(zhí)行分布式計算，從而能在大的數(shù)據(jù)集發(fā)送前進行處理、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，因為數(shù)據(jù)需要在多個中間點間流動，以到達最終目標，所以，前端器件節(jié)能也可用來補償網(wǎng)絡中的任一部分。

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”的相關致動器。 在這些“邊緣”元件后則是傳感器融合設備，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)建供更高級別應用使用的附加知識。 通過把 GPS 和大氣壓數(shù)據(jù)相結合來確定海拔高度和位置便是傳感器融合的一個常見實例。 傳感器融合設備通常與執(zhí)行協(xié)議間轉換的橋接器連接，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，就需要這項功能。

圖 1：通過專門化實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)簡化。

信標將是向 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，收到關于自行車新配件廣告時您不必吃驚，因為這是享受此項服務的代價。 傳感器融合橋設備會把來自多個信標和傳感器的數(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?。ㄈ缭诠ぷ髅嬖嚻陂g）。

存儲和通信元件可包含在傳感器融合橋設備中或者作為通信橋設備的一部分，這些元件在不同格式之間非常高效地轉換無線數(shù)據(jù)并確保其安全、完整。 一旦傳感器通過藍牙與橋設備連接，便能存儲數(shù)據(jù)或者利用如 Wi-Fi 等長距離無線標準繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)。 橋接設備應至少具備存儲和通信功能，而更高端的設備則應具備附加處理功能。 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)集可隨時調取，或者如果讀數(shù)“超出范圍”且需發(fā)出警報時，才需向“上游”設備發(fā)出警報。

MCU 多樣性和物聯(lián)網(wǎng)革命

當下有一種趨勢肯定會因 IoT 而擴大，那就是將關鍵的無線硬件組件與重要的軟件驅動程序、協(xié)議堆棧相結合，以便進一步簡化完全實現(xiàn) IoT 所需的多種設備的設計和構建過程。 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。 從標準 ARM Cortex-M0 處理器、CPU 外設、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，均支持低功耗藍牙和 2.4 GHz 工作模式。 Nordic 提供經(jīng)過預編譯的（二進制）協(xié)議堆棧，讓高級別應用代碼的創(chuàng)建變得輕松自如。

圖 2：Nordic nRF51822 無線 MCU 硬件模塊。

在 IoT 邊緣，設備將變得越來越專門化，因為需要滿足各種能效要求，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 外設中最能滿足相應的要求，并可作為簡單的信標和傳感器。 這類器件也最有可能實現(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，對源頭中流動的數(shù)據(jù)進行優(yōu)化。

將與傳感器、信標、傳感器融合設備連接的橋接設備、與更廣 IoT 網(wǎng)絡連接的其它橋接設備將需要支持各種各樣的無線協(xié)議。 最初，可由每個 MCU 都針對特定標準的多個 MCU 來實現(xiàn)橋接設備，也許由 FPGA 實現(xiàn)，以實現(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)絡標準 IEEE 802.15.4 提供連接，目前有許多無線個人局域網(wǎng) （WPAN） 設備支持該標準。 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 技術規(guī)格。 因此，這款收發(fā)器能為眾多通信標準實現(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)絡堆棧和應用規(guī)范，以及 ZigBee IP 網(wǎng)絡堆棧和 Smart Energy 2.0 應用規(guī)范。 ARM Cortex-M4 處理器具有 DSP 功能，可以提供重要的處理能力，且硬件密碼驗證單元支持包括 3DES、AES、SHA-1 和 SHA-256 在內的密鑰加密算法。 芯片中包含唯一的 128 位 ID，有助于設備驗證和安全密鑰管理。

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 標準。 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 當做一個完整的模塊，那么設計人員就不受合規(guī)測試約束，進而實現(xiàn)設計快速面市。 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一步簡化實施過程。 該模塊與 M2M PICTail Plus 子板配合使用時，會形成一個支持 GSM、GPRS 和 GPS 通信格式的完整參考設計。 Microchip 產(chǎn)品培訓模塊對該套件做了詳細介紹。

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，這種發(fā)展趨勢將成為 IoT 快速部署的關鍵推動因素。 音頻領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)關參考設計 （EVK1105），該設計將關鍵的硬件特性和構建完整系統(tǒng)所需的必要軟件基礎架構組合在一起（Atmel 針對該套件推出了一個優(yōu)秀的產(chǎn)品培訓模塊）。 該參考設計包括主板、C 源代碼路（含浮點和 DSP 算法）、USB 和 TCP/IP 堆棧和用于優(yōu)化音頻、圖片、視頻編解碼器的應用軟件、顯示驅動程序、網(wǎng)絡服務器、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。 設計人員能輕松地確定哪個驅動器模塊可用在項目中。 Atmel 甚至可以幫助您識別每個驅動器所需的密鑰許可證。 為促進 IoT 發(fā)展，供應商不僅應提供一個開發(fā)生態(tài)系統(tǒng)，還應在新產(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)展道路上的相關障礙將是產(chǎn)品成敗的關鍵。

中間件 CPU 負載 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）（估計值） 60 MHz 40 KB 100 KB www.helixcommunity.org

IoT 設備的多樣化特性將需要大量不同的專門化 MCU 來實現(xiàn)多到使人眼花繚亂的邊緣設備，并以最密切的方式與“現(xiàn)實世界”的通信。 設備進入 IoT 網(wǎng)絡將需要與常見產(chǎn)品線一起進行多樣化，具備有助于流量效率優(yōu)化的各種通信、存儲和計算功能。 供應商需要擴充專用 MCU，附帶包括示例代碼、驅動程序、堆棧的參考設計；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。