利用多協定無線 MCU 模組加速先進 IoT 部署

先進的物聯網 (IoT) 設計現在需要安全的無線連線選項，以確保網路效率、最佳效能以及在異質工作環境中的互通性，包括 Wi-Fi、低功耗藍牙 (BLE)、Thread 和 Matter 協定等環境。合適的解決方案平台必須能與感測器和周邊裝置無縫整合，並具備生態系統，以促成全球認證裝置的迅速開發，從評估到部署都包括在內。

利用從零開始設計的客製化解決方案來滿足這些需求仍具挑戰性，主要原因在於無線射頻 (RF) 與混合訊號設計及裝置在認證上的複雜性。設計工程師需要更高度整合的做法。

本文將概述 IoT 無線裝置設計人員所面臨的連接性挑戰。接著會介紹來自 u-blox 的現成無線平台，其可針對無線電啟動、協定整合、安全性的實作以及標準與法規的遵循，減少相關的延遲，藉此加速先進 IoT 的設計。

連接需求的變化如何推動整合式模組的發展

新興應用領域，例如工業控制系統、商業建築自動化，以及智慧裝置生態系統，皆需要靈活的 IoT 裝置解決方案，以支援軟硬體與通訊的特殊要求，且不影響安全性或功率預算。越來越多的應用都預期 IoT 裝置可支援多種連線選項。每一款都要在日益壅塞的 RF 環境中，面對各種無線射頻干擾 (RFI) 和電磁干擾 (EMI)，還得維持可靠的通訊能力。

在這些應用中，不同的無線協定是滿足特定應用需求的重要關鍵。雙頻 Wi-Fi 6 可提供增進的服務品質排程，可在壅塞網路中維持吞吐量；BLE 可支援短距通訊的低功耗運作需求；Thread 可促成大規模、自我修復的 IPv6 網狀網路，並具備裝置驗證與 AES-128 加密。這些多重連線選項構成 Matter 協定的基礎。此協定是基於 IP 的應用層，能在 Wi-Fi 或 Thread 上運作，同時也仰賴 BLE 進行設備試運轉與安全上線。

要同時滿足這些需求已成為一項重大的工程挑戰。傳統的離散式無線電設計需要多個晶片組、RF 前端和主機介面，這會增加佈局複雜度、功耗和認證工作量。每增加一個介面，便會在合規測試或多協定運作時添加一個潛在故障點。隨著開發時程日益緊湊及法規要求不斷擴大，越來越多團隊傾向使用獨立的無線微控制器單元 (MCU) 模組，可將無線子系統、處理資源與整合式安全功能結合在預先認證的單一元件中。

u-blox 的 IRIS-W10 系列 MCU 模組就提供整合式解決方案，可應對先進 IoT 設計的新興挑戰。IRIS W10 系列可在模組層級就克服多協定共存、網路效率以及程式碼和資料保護的難題，能為工程師提供可靠的連線裝置開發基礎，從原型開發到認證與部署階段都可降低未知風險。

IRIS-W10 模組架構如何滿足新興需求

IRIS-W10 系列是一套完整的無線系統 (圖 1)，整合了高效能處理器、多頻段無線電子系統、eXecute-In-Place (XIP) 快閃記憶體以及硬體式安全功能，可形成一個自足式平台，能開發先進的 IoT 產品。

圖 1：IRIS-W10 系列採用緊湊且全球認證的模組封裝，結合了高效能 MCU、多頻段無線電、快閃記憶體、硬體式安全功能，並具有內部天線 (如圖所示) 或用於外接天線的 RF 訊號輸出。(圖片來源：u-blox)

IRIS-W10 模組採用 NXP 的RW612 與 RW610 無線 MCU 為基礎，其中整合了 Arm® Cortex®-M33 核心與多重無線電子系統，因此兼具了高效能處理能力與多種連線選項，包括雙頻 Wi-Fi 6 (IEEE 802.11 a/b/g/n/ac/ax)、BLE 5.4，以及 Matter over Wi-Fi。其他以 RW612 MCU 為基礎的款式更額外支援 IEEE 802.15.4、Thread 以及 Matter over Thread。

IRIS-W10 系列有兩大家族可滿足不同的整合需求：IRIS-W106 模組整合了印刷電路板 (PCB) 天線，而 IRIS-W101 模組則提供 RF 訊號輸出，適用於需要外接天線的安裝配置。在各家族中，個別成員支援不同的記憶體及連線需求，具體如下：

• 基於 RW610 的模組 (IRIS-W106-30B 和 IRIS-W101-30B) 含有 8 MB 的快閃記憶體
• 基於 RW612 的模組提供 8 MB (IRIS-W106-00B 和 IRIS-W101-00B) 或 16 MB (IRIS-W106-10B 和 IRIS-W101-10B) 的快閃記憶體，並具備上述以 IEEE 802.15.4 為基礎的連線能力。

這些模組的一致架構能讓開發人員更輕鬆地擴充既有設計，以符合新的需求。事實上，這些模組的任一款都可在設計中當作獨立主機 (圖 2a) 運作，以達到最低功耗和最小佔地面積，或在設計中當作另一個主機的輔助處理器 (圖 2b)，以滿足更複雜的功能需求。

圖 2：IRIS-W10 模組符合多種應用需求，包括從需要獨立處理器以將功耗及佔地面積降至最低的情況 (a)，到需要模組當作主機的輔助處理器以增添功能的情況 (b)。(圖片來源：u-blox)

此系列具有多種連線選項，有助於在壅塞的 RF 環境中確保達到可靠的通訊。Wi-Fi 6 採用正交分頻多工存取 (OFDMA) 和目標喚醒時間 (TWT) 排程，以在這些環境中提升通道效率，而 BLE 的適應性跳頻 (AFH) 則能將干擾降至最低。IEEE 802.15.4 功能可將連線能力延伸至 Thread 網路，以達到低功耗網狀網路與 Matter 互通性。不同的 RF 技術從不會同時啟用，因此模組的無線電會共用單一 RF 鏈路並依序運作，利用內部 RF 開關將無線電流量導向共用天線或 RF 輸出。

越來越多 IoT 應用都要求提供多種連線協定選擇，因此這些應用也要在受信任的操作環境中確保通訊交易的安全性。為了滿足這些安全需求，IRIS-W10 系列模組採用硬體信任根技術。應用安全性的基礎在於使用安全開機程式，從經過確認的非揮發性記憶體或 USB 來源進行安全開機，且該安全開機程式保存在 MCU 的嵌入式唯讀記憶體 (ROM) 中。應用的安全基礎仰賴 Arm TrustZone-M 架構的可信任執行環境。

其他安全功能還包括安全鏈所需的關鍵元素，例如硬體加密引擎、加密快閃記憶體和受保護的除錯介面，這些都能保障韌體的真實性與運作資料的安全。在應用層級，這些安全功能可達到 WPA2/WPA3 驗證、Wi-Fi 企業級安全性、傳輸層安全性 (TLS) 加密、HTTPS 以及 BLE 安全連線配對。這些機制共同建立了韌體完整性與通訊保護的安全基準。這些模組具備緊密整合的防護功能，能夠提升應用的網路安全性，無需額外的獨立安全裝置。

IRIS-W10 系列將高效能處理、多協定無線電及硬體式安全性整合在全球認證的封裝中，可協助開發人員同時滿足吞吐量、互通性及法規遵循的綜合需求。為了實作先進的 IoT 裝置，此整合式架構可提供穩健的技術基礎，能運用完備的 u-blox 評估套件 (EVK) 及開發工具，快速開發客製化 IoT 應用。

加速先進 IoT 設計的開發

u-blox 的 EVK 及相關軟體資源為配合 IRIS-W10 系列硬體而設計，能讓開發人員有效地從評估階段進展到應用設計。這些資源可共同協助開發人員檢查模組效能、驗證無線電行為，並開發自訂裝置。

在初步評估與原型開發階段，u-blox 的 USB-IRIS-W1 評估工具可協助開發人員快速探索 IRIS-W10 模組的功能。本套件整合了 IRIS-W106 模組、基本使用者介面 (UI) 控制，以及多種介面，採用小型 PCB 配置並搭配 USB Type-A 連接器 (圖 3)。USB-IRIS-W1 預載 Wi-Fi 命令列介面 (CLI) 應用程式，能讓工程師將其插入工作站的 USB 埠，立即開始評估模組的 Wi-Fi 功能。

圖 3：USB-IRIS-W1 緊湊型 USB Type-A 板以預燒錄的 IRIS-W106 模組為基礎打造，可透過多重介面、基本 UI 控制和測試點，快速開模組功能的評估。(圖片來源：u-blox)

雖然 USB-IRIS-W1 套件提供了快速啟動工具，可用於模組啟動和 CLI 評估，但 u-blox 的 EVK-IRIS-W1 評估套件 (圖 4) 則提供更全面、獨立的平台，可用來評估各個模組、深入體驗其功能並擴充其能力。此套件含有 EVK-IRIS-W106 板搭載 IRIS-W106-10B 模組，或是 EVK-IRIS-W101 板搭載 IRIS-W101-10B 模組。除了對應的板件外，此套件亦含有 RJ45 乙太網路連接器、USB 線，以及帶有 U.FL 連接器的天線 (僅限 EVK-IRIS-101)。

每張板件都提供多個模組介面，包括 UART、SPI、I²C 與 USB 埠。此外，此板件更提供 LED、基本的 UI 控制、功率測量排針座、一個 10 針除錯連接器，以及四個 mikroBUS (MikroElektronika) 連接器，可擴充板件功能。

圖 4：EVK-IRIS-W1 評估套件提供完整的開發用硬體平台，可使用 IRIS-W10 模組介面進行應用開發、功率分析及功能擴充。(圖片來源：u-blox)

開發人員只需透過以下四個 5 V_DC 電源輸入中的任一個供電，即可快速啟動板件，包括：

• USB 周邊裝置提供的 IRIS-W10 USB 連接埠
• 除錯／UART 埠
• MCU-LINK USB 埠
• 電源排針座

EVK-IRIS-W106 和 EVK-IRIS-W101 均具有預載的展示影像，開機後即可立即評估 Wi-Fi 6 和 BLE。模組韌體能讓工程師透過序列主控台測量吞吐量和延遲、評估功耗，以及檢查配置暫存器。利用 EVK 的功率測量排針座，開發人員就可量化各種通訊狀態下的電流消耗，以便在必須符合低功耗或電池供電要求的設計中，確認其能耗與效能間的取捨。

多種軟體資源有助於簡化應用開發

若要進行客製化應用開發，IRIS-W10 系列採用開放式 CPU 運作模式，因此 u-blox 能以其 Open CPU 儲存庫開源參考程式碼提供支援，在 EVK 上運行。在這個操作模式中，模組處理器可用於執行客製化應用程式，其能以 NXP MCUXpresso 軟體開發套件 (SDK) 或 Zephyr 為基礎打造，並使用常見的整合式開發環境 (IDE) 和工具鏈開發，包括 NXP 的 MCUXpresso IDE、GNU 編譯器組合 (GCC) 或 IAR 的 Embedded Workbench。

NXP 的 SDK 提供完整的函式庫、連線堆疊、支援公用工具和參考程式碼，因此能開發以 NXP MCU 為基礎的應用程式。在執行環境中，SDK 的模組化架構有助於確保硬體相關層和驅動程式與更高階應用程式的邏輯達到隔離。

只要參考 Open CPU 程式碼儲存庫和 SDK 中的範例程式碼，開發人員就可快速實作必要的客製化韌體，以支援其 IoT 應用的獨特需求。為了載入自訂韌體，EVK-IRIS-W1 和 USB-IRIS-W1 評估套件皆可透過外部除錯器燒錄韌體。此外，EVK-IRIS-W1 套件板更可透過其板載除錯器支援韌體更新，而USB-IRIS-W1 則可透過 UART 埠使用 NXP 的 MCU 開機載入器主機應用程式進行韌體更新。為持續測試與除錯，兩個套件皆可透過板載連接埠支援標準 JTAG 與 SWD 介面。

由於所有硬體、軟體及認證資產在模組款式間都保持一致，若要擴充現有設計，以支援額外的記憶體或通訊協定時，就無需大幅重新設計。設計完成後，開發人員可使用相同的 IRIS-W10 模組和開發環境轉換到生產階段。最後，所有 IRIS-W10 模組均具有全球認證，因此可簡化最終產品在目標區域的整合與法規文件準備工作。

結合全球認證的硬體、多功能的SDK，以及完善的參考程式碼，u-blox IRIS-W10 系列生態系統能讓開發人員更快速部署安全的多重協定 IoT 裝置。

結論

IoT 裝置為了滿足對安全、多重協定連線的日益增長需求，持續面臨重大挑戰，以便在緊湊的開發時程內，達到低功耗、穩健的無線效能以及全球認證。u-blox 的 IRIS-W10 系列在全球認證的模組平台上結合了嵌入式處理、多重無線電連線以及整合式安全功能。利用針對 IRIS-W10 模組進行最佳化的硬體評估套件與軟體資源，開發人員就可快速評估、原型設計並有效部署安全且具互通性的 IoT 系統。隨著多重協定無線生態系持續擴大，IRIS-W10 系列提供的可擴充基礎能適應新興標準和應用需求。