使用多協定無線模組來簡化 IoT 產品的設計和認證

藉助無線連線，設計人員能將跟不上時代的傳統產品搖身一變，變成聰明的物聯網 (IoT) 整合式元件，進而將資料送至雲端進行人工智慧 (AI) 型分析，同時讓裝置接收空中 (OTA) 指令和韌體更新並補強安全性。

但在產品中添加無線鏈路並不簡單。在進入設計階段之前，設計人員必須先選擇無線通訊協定，而這可能會令人望之卻步。例如，有不少無線標準都是在熱門的 2.4 GHz 免執照頻段中運行。這些標準在傳輸距離、傳輸量和功耗方面都做了取捨。想針對特定應用挑選最理想的標準，就必須根據通訊協定的特性，仔細評估該應用的要求。

此外，即使擁有高度整合的現代式收發器，設計無線射頻 (RF) 電路對許多設計團隊來說，仍是一大挑戰，會導致成本超支、無法如期完成。此外，RF 產品需通過認證才可操作，而認證作業本身可能牽連甚廣、複雜而耗時。

有個解決之道，就是以一個經過認證且採用多重協定系統單晶片 (SoC) 的模組為基礎進行設計。這不像使用離散式元件進行 RF 設計那樣複雜，還能彈性地挑選無線通訊協定。這種模組作法為設計人員提供立即可用的無線解決方案，之後要在產品中整合無線連線能力和通過認證，都將容易許多。

本文將瞭解無線連線的優點、探討幾個重要的 2.4 GHz 無線協定的優勢、簡單分析硬體設計的問題，並介紹 Würth Elektronik 一款適用的 RF 模組。此外，本文將討論全球法規要求的認證流程、細談應用軟體的開發，並介紹一款軟體開發套件 (SDK)，以幫助設計人員開始使用該模組。

多協定收發器的優點

沒有任何一種短距無線技術可稱霸全場，因為每種技術都需為了因應各自的目標應用而進行取捨。例如，若要覆蓋更大的範圍和／或達到更大的傳輸量，就要付出功耗增加的代價。其他需要考量的重要因素包括抗擾性、網狀網路連線能力，以及網際網路協定 (IP) 的互通性。

成熟的短距無線技術五花八門，目前明顯廣為採用的三種技術是：低功耗藍牙 (BLE)、Zigbee 和 Thread。這三者具有某些相似之處，因為都承襲自 IEEE 802.15.4 規格。此規格描述了低數據傳輸率無線個人區域網路 (WPAN) 的實體層 (PHY) 和媒體存取控制層 (MAC)。這些技術通常在 2.4 GHz 的頻率下運作，但 Zigbee 也有一些版本在 sub-GHz 下運作。

BLE 適用於 IoT 應用，例如資料傳輸率不高且傳輸較不頻繁的智慧家庭感測器 (圖 1)。BLE 與大多數智慧型手機所用的藍牙晶片可互通，對消費性導向的應用 (如穿戴式裝置) 來說也是一大優勢。此技術的主要缺點，在於需要使用昂貴且耗電的閘道器連接雲端，而且網狀網路的連網能力欠佳。

圖 1：BLE 非常適合用於智慧家庭感測器，如攝影機和恆溫器。BLE 和智慧型手機可互通，因此可簡化相容產品的配置作業。(圖片來源：Nordic Semiconductor)

Zigbee 對於工業自動化、商用和家用的低功耗和低傳輸量應用來說，也是理想的選擇。ZigBee 的傳輸量低於 BLE，傳輸距離和功耗則相似。Zigbee 不能與智慧型手機互通，也沒有原生 IP 能力。Zigbee 有個關鍵優勢就是完全針對網狀網路從頭開始設計。

與 Zigbee 一樣，Thread 使用 IEEE 802.15.4 PHY 和 MAC 來運作，可支援多達 250 個裝置組成的大型網狀網路。Thread 與 Zigbee 的不同之處在於，其使用 6LoWPAN (IPv6 和低功耗 WPAN 的組合)，因此能更直接地與其他裝置和雲端連線，不過需要透過一個稱為邊界路由器的網路邊緣裝置進行連線。(請參閱《短距無線技術的關鍵要素概覽》。)

雖然標準型通訊協定是主流，但自行研發的 2.4 GHz 協定也有利基優勢。這種協定只能連線至配有相同製造商之晶片的裝置，但能進行微調，將功耗、傳輸距離、抗擾性或其他重要的運作參數進行最佳化。IEEE 802.15.4 PHY 和 MAC 完全支援自行研發的 2.4 GHz 無線技術。

這三種短距協定很盛行，加上自行研發的 2.4 GHz 技術可提供靈活性，因此難以挑選一個適當的協定來滿足最多樣的應用。過去，設計人員必須先選擇一種無線技術，假如後來需要使用另一種採用不同協定的技術，就得重新設計產品。但由於協定使用的 PHY 是以類似的架構為基礎，而且在 2.4 GHz 頻譜中運作，許多矽廠商都提供多協定收發器。

藉助這些晶片，只要上傳新的軟體，就能讓單一硬體設計，針對多種協定重新進行配置。更棒的是，產品能隨附多個軟體堆疊，並在微控制器單元 (MCU) 的監測下互相切換。例如，這樣就能在智慧型手機上，先利用 BLE 來配置智慧型家庭恆溫器，然後裝置再切換協定，以便加入到 Thread 網路。

Nordic Semiconductor 的 nRF52840 SoC 可支援 BLE、藍牙網狀網路、Thread、Zigbee、IEEE 802.15.4、ANT+，以及自行研發的 2.4 GHz 堆疊。Nordic SoC 也整合了 Arm® Cortex®-M4 MCU (負責看管 RF 協定和應用軟體)、1 MB 的快閃記憶體及 256 KB 的 RAM。執行 BLE 模式時，SoC 提供的原始數據傳輸量最最高達 2 Mbit/s。在輸出功率為 0 dBm 時 (以 1 mW 為參考值的分貝值)，3 VDC 輸入電源的發射 (TX) 電流消耗量為 5.3 mA，而接收 (RX) 電流消耗量為 6.4 mA，原始數據傳輸率為 1 Mbit/s。nRF52840 的最大發射功率為 +8 dBm，靈敏度為 -96 dBm (BLE，1 Mbit/s 時)。

良好的 RF 設計相當重要

雖然 Nordic nRF52840 等無線 SoC 裝置非常強大，但仍需搭配許多設計技巧，才能發揮最大的 RF 效能。工程師特別需要考慮電源濾波、外部晶體計時電路、天線的設計和擺置等因素，其中最關鍵的就是阻抗匹配。

RF 電路有好有壞，關鍵參數在於阻抗 (Z)。在高頻率下 (例如短距無線電使用的 2.4 GHz)，RF 走線上某一點的阻抗與該走線的特性阻抗有關，其取決於印刷電路板的基板、走線的尺寸、走線與負載的距離，以及負載的阻抗。

結果證實，當負載阻抗 (在發射系統上是天線，接收系統上是收發器 SoC) 等於特性阻抗時，走線上無論和負載距離多遠，阻抗測量值均保持不變。因此，線路損耗會降到最低，發射器則會向天線傳輸最大功率，藉此提高耐用性和傳輸距離。因此，打造匹配的網路，確保 RF 裝置的阻抗等於電路板走線的特性阻抗是很好的設計作法。(請參閱「Bluetooth 4.1, 4.2 and 5 Compatible Bluetooth Low Energy SoCs and Tools Meet IoT Challenges (Part 2)」。)

匹配網路包含一或多個分流電感與串聯電容。設計人員的難題在於選出最理想的網路拓撲和元件值。製造商通常會提供模擬軟體來幫助設計匹配電路，但即使遵循良好的設計規則，電路的 RF 效能也可能令人失望，且傳輸範圍與可靠性皆不足。這導致需要進行更多設計迭代，以修正匹配網路 (圖 2)。

圖 2：Nordic nRF52840 需要使用外部電路才能發揮功能。外部電路包含輸入電壓濾波能力、外部晶體計時的支援，並且連接至 SoC 的天線 (ANT) 引腳，且在 SoC 和天線之間具有阻抗匹配電路。(圖片來源：Nordic Semiconductor)

模組的優點

用離散式元件來設計短距無線電路有幾個優點，最值得注意的是能減少物料清單 (BOM) 成本並節省空間。但是，即使設計人員參照 SoC 供應商提供的多種優秀公版設計，其他因素也可能對 RF 效能造成巨大影響，例如元件的品質和容差、電路板的佈局和基板特性，以及終端裝置的封裝。

另一種作法是倚靠第三方模組來建立無線連線。這些模組是經過完整組裝、最佳化和測試的解決方案，可促成「立即可用」的無線連線。多數情況下，這些模組已通過認證，可用於全球各個市場，因此設計人員無需投入時間和金錢取得 RF 法規認證。

但使用模組有幾個缺點。包括費用較高 (取決於數量)、最終產品的尺寸較大、對單一廠商的依賴 (及其大量出貨的能力)，而且相對於模組採用的 SoC，有時能取用的引腳數較少。但比起這些缺點，如果設計人員更講求簡約設計及更快上市，使用模組就是正確的選擇。

Würth Elektronik 的 Setebos-I 2.4 GHz 無線電模組 2611011024020，即以 Nordic nRF52840 作為產品核心。這款小巧模組尺寸為 12 × 8 × 2 mm，內建天線、能將電磁干擾 (EMI) 降到最低的護蓋，並具備韌體，可支援藍牙 5.1 和自行研發的 2.4 GHz 協定 (圖 3)。如上所述，作為模組核心命脈的 SoC，再添加適當的韌體後，還能支援 Thread 和 Zigbee。

圖 3：Setebos-I 2.4 GHz 無線電模組尺寸小巧，內建天線，並隨附可限制 EMI 的護蓋。(圖片來源：Würth Elektronik)

此模組可接受 1.8 至 3.6 V 輸入電壓，在睡眠模式下，消電量僅 0.4 µA。工作頻率涵蓋工業、科學和醫療 (ISM) 頻段，該頻段以 2.44 GHz (2.402 至 2.480 GHz) 為中心。在輸出功率為 0 dBm 的理想條件下，發射器和接收器之間的視線範圍最長可達 600 m，BLE 最大傳輸量則為 2 Mbit/s。此模組內建四分之一波長 (3.13 cm) 天線，但也能將外部天線連到先前提過的 ANT 模組端子，藉此擴大傳輸範圍 (圖 4)。

圖 4：在 Setebos-I 2.4 GHz 無線電模組中，有一根引腳能讓外接天線 (ANT) 擴大無線電的範圍。(圖片來源：Würth Elektronik)

Setebos-I 無線電模組可透過焊墊取用 nRF52840 SoC 的引腳。表 1 列出各個模組引腳的功能。引腳「B2」至「B6」是可編程的 GPIO，有助於連接感測器，例如溫度、濕度和空氣品質裝置。

表 1：在此顯示 Setebos-I 2.4 GHz 無線電模組的引腳名稱。LED 輸出可用於指示無線電的收發。(圖片來源：Würth Elektronik)

短距無線產品的認證

雖然 2.4 GHz 頻段是一種免執照的頻譜配置，但在此頻段中運作的無線電裝置仍需符合當地的法規，例如美國聯邦通訊委員會 (FCC)、歐洲合規性聲明書 (CE) 或日本 Telecom Engineering Center (TELEC) 制訂的法規。要通過這些法規，必須將產品送交測試與認證，耗時又昂貴。若 RF 產品在測試的任一項目失敗，就必須全部重新送審。若模組將使用藍牙模式，還需要列入藍牙技術聯盟 (SIG) 的藍牙清單中。

模組獲得認證，不代表使用此模組的最終產品就會自動獲得認證。但是，最終產品的認證確實會簡化成文書作業，不必歷經漫長的重新測試，前提是未使用 Wi-Fi 等其他無線裝置。若要列入藍牙清單，過程也差不多如此。通過認證後，使用此模組的產品就可帶有認證標籤，指出 FCC、CE 及其他相關 ID 號碼 (圖 5)。

圖 5：圖中 Setebos-I 模組貼上 ID 標籤，表示已通過 CE 與 FCC 的 RF 認證。最終產品通常只需簡單的文書作業，就能承襲認證資格，無需重新測試。(圖片來源：Würth Elektronik)

模組製造商一般會針對模組的預期銷售區域，努力取得該地的 RF 認證 (若情況允許也會爭取列入藍牙清單)。Würth Elektronik 已為 Setebos-I 無線電模組爭取此認證，但必須搭配原廠韌體使用。藍牙操作方面，此模組經過預先認證，前提是必須搭配 Nordic 的 S140 BLE 原廠堆疊，或其他透過該公司 nRF Connect SDK 軟體開發套件提供的堆疊。

Würth 和 Nordic 推出的韌體穩健可靠，經實證能用於各種應用。但如果設計人員決定利用開放式標準 BLE、自行研發的 2.4 GHz 堆疊，或其他商業供應商提供的堆疊，對模組進行重新編程，就必須針對預期操作的區域，從頭展開認證計畫。

Setebos-I 無線電模組的開發工具

若是進階開發人員，Nordic 的 nRF Connect SDK 提供完善的設計工具，有助於打造 nRF52840 SoC 的應用軟體。nRF Connect for VS Code 擴充程式是推薦使用的整合式開發環境 (IDE)，可用來執行 nRF Connect SDK。也可使用 nRF Connect SDK，將其他的 BLE 或自行研發的 2.4 GHz 協定上傳至 nRF52840。(請參閱上方註釋，瞭解這對模組認證產生的影響。)

nRF Connect SDK 搭配 nRF52840 DK 開發套件使用 (圖 6)。該硬體採用 nRF52840 SoC，並支援原型程式碼的開發與測試。在應用軟體準備就緒後，nRF52840 開發套件就可當作 J-LINK 編程器，透過模組的「SWDCLK」和「SWDIO」引腳，將程式碼移植到 Setebos-I 無線電模組中 nRF52840 的快閃記憶體中。

圖 6：Nordic 的 nRF52840 開發套件可用於開發和測試應用軟體。此開發套件之後能用來對其他 nRF52840 SoC 進行編程，例如 Setebos-I 模組使用的 SoC。(圖片來源：Nordic Semiconductor)

以 Nordic 開發工具打造的應用軟體，可在 nRF52840 的嵌入式 Arm Cortex-M4 MCU 上執行。但是，最終產品可能已配備另一個 MCU，而且開發人員可能想運用該 MCU 來執行應用程式碼並監督無線連線。或者，開發人員可能較熟悉其他熱門主機微處理器的開發工具，例如 STMicroelectronics 的 STM32F429ZIY6TR。該處理器也採用 Arm Cortex-M4 核心。

為了讓外部主機微處理器執行應用軟體並監督 nRF52840 SoC，Würth Elektronik 提供 Wireless Connectivity SDK。這款 SDK 包含一系列軟體工具，能讓該公司的無線模組和許多熱門處理器快速達到軟體整合，包括 STM32F429ZIY6TR 晶片。這款 SDK 由驅動程式和 C 語言的範例組成，並運用底層平台的 UART、SPI 或 USB 周邊裝置，與連接的無線電裝置進行通訊 (圖 7)。開發人員只要將 SDK C 程式碼移植到主機處理器即可。這可大幅縮短針對無線電模組設計軟體介面的時間。

圖 7：Wireless Connectivity SDK 驅動程式能讓開發人員輕鬆利用外部主機微處理器，透過 UART 埠來驅動 Setebos-I 無線電模組。(圖片來源：Würth Elektronik)

Setebos-I 無線電模組使用「命令介面」來執行配置與操作任務。此介面提供多達 30 個命令，能完成許多任務，像是更新多種裝置設定值、傳輸和接收數據，以及讓模組進入多種低功率模式之一。連接的無線電裝置必須在命令模式下執行，才能使用 Wireless Connectivity SDK。

結論

針對連接的產品決定要採用的單一種無線通訊協定並不容易，從頭設計無線電電路的難度甚至會更高。Würth Elektronik 的 Setebos-I 等無線電模組，不僅在通訊協定選擇方面提供靈活性，還提供立即可用的連線解決方案，還可符合許多操作地區的法規要求。Sebetos-1 模組隨附 Würth 的 Wireless Connectivity SDK，能讓開發人員使用自選的主機 MCU，輕鬆快速地控制模組。