碎片化物联网如何快速导入无线连接？

家庭物联网是近两年来的一个非常热的话题。这其中的一个很明显的趋势是，无线连接已经变成一个跨行业的应用——它已经从手机等消费类应用横跨到多领域产品中。因此，很多的初创企业投身到家庭物联网产品的研发设计当中。然而，家庭物联网等新兴产业连接技术众多，产品设计没有范式可循。这些初创企业怎样才能将无线连接快速导入到产品设计？

图1：博通公司无线连接业务产品营销总监孔海泉（右）
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博通公司无线连接业务产品营销总监孔海泉向记者介绍说，家庭自动化从灯到家电等的控制都可以通过无线方式来实现。除了在家庭和办公场所以外，很多会花很多时间在堵车上。因此，汽车行业对安全性及实时通信提出了要求，包括智能汽车网络连接的要求。可穿戴设备也是火了很久的一个范畴，从手环、指环到手表等。 这些产品已经变得越来越贴近我们的日常生活。除此之外，在医疗、工业和其他新兴领域也都有越来越多无线连接的需求。这些领域对无线连接规范、兼容性和包括功耗在内的很多技术规范都提出了不同的要求。比如，在工业控制领域，无人机是一个非常重要的应用案例。这类产品对WiFi的要求和以往任何一类产品都不一样——它要求覆盖范围（连接范围）达到2km甚至以上，同时还要保证高速的连接。这不仅仅是增加一个射频器件就可以解决。此外，在保证性能的同时，还要对功耗有很好的考量。除了WiFi以外，还要保证控制信道和数据信道的多信道可靠性，因此从发射端到接收端有非常多的要求。 据孔海泉介绍，无线连接已经是横跨多个市场、多个领域的基本要求，目前的主要标准包括HomeKit、Android Wear、HealthKit、Google Fit和Apple CarPlay等。这些标准正在迅速地向前推动，而所有这些技术标准，博通都有专门的技术组和市场、产品研发人员在跟进。

图2：无线连接的主要标准
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博通针对HomeKit推出了WICED解决方案（wireless internet connectivity for embedded devices，无线连接的嵌入式解决方案）。“WICED方案从医疗到家庭/厨房（包括温湿度、空气清新产品），小到智能水杯、大到冰箱、空调等，都有客户使用。而随着越来越多的产品投放市场，我们也看到了一些问题。”孔海泉表示。 无线互联需要攻克四大难关 无线互联产品种类众多，用户使用习惯千差万别，但其中最重要的一点是互操作性（连接性、互通性或兼容性）。从技术标准组织到芯片厂家、到ODM厂家，大家的一个共识是，互通性是保证一个产品在用户层面能够快速推广的最重要的因素。在这个方面，就需要做到安全和认证。

图3：无线互联需要攻克的四大难关
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当应用性得到解决的时候，安全性就变成了一个很重要的问题。解决安全性有很多方法，比如采用安全芯片，采用加密方法，采用云身份认证。“今天我们不仅是在芯片方面，还在基带、数字和设备方面有做很多安全性的工作。”孔海泉表示，“我们在我们的无线整体性的解决方案里面，已经配合我们的合作厂家、云的厂家以及技术专门组织，把他们安全性的产品设计实现在我们的各个环节。比如，在智能灯里，蓝牙SIG在4.2标准中就有针对安全性的专门要求。我们不仅要在芯片上支持BT 4.2，还要在业务层面、在IP stack之上增加安全性的认证。这点当然是我们和合作厂家一起配合实现的。” 第三，多设备要做到互联互通，因此，无缝连接（或者说设备间的切换）是非常重要的一点。“在无缝连接方面，我们要保证软硬件的集成度非常好。比如，智能电视（包括盒子）的遥控器现在都由红外变成了蓝牙，在增加蓝牙的时候，你不能改变用户的使用习惯——用户在按遥控器时，它需要立马有反应。但是，蓝牙当中有睡眠唤醒机制，而且，电视在关闭时，功耗不能超过某个特定指标。这时，它的WiFi可以关闭，但是蓝牙不能关闭，因为蓝牙关闭，它就无法继续联系了。这就提出了一个基本要求：如何能在电视关闭的同时保持蓝牙连接，同时，在用户操作遥控器时能够快速连接。在这其中，博通做了大量的工作，我们有一个新的技术叫做wake on wireless（无线唤醒，WoW）。这个技术在现在很多的无线互联，特别是要对很多设备进行控制的时候，它就提出了一个很挑战性的问题：你如何能够让它在低功耗的情况下保持连接方式？”孔海泉谈道。 把以上几点都解决后，就需要把概念做成产品。“移动互联产业实际上还处在摸索的阶段，包括‘需求是什么，怎样将产品快速导入’这些问题，没有人能告诉它应该是什么样子。”孔海泉指出，“这个市场非常的碎片化、多元化。那么，我们怎么才能让我们的产品设计去适应这么多的定制化需求？这就需要提供完整的参考设计，从而使产品能够从原型设计快速上市，让解决方案快速地变成最终产品。博通综合了其合作厂家，包括芯片合作厂家、云服务合作厂家、甚至是制造厂家，来打造完整的参考设计。” 【分页导航】 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 {pagination} 联网不再只是通信巨头们的优势 博通的连接解决方案涵盖三大特点：完整、预集成和预测试。第一，完整性。它指的是，博通不只是在推单一芯片的解决方案——博通会配合其他厂家，如MCU厂家、传感器厂家和软件厂家，将整个系统的搭建做到功耗、成本、面积等各个技术关键点都非常好。“我们现在光是有硬件是不行的，硬件只有配合软件才能完整起来。所有移动互联产品都有一个特性，除了端以外，它还要具备和云之间的结合，具备智能性。因此，在软件上，我们不只是在SDK上把功能（WiFi、蓝牙、HomeKit等技术标准）完善进去，我们跟国内外的很多云合作伙伴（像腾讯、百度、360和京东等）都有配合。我们把他们对业务云要求的接口都预置到开发组件里。这样，当我们的设计公司、下游的制造厂家去开发他们产品的时候，他们完全不用去做相关的debug。”孔海泉表示。 第二，预集成，即整合。QQ物联里有很多的标准化。在腾讯官方网站上列出了很多合格供应商。这其中有很多的WiFi和蓝牙解决方案，都是基于这个概念实现的。 第三，预测试。现在，做家庭互联的公司除了像华为、中兴等传统的通信行业巨头外，更多的公司是初创的小公司。这些公司的特点是他们有非常好的想法和非常高的热情，但是他们对一些技术标准组织并不熟悉，甚至于其公司规模也不足以使之成为标准组织的成员。这样，产品就需要做预测试，把标准组织的标准化测试和规范认证在产品的前期准备阶段完成。“这就像WiFi一样，任何一个WiFi芯片在投放市场时，其对WiFi联盟的所有测试规范都已经完成了。”孔海泉介绍道，“现在的产品提出了更多的要求，包括业务方面的要求和规范的要求。而这就是预测试所要做的工作。” “今天所有产品的智能化和产业的推动都是离不开这些环节，我们要做的是缩短整个产品的开发周期，让它更贴近客户的需求。”孔海泉强调。 物联网需要Turn-key多接入解决方案 连接技术多种多样，有的是相互竞争的，有的是互相补充的。“针对物联网的应用并不是单一的，我们想要提供给客户的是完整的Turn-key多接入解决方案。”孔海泉表示。

图4：物联网应用的各种可用连接技术
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有线连接应用方便，但是会面临空间大小、有线入口和成本等的要求。无线连接在不同领域有不同规范要求，因此首先要解决端的问题。以可穿戴产品为代表，这类跟人的结合的近距离通信产品都有一个非常明显特征，即要求低功耗。因此，博通就这些产品做了非常多的、从芯片设计、工艺到优化、功耗、不同平台的配合和无线唤醒等都做了整合。 除了可穿戴产品的功耗外，另一个方面是面积和集成度。小尺寸产品设计要求精简主控芯片和内存，并具备一定的灵活性。 物联网的另一特性是物联结构。在室内，设备与设备之间或人与设备之间有墙的阻挡。由于中国房屋多为砖墙且空间小，物联网产品就提出了覆盖范围的要求。因此，WiFi成为了一个很好的解决方案。但是产品在WiFi、蓝牙设计以后，需要解决接入的问题。这些产品需要对接到另外一个形态多种多样的产品，因此要解决整个功耗、尺寸、覆盖范围以及网络互联的问题，这就对设备提出了多设备同时连接的要求，在设计中就要考虑无线干扰、连接可靠性等问题。博通的蓝牙方案从手持式、支持语音数据的传输演变成消费类/穿戴式的无线连接，例如游戏手柄、鼠标和3D眼镜等。在可穿戴产品设计上，蓝牙具有低功耗和多设备的特性，最高支持3M速率，成本也最有竞争优势。因此，蓝牙的应用领域已经变得非常广。 蓝牙4.2在智能手机中的应用已经上市，应用于可穿戴产品的4.2芯片会于第四季度上市。博通累计的芯片发货量13年已经超过20亿，究其原因，兼容性是很重要的因素。除此以外，如何在越来越多的共存或者无线干扰中保证本身性是一个关键的技术点。据孔海泉介绍，博通针对这一问题在所有的无线产品中都做了专门的开发：一、无线唤醒，在多设备干扰的环境下保持连接；二、在设备或系统层要断电或者要进入低功耗状态时，WiFi或者蓝牙保持连接。首先，博通的蓝牙SoC方案在路由器、手机、平板上的产品中都有一整套端到端的无线连接。其次，在很多2.4G设备共存的前提下，除了用蓝牙本身的调频机制来解决互绕问题以外，博通在WiFi和蓝牙上都有一些更好的抗干扰设计，包括多天线的芯片设计，博通都有自己的算法，且一直处于领先地位。 【分页导航】 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 {pagination} WICED满足多元化物联网应用需求 博通的整体家庭物联解决方案WICED包括三个部分：一、WICED WiFi，即对功率和宽带有要求的、专门针对WiFi的解决方案；二、WICED Smart，即蓝牙低功耗；三、WiFi解决方案在融合了蓝牙和WiFi的情况下即WICED SmartBridge。

图5：WICED整体家庭物联解决方案满足多元化的需求
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博通WICED方案已经实现了家庭的应用——通过WiFi、蓝牙、NFC等无线技术对家庭的娱乐活动、安全、日常生活实现语音、音频以及烟雾的控制。除此以外，监控市场也已经从警用行业的应用逐渐渗透到家庭解决方案当中。 “概括来说，博通WICED方案的特点是：第一，高度定制化，通过与合作厂家的配合，搭建软件和硬件的基础型架构，但是芯片在硬件上提供更多的CP和资源，提供更多的内存以供使用，以此来保证灵活性；第二，应用包含了现在整个家庭或整个跨行业应用的多方面，安全、自动化、连接，包括多种方式的控制或者连接性的要求；第三，WICED SmartBridge对于很多设备来说需要多种接入。蓝牙、WiFi、红外等原有的产品接入到家庭物联网都需要很多技术，例如蓝牙的自主网概念等。对于这些，博通的WICED SmartBridge的方案可以实现与互联网/云端的对接。该方案在远程云的控制和远程教育等方面都已投入使用。”孔海泉最后表示。 【分页导航】 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载