北欧Nordic的蓝牙产品在超低功耗无线通信领域的应用

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Nordic一直专注在超低功耗无线（ULP Wireless）通信领域，最开始Nordic公司做的是低功耗的2.4G，该协议被无线鼠标和键盘广泛采用，获得了巨大的成功。经过多方和多年的努力，该协议最终演变为大家熟知的低功耗蓝牙，所以说Nordic是低功耗蓝牙协议的重要贡献者。Nordic举全公司之力，深耕低功耗蓝牙领域，为用户打造低功耗蓝牙整体解决方案，大大降低了低功耗蓝牙的开发门槛，可以说，低功耗蓝牙这么流行和成功，Nordic是做了非常多的贡献。Nordic一直引领低功耗蓝牙的发展，始终占据低功耗蓝牙市场份额第一的位置，为用户不断扩充和精进自己的解决方案。

低功耗蓝牙主要应用场景为一对一或者一对多短距离无线通信场合，随着物联网时代的到来，更多的低功耗无线通信场景被发掘。比如智能家居，这是一个典型的低功耗多对多通信场景，即mesh组网应用，而802.15.4目前在智能家居市场占据了一个主导位置，其与低功耗蓝牙有很强的互补性，而且802.15.4对低功耗要求也是很高的，而低功耗无线正式Nordic一贯的优势和战略，所以Nordic公司进入了802.15.4领域。基于802.15.4，Nordic推出了Thread和ZigBee两种解决方案。Thread支持IPv6，具有自动恢复、高可靠性、低延时等特点，是智能家居理想的解决方案之一。ZigBee是一种典型的Mesh解决方案，技术成熟，市场接受度高，生态系统也比较齐全。

低功耗蓝牙和802.15.4都是低功耗短距离无线通信协议，物联网应用还有很多低功耗长距离无线通信需求，比如共享单车，水表燃气表，智慧城市管理，物流追踪等，目前看起来，低功耗蜂窝物联网将成为这些市场的主流解决方案。蜂窝物联网包括NB-IoT和eMTC两种协议，主打长电池续航时间，有很高的低功耗要求，符合Nordic一贯的优势和战略，所以Nordic公司又进入了NB-IoT和eMTC领域。NB-IoT和eMTC，两者各有所长，NB-IoT更专注在少量数据通信，静态部署，更低功耗的应用场合，而eMTC的优势则在于高通信速率，可移动性，以及空中升级。

目前市场上的确存在这三种解决方案：无线SoC方案，无线connectivity或者transceiver方案，以及模块方案。Connectivity方案需要两颗芯片：一颗主MCU用来运行应用和上层协议栈，一颗transceiver芯片用来进行无线通信，所以成本会比较高。由于两颗芯片之间需要通信，所以功耗也会比较高。Connectivity方案的好处是标准化，主MCU和transceiver之间遵守标准的通信协议，所以主MCU和transceiver两者的可替换性就比较强，像手机一般都是采用这种方案。SoC方案则是将整个协议栈都放在同一颗芯片里面，而且有可能整个应用也是放在这颗芯片里面，所以它的成本就比较低，目前大部分低功耗蓝牙厂商都在主推这种方案，比如Nordic自己。与connectivity方案不同，SoC方案里面的协议栈一般都是每家芯片商自己开发或者委托第三方开发的，所以芯片商的开发能力对产品品质影响很大。做得比较好的芯片商，SoC方案功耗可以做得很低。由于芯片商对整个协议栈负责，所以可靠性，认证和后期维护都能得到很好的保证。确切说，无线解决方案在芯片层面只有上面2种：SoC方案和connectivity方案。但是一颗芯片要工作起来，必须要有外围电路，很多客户对此不是很擅长，所以模块方案就应运而生了。Connectivity方案和SoC方案一般由芯片商直接提供，而模块方案由模块商或者方案商来提供。模块是一个最小的可工作无线系统，整合了芯片及其必要外围电路。有些研发能力比较强的模块商，还会提供增值服务，即不仅提供硬件的模块给到客户，同时还会对原始芯片商的SDK进行二次开发，以更精准地满足客户需求。模块方案的好处是节省客户开发时间，帮助客户快速量产，其不好的地方是增加客户成本，方案的可扩展性和灵活性不够高。

说到创新解决方案，第一要提的就是Nordic公司的低功耗，Nordic公司的SoC是全Flash制程（Flash制程好处是方便开发和维护，但是它的功耗会比较高），即便如此，Nordic公司的功耗也是业界最低的。比如，在每1秒收发一包数据的低功耗蓝牙连接通信条件下，Nordic公司的平均功耗只有6uA左右，可以说非常的低。

第二个要提的创新点是：SDK的先进性和灵活性。Nordic公司友商的SDK要不只能裸跑，要不一定要跑在一个特定的实时操作系统（RTOS）上，而且限制了客户的开发环境，比如只能采用Windows系统来开发，比如只能使用自己的IDE。而Nordic SDK既可以裸跑，也可以加载市场上各种流行的RTOS，比如FreeRTOS，Zephyr，AliOS-things，mBed等，并且跨平台，同时支持Windows/Mac/Linux系统，支持Keil/IAR/GCC/Segger embedded studio等多种IDE。

第三个要提的创新点是：提供全套固件升级方案。Nordic不仅提供设备端SDK以帮助客户实现固件空中升级或者串口升级，同时提供手机app端SDK以帮助客户快速完成手机端软件的开发。Nordic公司提出了签名固件升级方案，通过非对称密钥算法对新固件进行验签，以保证升级的安全性。Nordic公司还提出了协议栈和应用单独升级方案，以加快升级速度，增加升级的灵活性。

第四个要提的创新点是：协议栈的先进性和高可靠性。Nordic的BLE协议栈同时支持主从角色，而且最多可以同时支持20路连接，每个连接的连接参数还可以灵活配置，比如主从模式选择，高速和低速选择，蓝牙5和蓝牙4选择，长距离和短距离选择，这些都是友商无法达到和企及的。

最后要提的创新点就是多协议动态共存。一颗SoC同时支持低功耗蓝牙和802.15.4已经慢慢成为市场趋势和主流了，但是大部分同行只能做到静态共存，即要不工作在低功耗蓝牙模式，要不工作在802.15.4模式。Nordic则可以做到动态共存，即设备同时处于低功耗蓝牙连接模式和802.15.4自组网模式。动态共存一个比较好的应用例子是，手机app通过蓝牙直接就可以实时控制Zigbee网络里面的灯，这在以前都是不敢想象的。

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