双模物联!兆易创新GD32VW553无线MCU助力IoT实现百亿节点

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cathy 发布于:周五, 12/08/2023 - 14:31 ,关键词:

随着全球IoT市场终端节点连接数持续暴增,诸多创新产品和方案不断涌现,比如今年掀起的AI热,便为IoT设备的智能化浪潮再度点燃了一把火。不过万物互联的核心始终是物联网络,端侧AI尤其是GenAI的落地还有很长的一段路要走,反而是借助云端算力实现的智能化更能先一步满足用户的需求,通过IoT网络接入云端网络因此成为首选方案。更快、更便捷的入网组网方式,依然是IoT产品长久的追求,尤其是摆脱线材束缚的无线IoT网络。

Wi-Fi、蓝牙仍是物联网连接数主力增长点

作为无线通信网络核心组件的通信芯片,无线MCU起到了推动物联网连接数增长的关键作用,诸如5G、Wi-Fi、蓝牙和UWB芯片等,也都在各自适用的领域不断推陈出新。以Wi-Fi为例,Wi-Fi 6已经逐渐替代Wi-Fi 4成为主流。根据Wi-Fi联盟2022年公开的数据,其市场份额在面世三年后就超过了50%,其主要应用分布在智能家居/家电、工业控制等有线电源供电的设备上;蓝牙BLE协议升级至5.2、5.3版本,常用于电池供电的设备上,诸如可穿戴设备等。相比仅支持单一无线技术的无线MCU,基于通用标准的多协议栈无线MCU更受市场青睐。

根据Mordor Intelligence 预计,全球智能家居市场预计将从 2021年的791.3亿美元增长至 2027 年的 3139.5 亿美元,维持25.3%的年复合增长率。全球可穿戴市场规模更是将从2023年的1864.8亿美元增长至2028年的4194.4亿美元,维持17.6%的年复合增长率。推动这两大市场实现可观增长的因素包括互联网用户的数量增加、智能设备的普及以及全新无线通信技术的兴起等。

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从IDC预测的数据来看,2022年中国物联网连接数规模已达56亿个,预计2026年将增加至102.5亿个,年复合增长率高达18%。从已统计的连接方式的占比来看,排名最靠前的是固网和Wi-Fi、蜂窝网络以及低功耗连接。其中Wi-Fi在智能家居、工厂等稳定环境持续发挥主要连接能力,蓝牙之类的低功耗连接则依靠可穿戴设备上继续大量出货,IDC预计智能家居加可穿戴设备的物联网连接数将于2026年达到59.8亿个。正因为IoT设备上量迅速,借助单一无线前端模块的方式需要更多的开发成本,无线MCU就成了IoT设备快速部署无线连接的首选。

RISC-V核心成为无线MCU新宠

根据Precedence Research统计,32位MCU贡献了2022年主要的MCU市场份额,占比高达41%,预计未来十年以11.7%的年复合增长率继续扩张。至于在内核的选择上,除了传统的Arm核心和自研核心,基于RISC-V架构打造的产品也以迅雷不及掩耳之势席卷了无线MCU市场。

以兆易创新为例,作为国内32位MCU产品的领军厂商,兆易创新旗下产品以基于ARM Cortex-M系列内核的MCU为主。但早在2019年,兆易创新就实现了全球首家推出并量产基于RISC-V内核32位通用MCU产品GD32VF103系列。GD32V作为兆易创新旗下的RISC-V MCU产品线,首发产品GD32VF103凭借先进的处理器微架构,在提供高性能的同时兼具低功耗,并且能够跟已有的GD32 Arm内核MCU兼容,令跨内核的移植体验更加自如,引起了业界的广泛兴趣,典型应用于工业控制、传感器网络、智能硬件等市场。

面对客户日益增长的无线连接需求,兆易创新持续布局GD32W系列无线MCU产品线。2021年以首发产品GD32W515系列正式进军无线IoT市场。2023年10月,兆易创新融合了RISC-V和射频领域积累的设计经验,推出了GD32VW553这一支持Wi-Fi 6和蓝牙5.2的无线双模MCU。

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GD32VW553可以发挥开源架构的灵活设计和成本优势,其RISC-V内核性能对标Arm Cortex-M4,主频高达160MHz。还集成了高级DSP硬件加速器、双精度浮点单元FPU与指令扩展接口等资源。搭配高达4MB Flash和320KB SRAM,GD32VW553能为复杂的AIoT应用提供计算性能和开发自由度。

在射频设计上,GD32VW553集成了2.4GHz的Wi-Fi 6射频模块,采用IEEE 802.11ax标准并向下兼容IEEE 802.11b/g/n标准,支持OFDMA和MU-MIMO等Wi-Fi特性。GD32VW553的Wi-Fi 6传输数据率相比Wi-Fi 4提高了60%,即便是在高密度的设备接入下也能实现高效率低延迟的通信。蓝牙方面,GD32VW553片上还集成了BLE 5.2射频模块辅助配网,不仅支持2Mbps的高速数据模式,也兼容125K/500Kbps多种速率,辅助轻松建立起局域网络连接。

GD32VW553在维持优异射频性能和高处理性能的同时,依旧保证了芯片的低功耗。这都得益于出色的微架构设计,实现了极佳的能效比。不仅如此,GD32VW553还能够灵活地调度设备休眠和唤醒时间,针对电池续航且需要长续航的IoT设备和智能硬件而言,有效提高了节能效率。

1、开启智慧家电下一轮升级

对于已经开始换代升级进程的智慧家电来说,除了需要优异的射频性能外,也需要具备一定的边缘处理性能,比如冰箱、洗衣机和空调等大型白电。过去的白电只需要实现简单的无线收发,所以简单的8位MCU即可满足设计需求。

面对日益复杂的通信协议、实时交互性和大数据量的落地场景,比如Wi-Fi与蓝牙双模无线通信,往往就会用到性能较高的32位无线MCU。基于持续优化的处理器微架构,GD32VW553提供了动态分支预测、指令预取缓冲区和I-Cache等特性。

通过4MB Flash、320KB SRAM以及32KB可配置I-Cache,GD32VW553的CPU处理效率得到了大幅提升。更重要的是,不少白电选择了无线与有线结合的设计,在支持远程遥控的同时,也支持有线控制,比如空调控制面板和物理按键等。GD32VW553配置了丰富的通用有线借口,包含3个U(S)ART、2个I2C、1个SPI和1个四线制QSPI,以及多达29个可编程GPIO管脚,足以满足白电产品的有线接入设计需求。

在保证智慧家电产品功能丰富兼备优异连接性的同时,如何降低产品的待机功耗以及工作功耗也是设计中必须关注的问题。低功耗正是GD32VW553设计之初最注重的问题之一,其电源管理单元提供了六种省电模式,包括睡眠模式、深度睡眠模式、待机模式、SRAM睡眠模式、Wi-Fi睡眠模式和BLE睡眠模式,应用开发者可以灵活配置省电模式,从而显著降低电源能耗。

2、智能家居所需的双模射频性能

对于任何局域无线通信技术而言,智能家居都是极具挑战的复杂场景之一。如今单个家庭拥有的智能设备数量急剧增加,且这些设备往往都具备一定的无线通信能力。与此同时,支持Wi-Fi+蓝牙的双模芯片正在逐渐普及,其不仅赋予了终端产品实现无线连接的灵活性,也优化了终端产品的配网体验。尤其是在智能家居领域。用户通过智能手机与设备蓝牙互联,就能实现Wi-Fi配网,为智能终端省去了交互面板,有助于实现设备的小型化和无感化连接。

Wi-Fi+蓝牙双模的设计也为智能家居设备提供无线连接的稳定性,尤其是在智能家居上云成为趋势的当下。即便智能家居云端服务器出现问题、家庭网络断开或Wi-Fi断联的情况下,用户依然可以通过蓝牙连接控制设备。

由于Wi-Fi与蓝牙多数情况都工作在2.4GHz频段,在设备数量众多的情况下很容易产生信号干扰,也对无线MCU的射频性能和抗干扰能力提出了更大的挑战。因此,兆易创新为GD32VW553加入了支持数据传输仲裁(PTA)机制来实现Wi-Fi与蓝牙的无线共存,这样就大幅降低了Wi-Fi与蓝牙产生的同频干扰,同时确保两种无线信号的接受稳定性。

从根据蓝牙SIG的数据库来看,GD32VW553已经完成了BLE 5.3的认证。除了对Wi-Fi和蓝牙的支持外,GD32VW553也加入了对Matter的支持,进一步提升智能家居系统的兼容性和互操作性。

随着各大智能家居设备、平台厂商以及智能手机厂商的跟进,今年可以说是Matter设备开始腾飞的一年。根据ABI Research的预测,到2030年,Matter设备的出货量将达到55亿台。在行业趋势下,智能家居设备OEM纷纷开启了新一轮的产品迭代,无线MCU对Matter的支持可以有效缩短Matter产品的开发周期。

为此,GD32VW553也符合国际组织连接标准联盟(CSA)开发的Matter over Wi-Fi应用标准,基于GD32VW553打造的Matter设备可以做到无缝互联。不仅如此,随着Matter规范更新至1.2版本,支持的设备也已经扩展到了空调、冰箱、洗碗机、洗衣机等白电,未来随着协议的继续更新,必将覆盖所有智能家居设备。

3、追求安全可靠性的工业IoT

随着工业4.0的发展,工业AIoT、工业数字孪生等新型应用场景也都逐渐浮现出来,这些应用往往都需要更快更稳定的网络传输。与此同时,为了补全传统设备与工业基础设施与机器学习、边缘计算等新技术的差异,连接技术的革新首当其冲。无线设备在工业场景中的数量也在逐年倍增,智能全无线已经成了不少新落成工厂的目标。根据HMS统计,2023年工业网络市场增长最快的就是无线网络,年增长率高达到22%,占比最高的正是WLAN和蓝牙。

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而工业场景新增的IoT连接终端,也不再全是电源供电的固定设备。在诸如工业相机、AGV、手持终端等移动设备上,工业无线网络的稳定性、安全性才是重中之重。

在GD32VW553支持的多种附加功能中,就具备高动态范围自动增益控制(AGC),根据信号大小来自动调整增益,从而为工业场景中不同的无线信号传输负载增强信号质量。如此一来无论是AGV的控制信号,还是手持终端的识别信号,都能保证以最大动态范围传输。

由于无线传输的广播特性,窃听攻击和干扰相较其他通信方式而言更容易实现。在工业OT与IT网络的当下,一旦终端出现漏洞,整个云管理平台下的所有设备都会暴露在攻击面下。为此,工业无线通信芯片必须从物理和协议层面都杜绝攻击的发生。

得益于对Wi-Fi 6的支持,GD32VW553可以充分利用针对个人和企业网络的WPA3加密技术,对工业Wi-Fi网络的访问做到完备的保护。其次,GD32VW553也支持DES、三重DES、AES和哈希算法的硬件加解密,也可通过集成的公钥加密处理器(PKCAU)完成公钥加解密。针对运行环境更加复杂且需要安全可靠性的工业场景,比如高温环境下的工业照明和插座面板等,兆易创新也提供了GD32VW553的宽温型号(-40℃~105℃)供客户选择。

4、无线模组厂商的跟进

对于无线芯片厂商来说,无线模组生态的构建同样非常重要。无线模组将无线芯片、天线、处理器、存储器和接口等部件集成在同一个小型设备内,可以方便地直接嵌入到各种系统或设备中,从而实现产品的无线连接。

自兆易创新推出Wi-Fi MCU不久后,国内模组厂商已经迅速跟进,诸如欧智通、威尔健、微喇智能等厂商均发布了基于兆易创新无线MCU的无线模组产品。此次发布的GD32VW553也不例外,微喇智能使用该MCU设计的Wi-Fi 6+BLE 5.2双模无线模组WKV553-A已经迅速上架。

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该模组以GD32VW553HMQ7作为主控,在尽可能节省产品PCB空间的同时,兼具了GD32VW553各种优势特性,将芯片所有可用IO拉出,充分保证了MCU发挥全部处理性能,也保证了射频信号的最优。

无线模组可用于各种物联网设备和嵌入式系统中,比如智能家居产品、智慧城市解决方案、智能工业设备和汽车电子等。在高速率和低延时的射频性能下,该Wi-Fi+BLE无线模组可用于传输传感器数据,实现实时监测和数据采集。凭借小型化、低功耗和高集成度的优势,有效降低了物联网设备的开发难度,推动了智能网联技术的发展。

GD32VW553作为兆易创新在RISC-V和无线IoT两大领域深厚技术积累的结晶,凭借出色的边缘处理和连接特性,在12月量产供货后,势必会给IoT市场带来一个新的低开发预算选择。在IoT产品迅速迭代落地的当下,借助双模无线芯片缩短开发周期,实现最快的TTM速度,也会给设备厂商带来额外的竞争优势。

来源:GD32MCU

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