|
物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)分為短距離無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)和低功耗無(wú)線(xiàn)廣域網(wǎng) (LPWAN) 兩大類(lèi)，藍牙、Wi-Fi、ZigBee等屬于短距離無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)，LPWAN主要用于遠距離、低帶寬、低功耗、大量連接需求的物聯(lián)網(wǎng)應用場(chǎng)景，近幾年在市場(chǎng)上風(fēng)生水起的LoRa就是LPWAN中最具代表性的技術(shù)。 我們知道，物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 是一個(gè)始于連通，在應用上具有廣泛多樣性的領(lǐng)域。因此，在設計過(guò)程中很難找到一個(gè)一刀切的無(wú)線(xiàn)通信解決方案。為了幫助大家在工作中快速尋找到符合特定項目需求的最佳無(wú)線(xiàn)連接方案，本文將對IoT中應用最廣泛的6種無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)逐一進(jìn)行梳理。 六種最常見(jiàn)的物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線(xiàn)技術(shù) 物聯(lián)網(wǎng)部署通常包括多種技術(shù)，每種技術(shù)在各種網(wǎng)絡(luò )標準中都有其優(yōu)缺點(diǎn)，選用時(shí)必須綜合考慮。比如，藍牙常被用于可穿戴和車(chē)載設備，Wi-Fi則主要用于數據傳輸和設備控制，企業(yè)應用通常是Wi-Fi、Zigbee和藍牙等多個(gè)無(wú)線(xiàn)技術(shù)的組合。 
圖1：不同的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)對應的物聯(lián)網(wǎng)應用場(chǎng)景 (圖源：Semtech) #01 LPWAN LPWAN通過(guò)使用小型廉價(jià)電池可提供長(cháng)達數年的遠程無(wú)線(xiàn)通信，該技術(shù)專(zhuān)門(mén)用于支持遍布工業(yè)和商業(yè)校園的大規模物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )，為那些無(wú)需頻繁數據傳輸，且低速和低移動(dòng)性的設備 (如IoT傳感器) 提供連接。在保持低功耗情況下，LPWAN可為數千個(gè)傳感器在廣域范圍內通信，在消耗品監控、環(huán)境監控、占用檢測和資產(chǎn)跟蹤等領(lǐng)域有著(zhù)廣泛應用。 LPWAN中包含多種無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)和標準。在需要授權許可頻譜中運行的LPWAN技術(shù)有： · LTE-M · NB-IoT 無(wú)授權許可的LPWAN技術(shù)則是： · LoRa · Sigfox 目前，LoRaWAN和NB-IoT已顯示出強勁的應用勢頭，有望在未來(lái)幾年獲得LPWAN市場(chǎng)較大的份額。 LPWAN中包含多種無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)和標準。在需要授權許可頻譜中運行的LPWAN技術(shù)有LTE-M和NB-IoT，LoRa、Sigfox等則屬于無(wú)授權許可的LPWAN技術(shù)。目前，LoRaWAN和NB-IoT已顯示出強勁的應用勢頭，有望在未來(lái)幾年獲得LPWAN市場(chǎng)較大的份額。 與LTE一樣，NB-IoT在上行鏈路中使用頻分多址 (FDMA) ，在下行鏈路中使用正交FDMA (OFDMA) 以及正交相移鍵控 (QPSK) 調制。NB-IoT在許可頻譜上沒(méi)有占空比限制，但其代價(jià)是相對于LoRaWAN的更高總擁有成本 (TCO) 。另外，作為一種同步協(xié)議，NB-IoT比LoRaWAN能耗要大得多。那些需要頻繁通信的IoT應用可以選擇NB-IoT，比如，連接遠程環(huán)境傳感器，以測量不同的天氣要素，如壓力、濕度、風(fēng)速、溫度等。 據Counterpoint發(fā)布的統計報告，在全球NB-IoT模組所采用的芯片解決方案中，高通穩居市場(chǎng)第一，占有約一半的市場(chǎng)份額；出貨量排名第二的是華為海思，紫光展銳位居第三。以華為海思NB-IoT芯片Boudica 200為例，該產(chǎn)品于2020年在個(gè)人穿戴、資產(chǎn)跟蹤和工業(yè)檢測等領(lǐng)域實(shí)現原型應用。 2021年，移遠通信正式推出其第三代5G NB-IoT系列模組BC95-CNV和BC28-CNV，兩款模組均基于海思Boudica 200平臺，同時(shí)增加了藍牙、OpenCPU、GNSS定位等能力，模組的集成度、性?xún)r(jià)比和安全性得到大幅提升，為智能表計、煙感、智能停車(chē)、智慧路燈等百萬(wàn)級成熟NB-IoT應用提供了更優(yōu)選擇。
圖2：移遠通信第三代5G NB-IoT系列模組BC95-CNV和BC28-CNV (圖源：Quectel) LoRa是在物理層中使用的調制技術(shù)，通過(guò)使用CSS調制實(shí)現遠程低功率通信，擁有很強的抗干擾能力和低信噪比水平。LoRaWAN與藍牙類(lèi)似，但它為小數據包提供了更長(cháng)的傳輸范圍，并且功耗較低。根據LoRa聯(lián)盟的數據，截至2019年4月，全球55個(gè)國家已經(jīng)建立了113個(gè)LoRaWAN網(wǎng)絡(luò )，而NB-IoT網(wǎng)絡(luò )約為90個(gè)。在天然氣、水設施以及智能電表等公用事業(yè)，LoRaWAN的市場(chǎng)表現最為突出。根據ABI的調研，中國是智能表計項目中LoRaWAN的早期采用者，約占全球2018年出貨芯片的65%。 最近，LoRaWAN被國際電信聯(lián)盟 (ITU) 正式批準成為L(cháng)PWAN的通信標準。同期，LoRa聯(lián)盟給出的最新數據表明，截至2021年12月，全球已經(jīng)部署了270多萬(wàn)個(gè)基于LoRa的網(wǎng)關(guān)，基于LoRa的終端節點(diǎn)累計超過(guò)2.8億個(gè)。預計到2026年，50%的LPWAN物聯(lián)網(wǎng)解決方案將會(huì )使用LoRa方案。隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)的不斷發(fā)展，LoRaWAN和NB-IoT這兩個(gè)無(wú)線(xiàn)通信方案，將通過(guò)在一些垂直市場(chǎng)上的競爭，并根據各種物聯(lián)網(wǎng)使用案例的成本、覆蓋率和帶寬要求在其他垂直市場(chǎng)上實(shí)現互補，并在市場(chǎng)上共存。 Semtech是LoRa聯(lián)盟的主要創(chuàng )始成員，其LoRa產(chǎn)品線(xiàn)包括網(wǎng)關(guān)、收發(fā)器、接收器和發(fā)射器，涵蓋從低kHz到2.4GHz的工業(yè)、科學(xué)和醫療 (ISM) 頻段的無(wú)線(xiàn)電頻譜。采用Semtech專(zhuān)利調制技術(shù)的LoRa產(chǎn)品SX1276/77/78/79擁有-148dBm的高靈敏度，將超高靈敏度與集成的+20dBm功率放大器相結合，產(chǎn)生了行業(yè)領(lǐng)先的鏈路預算，使得這一產(chǎn)品系列成為穩健性應用的最佳選擇。目前，這些產(chǎn)品已用于自動(dòng)讀表、家庭和樓宇自動(dòng)化、無(wú)線(xiàn)警報和安全系統、工業(yè)監控、遠距離灌溉系統等諸多領(lǐng)域。
圖3：Semtech的SX127X系列產(chǎn)品正在成為自動(dòng)讀表、無(wú)線(xiàn)警報、工業(yè)監控等領(lǐng)域無(wú)線(xiàn)通信方案的優(yōu)選 (圖源：Semtech) #02 藍牙和藍牙低功耗 (BLE) 藍牙是一種短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，它最初是為無(wú)線(xiàn)耳機設計的，但后來(lái)擴展到視頻游戲控制器、打印機、揚聲器等應用。目前有兩種藍牙版本，即經(jīng)典藍牙和藍牙低功耗 (BLE) 。經(jīng)典藍牙 (Bluetooth Classic) 最初用于消費設備之間的點(diǎn)對點(diǎn)或點(diǎn)對多點(diǎn) (最多七個(gè)從屬節點(diǎn)) 的數據交換。后來(lái)，針對功耗進(jìn)行優(yōu)化，引入了藍牙低功耗技術(shù)以此解決功耗敏感型的IoT應用需求。 支持BLE的IoT設備通常與智能設備 (如智能手機) 一起使用，在這里，智能手機主要負責向云端傳輸數據�，F在，BLE被廣泛集成到健身和醫用可穿戴設備 (如智能手表、血糖儀、脈搏血氧儀等) 以及智能家居設備 (如門(mén)鎖) 中。2017年發(fā)布的藍牙Mesh規范實(shí)現了更具可擴展性的設備部署，特別是在零售環(huán)境中。BLE beacon網(wǎng)絡(luò )因提供多種室內定位功能，可用于解鎖新的服務(wù)創(chuàng )新，如內容交付、店內導航和個(gè)性化促銷(xiāo)等。這些新技術(shù)的出現都是面向市場(chǎng)需求藍牙技術(shù)不斷擴展的結果。 STMicroelectronics公司的STM32WB MCU是一款雙核多協(xié)議無(wú)線(xiàn)MCU，同時(shí)支持BLE、Zigbee和Thread等無(wú)線(xiàn)通信標準，該芯片的雙核分別是運行于64MHz的Arm Cortex-M4 (應用處理器) 和運行于32MHz的Arm Cortex-M0+ (網(wǎng)絡(luò )處理器) 。BLE射頻收發(fā)器采用藍牙技術(shù)聯(lián)盟認可的Bluetooth5.0無(wú)線(xiàn)協(xié)議棧和配置文件，符合Mesh配置文件要求的V1.0藍牙技術(shù)聯(lián)盟版本，以及適用于任何藍牙低功耗或專(zhuān)有解決方案 (包括Zephyr或Arm Cordio協(xié)議棧) 的HCI。通用的IEEE 802.15.4 MAC層確保STM32WB可以運行專(zhuān)有協(xié)議或全棧，包括Zigbee PRO 2017和低功耗OpenThread Mesh網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，為設計人員提供更多將設備連接到物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 的選項。
圖4：雙核多協(xié)議無(wú)線(xiàn)STM32WB MCU選型參考 (圖源：STMicroelectronics) #03 Zigbee和其他Mesh協(xié)議 Zigbee是一種短距離、低功耗的無(wú)線(xiàn)標準 (IEEE 802.15.4) ，工作頻率為2.4GHz，耗電極少。通常部署在網(wǎng)狀拓撲中，通過(guò)在多個(gè)傳感器節點(diǎn)上中繼傳感器數據來(lái)擴展覆蓋范圍。與LPWAN相比，Zigbee提供了更高的數據傳輸速率，但同時(shí)，由于網(wǎng)格配置，功率效率要低得多。通常情況下，Zigbee是Wi-Fi的完美補充，是智慧照明、HVAC控制、智能儀表、家庭能源、安全監控和智能恒溫器等家庭自動(dòng)化應用的理想選擇。 在LPWAN出現之前，mesh網(wǎng)絡(luò )已經(jīng)在工業(yè)環(huán)境中實(shí)現，支持多種遠程監控解決方案。然而，對于地理位置分散的許多工業(yè)設施來(lái)說(shuō)，它們遠不是理想的方案，而且它們的理論可擴展性往往受到日益復雜的網(wǎng)絡(luò )設置和管理的限制。由于物理距離較短 (<100m) ，Zigbee和類(lèi)似的mesh協(xié)議 (如Z-Wave、Thread等) 非常適合近距離、節點(diǎn)均勻分布在附近的中距離IoT應用。 CC2652R7是Texas Instruments (TI) 公司SimpleLink系列中的一個(gè)多協(xié)議2.4GHz無(wú)線(xiàn)MCU，內置ARM Cortex-M0 M4F內核，通過(guò)動(dòng)態(tài)多協(xié)議管理器（DMM）驅動(dòng)程序支持Thread、Zigbee、Matter、藍牙、IEEE 802.15.4g等并發(fā)多協(xié)議。CC2652R7具有0.9μA的超低休眠電流，除了M4F處理器外，還配置了一個(gè)具有快速喚醒功能的超低功耗傳感器控制器CPU，能夠在1μA系統電流下進(jìn)行1Hz的ADC采樣。
圖5：支持Thread、Zigbee、Matter、藍牙等并發(fā)多協(xié)議的CC2652R7結構框圖 (圖源：TI) #04 Wi-Fi Wi-Fi是當今應用最廣泛的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)之一，它的版本比較多，如802.11b、802.11n、802.11a、802.11g和802.11ac，這些標準在數據速度和成本方面差異很大。傳輸頻率高是Wi-Fi與其他無(wú)線(xiàn)技術(shù)的一個(gè)關(guān)鍵區別，這意味著(zhù)它可以攜帶更多的數據。不過(guò)，Wi-Fi的功率要求很高，覆蓋范圍有限。雖然Wi-Fi在企業(yè)和家庭中有著(zhù)極其廣泛的應用，但在IoT領(lǐng)域，因其在覆蓋范圍、可擴展性和功耗方面的限制，大大降低了它的普及程度。對于不使用電池供電且需要傳輸大量數據的IoT應用，Wi-Fi仍然是一個(gè)極好的選擇。新一代的Wi-Fi 6，網(wǎng)絡(luò )帶寬最高已達到9.6Gbps，大幅提升了設備的數據吞吐量，有助于增強公共Wi-Fi基礎設施，同時(shí)改善娛樂(lè )和零售行業(yè)數字服務(wù)的客戶(hù)體驗。如果將Wi-Fi 6用于信息娛樂(lè )和車(chē)載診斷的車(chē)內網(wǎng)絡(luò )，這將成為最能改變游戲規則的Wi-Fi使用案例。 TI公司的CC3135 CC3135 SimpleLink™ Wi-Fi®網(wǎng)絡(luò )處理器，可以將任何微控制器連接至IoT。該器件包含的Arm Cortex-M3 MCU，專(zhuān)門(mén)用于Wi-Fi和互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，從而讓主機MCU不再承擔網(wǎng)絡(luò )活動(dòng)負載。CC3135具有雙頻段802.11a/b/g/n無(wú)線(xiàn)電、基帶和MAC，具有強大加密引擎，這些功能提供采用256位加密的快速、安全互聯(lián)網(wǎng)連接，內置電源管理功能，從而實(shí)現最佳低功耗性能。
圖6：CC3135 SimpleLink雙頻段網(wǎng)絡(luò )處理器Wi-Fi與藍牙共存 (圖源：TI) #05 RFID 射頻識別 (RFID) 利用無(wú)線(xiàn)電波在短距離內將少量數據從RFID標簽傳輸到閱讀器。這種物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線(xiàn)技術(shù)既可以在視線(xiàn)之外工作，也可以在連接標簽時(shí)工作，標簽能在幾厘米甚至幾米的范圍內讀取。通過(guò)在各種產(chǎn)品和設備上貼上RFID標簽，企業(yè)可以實(shí)時(shí)跟蹤庫存和資產(chǎn)，從而實(shí)現更好的庫存和生產(chǎn)計劃以及優(yōu)化的供應鏈管理。隨著(zhù)IoT采用率的提高，RFID繼續在零售行業(yè)占據一席之地，支持智能貨架、自助結賬和智能鏡子等新的物聯(lián)網(wǎng)應用。 NXP Semiconductors擁有豐富的RFID系列產(chǎn)品。以UCODE DNA系列為例，這是一款結合遠距離讀取性能與加密驗證功能的UHF (超高頻) RAIN RFID標簽IC。借助這款產(chǎn)品，開(kāi)發(fā)人員無(wú)需在非接觸式性能和應用安全需求之間進(jìn)行取舍。該標簽IC將先進(jìn)的非接觸式性能與加密安全性相結合，實(shí)現了各種智能城市應用，如資產(chǎn)標簽、自動(dòng)車(chē)輛識別、訪(fǎng)問(wèn)控制和供應鏈管理。UCODE DNA RAIN RFID的安全性基于存儲在IC硬件中的128位AES密鑰，并執行加密身份驗證檢查。
圖7：NXP RAIN RFID標簽IC用于自動(dòng)車(chē)輛識別方框圖 (圖源：NXP) #06 蜂窩技術(shù)4G/5G 蜂窩網(wǎng)絡(luò )為消費者移動(dòng)市場(chǎng)提供可靠的寬帶通信，如視頻流和語(yǔ)音呼叫應用。然而，這些無(wú)線(xiàn)技術(shù)具有高功耗和高運營(yíng)成本。雖然蜂窩網(wǎng)絡(luò )不適用于大多數由電池驅動(dòng)的物聯(lián)網(wǎng)應用，但它們對于一些特定應用非常適合，如車(chē)內信息娛樂(lè )、高級駕駛員輔助系統 (ADAS) 以及車(chē)隊遠程信息處理和跟蹤服務(wù)，都可以依賴(lài)無(wú)處不在的高帶寬蜂窩連接。在IoT領(lǐng)域，具有超低延遲和高速移動(dòng)支持的5G等蜂窩技術(shù)有望成為增強現實(shí) (AR) 和自動(dòng)駕駛的未來(lái)。由于通信延遲比4G短10倍，5G正在成為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 、醫療數據實(shí)時(shí)傳輸和公共安全監控視頻等時(shí)間關(guān)鍵型應用的絕佳選擇。 如何選擇最適合的物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線(xiàn)技術(shù)？ 要選擇正確的物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線(xiàn)技術(shù)，需要根據具體需求來(lái)評估，在功耗、數據范圍和帶寬之間進(jìn)行權衡，同時(shí)還要考慮電池大小、成本、傳輸距離以及固件更新等因素。下面我們列出以下幾個(gè)問(wèn)題，回答了這些問(wèn)題后，你可能就找到了答案： · 您需要傳輸多少數據？ · 需要的功率是多少？ · 數據源離互聯(lián)網(wǎng)有多遠？ · 服務(wù)費用有多高？ · 這些設備將在哪里使用？ (比如在建筑物內使用還是在建筑物外使用) 物聯(lián)網(wǎng)應用中有許多優(yōu)秀的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。然而，沒(méi)有一種技術(shù)是面面俱到的。選擇最佳無(wú)線(xiàn)技術(shù)首先取決于物聯(lián)網(wǎng)項目的具體要求和需求。此外，準確評估帶寬、功耗、QoS、網(wǎng)絡(luò )管理、安全性和覆蓋范圍有助于縮小選擇范圍。 來(lái)源：貿澤電子 作者：Doctor M |
