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物聯網通信技術分為短距離無線局域網和低功耗無線廣域網 (LPWAN) 兩大類，藍牙、Wi-Fi、ZigBee等屬于短距離無線局域網，LPWAN主要用于遠距離、低帶寬、低功耗、大量連接需求的物聯網應用場景，近幾年在市場上風生水起的LoRa就是LPWAN中最具代表性的技術。 我們知道，物聯網 (IoT) 是一個始于連通，在應用上具有廣泛多樣性的領域。因此，在設計過程中很難找到一個一刀切的無線通信解決方案。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線連接方案，本文將對IoT中應用最廣泛的6種無線通信技術逐一進行梳理。 六種最常見的物聯網無線技術 物聯網部署通常包括多種技術，每種技術在各種網絡標準中都有其優缺點，選用時必須綜合考慮。比如，藍牙常被用于可穿戴和車載設備，Wi-Fi則主要用于數據傳輸和設備控制，企業應用通常是Wi-Fi、Zigbee和藍牙等多個無線技術的組合。 
圖1：不同的無線通信技術對應的物聯網應用場景 (圖源：Semtech) #01 LPWAN LPWAN通過使用小型廉價電池可提供長達數年的遠程無線通信，該技術專門用于支持遍布工業和商業校園的大規模物聯網網絡，為那些無需頻繁數據傳輸，且低速和低移動性的設備 (如IoT傳感器) 提供連接。在保持低功耗情況下，LPWAN可為數千個傳感器在廣域范圍內通信，在消耗品監控、環境監控、占用檢測和資產跟蹤等領域有著廣泛應用。 LPWAN中包含多種無線通信技術和標準。在需要授權許可頻譜中運行的LPWAN技術有： · LTE-M · NB-IoT 無授權許可的LPWAN技術則是： · LoRa · Sigfox 目前，LoRaWAN和NB-IoT已顯示出強勁的應用勢頭，有望在未來幾年獲得LPWAN市場較大的份額。 LPWAN中包含多種無線通信技術和標準。在需要授權許可頻譜中運行的LPWAN技術有LTE-M和NB-IoT，LoRa、Sigfox等則屬于無授權許可的LPWAN技術。目前，LoRaWAN和NB-IoT已顯示出強勁的應用勢頭，有望在未來幾年獲得LPWAN市場較大的份額。 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在許可頻譜上沒有占空比限制，但其代價是相對于LoRaWAN的更高總擁有成本 (TCO) 。另外，作為一種同步協議，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，連接遠程環境傳感器，以測量不同的天氣要素，如壓力、濕度、風速、溫度等。 據Counterpoint發布的統計報告，在全球NB-IoT模組所采用的芯片解決方案中，高通穩居市場第一，占有約一半的市場份額；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，該產品于2020年在個人穿戴、資產跟蹤和工業檢測等領域實現原型應用。 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，同時增加了藍牙、OpenCPU、GNSS定位等能力，模組的集成度、性價比和安全性得到大幅提升，為智能表計、煙感、智能停車、智慧路燈等百萬級成熟NB-IoT應用提供了更優選擇。
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，通過使用CSS調制實現遠程低功率通信，擁有很強的抗干擾能力和低信噪比水平。LoRaWAN與藍牙類似，但它為小數據包提供了更長的傳輸范圍，并且功耗較低。根據LoRa聯盟的數據，截至2019年4月，全球55個國家已經建立了113個LoRaWAN網絡，而NB-IoT網絡約為90個。在天然氣、水設施以及智能電表等公用事業，LoRaWAN的市場表現最為突出。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被國際電信聯盟 (ITU) 正式批準成為LPWAN的通信標準。同期，LoRa聯盟給出的最新數據表明，截至2021年12月，全球已經部署了270多萬個基于LoRa的網關，基于LoRa的終端節點累計超過2.8億個。預計到2026年，50%的LPWAN物聯網解決方案將會使用LoRa方案。隨著物聯網市場的不斷發展，LoRaWAN和NB-IoT這兩個無線通信方案，將通過在一些垂直市場上的競爭，并根據各種物聯網使用案例的成本、覆蓋率和帶寬要求在其他垂直市場上實現互補，并在市場上共存。 Semtech是LoRa聯盟的主要創始成員，其LoRa產品線包括網關、收發器、接收器和發射器，涵蓋從低kHz到2.4GHz的工業、科學和醫療 (ISM) 頻段的無線電頻譜。采用Semtech專利調制技術的LoRa產品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，產生了行業領先的鏈路預算，使得這一產品系列成為穩健性應用的最佳選擇。目前，這些產品已用于自動讀表、家庭和樓宇自動化、無線警報和安全系統、工業監控、遠距離灌溉系統等諸多領域。
圖3：Semtech的SX127X系列產品正在成為自動讀表、無線警報、工業監控等領域無線通信方案的優選 (圖源：Semtech) #02 藍牙和藍牙低功耗 (BLE) 藍牙是一種短距離無線通信技術，它最初是為無線耳機設計的，但后來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，即經典藍牙和藍牙低功耗 (BLE) 。經典藍牙 (Bluetooth Classic) 最初用于消費設備之間的點對點或點對多點 (最多七個從屬節點) 的數據交換。后來，針對功耗進行優化，引入了藍牙低功耗技術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。現在，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 (如門鎖) 中。2017年發布的藍牙Mesh規范實現了更具可擴展性的設備部署，特別是在零售環境中。BLE beacon網絡因提供多種室內定位功能，可用于解鎖新的服務創新，如內容交付、店內導航和個性化促銷等。這些新技術的出現都是面向市場需求藍牙技術不斷擴展的結果。 STMicroelectronics公司的STM32WB MCU是一款雙核多協議無線MCU，同時支持BLE、Zigbee和Thread等無線通信標準，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+ (網絡處理器) 。BLE射頻收發器采用藍牙技術聯盟認可的Bluetooth5.0無線協議棧和配置文件，符合Mesh配置文件要求的V1.0藍牙技術聯盟版本，以及適用于任何藍牙低功耗或專有解決方案 (包括Zephyr或Arm Cordio協議棧) 的HCI。通用的IEEE 802.15.4 MAC層確保STM32WB可以運行專有協議或全棧，包括Zigbee PRO 2017和低功耗OpenThread Mesh網絡協議，為設計人員提供更多將設備連接到物聯網 (IoT) 的選項。
圖4：雙核多協議無線STM32WB MCU選型參考 (圖源：STMicroelectronics) #03 Zigbee和其他Mesh協議 Zigbee是一種短距離、低功耗的無線標準 (IEEE 802.15.4) ，工作頻率為2.4GHz，耗電極少。通常部署在網狀拓撲中，通過在多個傳感器節點上中繼傳感器數據來擴展覆蓋范圍。與LPWAN相比，Zigbee提供了更高的數據傳輸速率，但同時，由于網格配置，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化應用的理想選擇。 在LPWAN出現之前，mesh網絡已經在工業環境中實現，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設施來說，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絡設置和管理的限制。由于物理距離較短 (<100m) ，Zigbee和類似的mesh協議 (如Z-Wave、Thread等) 非常適合近距離、節點均勻分布在附近的中距離IoT應用。 CC2652R7是Texas Instruments (TI) 公司SimpleLink系列中的一個多協議2.4GHz無線MCU，內置ARM Cortex-M0 M4F內核，通過動態多協議管理器（DMM）驅動程序支持Thread、Zigbee、Matter、藍牙、IEEE 802.15.4g等并發多協議。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系統電流下進行1Hz的ADC采樣。
圖5：支持Thread、Zigbee、Matter、藍牙等并發多協議的CC2652R7結構框圖 (圖源：TI) #04 Wi-Fi Wi-Fi是當今應用最廣泛的無線通信技術之一，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與其他無線技術的一個關鍵區別，這意味著它可以攜帶更多的數據。不過，Wi-Fi的功率要求很高，覆蓋范圍有限。雖然Wi-Fi在企業和家庭中有著極其廣泛的應用，但在IoT領域，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仍然是一個極好的選擇。新一代的Wi-Fi 6，網絡帶寬最高已達到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，同時改善娛樂和零售行業數字服務的客戶體驗。如果將Wi-Fi 6用于信息娛樂和車載診斷的車內網絡，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®網絡處理器，可以將任何微控制器連接至IoT。該器件包含的Arm Cortex-M3 MCU，專門用于Wi-Fi和互聯網協議，從而讓主機MCU不再承擔網絡活動負載。CC3135具有雙頻段802.11a/b/g/n無線電、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、安全互聯網連接，內置電源管理功能，從而實現最佳低功耗性能。
圖6：CC3135 SimpleLink雙頻段網絡處理器Wi-Fi與藍牙共存 (圖源：TI) #05 RFID 射頻識別 (RFID) 利用無線電波在短距離內將少量數據從RFID標簽傳輸到閱讀器。這種物聯網無線技術既可以在視線之外工作，也可以在連接標簽時工作，標簽能在幾厘米甚至幾米的范圍內讀取。通過在各種產品和設備上貼上RFID標簽，企業可以實時跟蹤庫存和資產，從而實現更好的庫存和生產計劃以及優化的供應鏈管理。隨著IoT采用率的提高，RFID繼續在零售行業占據一席之地，支持智能貨架、自助結賬和智能鏡子等新的物聯網應用。 NXP Semiconductors擁有豐富的RFID系列產品。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。借助這款產品，開發人員無需在非接觸式性能和應用安全需求之間進行取舍。該標簽IC將先進的非接觸式性能與加密安全性相結合，實現了各種智能城市應用，如資產標簽、自動車輛識別、訪問控制和供應鏈管理。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用于自動車輛識別方框圖 (圖源：NXP) #06 蜂窩技術4G/5G 蜂窩網絡為消費者移動市場提供可靠的寬帶通信，如視頻流和語音呼叫應用。然而，這些無線技術具有高功耗和高運營成本。雖然蜂窩網絡不適用于大多數由電池驅動的物聯網應用，但它們對于一些特定應用非常適合，如車內信息娛樂、高級駕駛員輔助系統 (ADAS) 以及車隊遠程信息處理和跟蹤服務，都可以依賴無處不在的高帶寬蜂窩連接。在IoT領域，具有超低延遲和高速移動支持的5G等蜂窩技術有望成為增強現實 (AR) 和自動駕駛的未來。由于通信延遲比4G短10倍，5G正在成為工業物聯網 (IIoT) 、醫療數據實時傳輸和公共安全監控視頻等時間關鍵型應用的絕佳選擇。 如何選擇最適合的物聯網無線技術？ 要選擇正確的物聯網無線技術，需要根據具體需求來評估，在功耗、數據范圍和帶寬之間進行權衡，同時還要考慮電池大小、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問題，回答了這些問題后，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？ · 數據源離互聯網有多遠？ · 服務費用有多高？ · 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) 物聯網應用中有許多優秀的無線通信技術。然而，沒有一種技術是面面俱到的。選擇最佳無線技術首先取決于物聯網項目的具體要求和需求。此外，準確評估帶寬、功耗、QoS、網絡管理、安全性和覆蓋范圍有助于縮小選擇范圍。 來源：貿澤電子 作者：Doctor M |
