|
物聯(lián)網(wǎng)在現(xiàn)代社會中既是已知的，也是未知的。雖然物聯(lián)網(wǎng)在科技領(lǐng)域和企業(yè)界是個常用詞，但鮮有普通民眾會提及，盡管物聯(lián)網(wǎng)早已融入人們的日常生活。物聯(lián)網(wǎng)就是將諸如設(shè)備、車輛、建筑、電子設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)等實際物體連接起來，使其能夠互動并收集、交換數(shù)據(jù)。這種連接適用于數(shù)百萬種不同的事物，包括已經(jīng)過升級但之前未連接互聯(lián)網(wǎng)的傳統(tǒng)產(chǎn)品。 本文將為大家介紹多種能讓這些設(shè)備進(jìn)行無線通信的方法。 將數(shù)據(jù)連接到云的三種方法 物聯(lián)網(wǎng)面臨的挑戰(zhàn)之一就是將來自設(shè)備傳感器的數(shù)據(jù)送到云，并在云端使用、處理和存儲這些數(shù)據(jù)。智能手機(jī)使得 Wi-Fi 和藍(lán)牙的使用無處不在，加之信號塔和公共 Wi-Fi 接入點的普及，讓物聯(lián)網(wǎng)傳感器相比以前能更多地訪問云。有三種基本方法可將數(shù)據(jù)發(fā)送到云。 從傳感器到網(wǎng)關(guān)，再到云。在某些應(yīng)用中，理想的選擇是先將傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)關(guān)，再由網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)高效地傳輸?shù)皆�。根�?jù)應(yīng)用需求，網(wǎng)關(guān)的范圍可以從簡單的中繼系統(tǒng)到執(zhí)行更多計算密集型功能的“智能”平臺。其中，計算密集型功能被稱為“邊緣處理”。像停車場傳感器和辦公桌利用率傳感器之類的設(shè)備，通常依靠網(wǎng)關(guān)來傳輸數(shù)據(jù)。例如，Wi-Fi 就是一種網(wǎng)關(guān)。如果在家中使用，需要安裝一個 Wi-Fi 網(wǎng)關(guān)。在已經(jīng)安裝網(wǎng)關(guān)的公共場所，Wi-Fi 可以直接操作云端。如藍(lán)牙等其他類型的無線通信是需要網(wǎng)關(guān)的。例如，Hatch Baby Grow 就是家庭 Wi-Fi，這是一種智能換尿布墊和聯(lián)網(wǎng)式體重秤。它利用 Wi-Fi 將數(shù)據(jù)從換尿布墊中的秤傳送到家庭互聯(lián)網(wǎng)上。家長和兒科醫(yī)生可以通過安卓或 iOS 應(yīng)用追蹤基于云的信息。 從傳感器到手機(jī)，再到云。某些情況下，手機(jī)可作為網(wǎng)關(guān)。具有 Wi-Fi 或藍(lán)牙功能的智能手機(jī)可以作為網(wǎng)關(guān)，用于向云發(fā)送數(shù)據(jù)。例如，Voler 可以幫助開發(fā)監(jiān)測老人身體平衡的耳塞。他們將數(shù)據(jù)通過低功耗藍(lán)牙無線技術(shù)傳輸至安裝了相關(guān)應(yīng)用程序的智能手機(jī)。數(shù)據(jù)也會從智能手機(jī)發(fā)送到云端，并在云端做進(jìn)一步處理或者進(jìn)行共享。 智能設(shè)備直接連接云。傳感器可以使用 NB-IoT、LTE-M 或 LoRa 等技術(shù)直接與云連接。只要數(shù)據(jù)速率低，這些技術(shù)就能以極低的功耗實現(xiàn)數(shù)英里傳輸范圍。這些技術(shù)通過通常安裝在信號塔上的設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接。它們的工作方式與手機(jī)大同小異，只是數(shù)據(jù)速率和功耗要低得多。每個月都需收費(fèi)，但一般非常少。 規(guī)劃物聯(lián)網(wǎng)無線通信策略時，需要考慮的因素包括：數(shù)據(jù)傳輸量、數(shù)據(jù)源到互聯(lián)網(wǎng)的距離、需要多大的功率，以及服務(wù)成本的高低（如有）。智能手機(jī)的廣泛使用以及可選擇 Wi-Fi 或藍(lán)牙無線電標(biāo)準(zhǔn)使得連接非常方便。NB-IoT 和 LTE-M 等較新的標(biāo)準(zhǔn)為未來的物聯(lián)網(wǎng)提供了更多的選擇。 為什么需要新技術(shù)？ 物聯(lián)網(wǎng)仍在不斷發(fā)展。每一次的更新?lián)Q代都會實現(xiàn)更低的功耗、更長的無線通信時間和更好的功能。新設(shè)備可以利用新技術(shù)，并達(dá)到更好的性能。 應(yīng)考慮如何取舍 Voler 每次設(shè)計可穿戴設(shè)備或任何采用電池供電的設(shè)備時，客戶都會提出如下要求： · 長時間工作 · 長距離傳輸大量數(shù)據(jù) · 采用微小型電池 這些要求會相互制約，需要作出適當(dāng)取舍。工程就是用來作取舍的�？紤]系統(tǒng)功能要求并根據(jù)系統(tǒng)要求進(jìn)行必要的工程取舍，以獲得最佳性能。同時提供令人滿意的用戶體驗，這點非常重要。這樣做的結(jié)果，就是從眾多選擇中獲得最佳的折中設(shè)計。 · 權(quán)衡考慮 · 數(shù)據(jù)速率 · 傳輸距離 · 電池大小 · 成本 · 許可與未許可頻段 · 運(yùn)營商部署與客戶部署 · 終端設(shè)備的密度 · 在哪里部署 · 固件更新 · 操作系統(tǒng)的驅(qū)動程序 · 元器件/模塊選擇 · 天線 · 技術(shù)成熟度 Voler 最近與一家初創(chuàng)公司合作，以延長其互聯(lián)產(chǎn)品的電池壽命。它基于Murata 的 impModule™，采用 Arm® 處理器和 Wi-Fi 收發(fā)器。他們需要具有數(shù)周的電池壽命，實際卻是完成原型設(shè)計后不到一周。Voler 修改了代碼，以滿足所需的電池壽命。原先的代碼無法按照預(yù)期要求工作。 在無線傳輸中，必須管理好三件事：傳輸所需的功率、數(shù)據(jù)速率和傳輸距離。選擇合適的無線標(biāo)準(zhǔn)很重要。為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備設(shè)計選擇無線標(biāo)準(zhǔn)時，請參考下表。該表列出了物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備常用的無線標(biāo)準(zhǔn)及其特點。 
表 1：常用無線標(biāo)準(zhǔn)及功能。（表格來源：Voler） 不同的無線標(biāo)準(zhǔn)對功率的要求不盡相同。所需功率取決于數(shù)據(jù)速率和傳輸距離。例如，參考表 1，設(shè)備使用 LTE 蜂窩技術(shù)以每秒 100 比特的傳輸速率將數(shù)據(jù)傳輸一公里時，可能消耗 120mW。但使用低功耗藍(lán)牙傳輸 1 米時，設(shè)備可能只需要 0.15 mW 的功耗。 物聯(lián)網(wǎng)無線標(biāo)準(zhǔn)之比較
表 2：無線物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)比較。（表格來源：Voler） 常見無線選項的功率要求 如果一個設(shè)備只需在 10 米以內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)，低功耗藍(lán)牙或者藍(lán)牙就足夠了。但是，諸如用于庫存管理等用于工業(yè)、商業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備或者用于健康監(jiān)測的可穿戴設(shè)備就可能需要傳輸距離更遠(yuǎn)的通信技術(shù)，如 NB-IoT 或 LTE-M。如果設(shè)備需要發(fā)送大量數(shù)據(jù)，如攝像機(jī)，低功耗藍(lán)牙無等技術(shù)就無法滿足其要求。此時，需要選擇 Wi-Fi 和 LTE 等高功率技術(shù)。 另一方面，蜂窩無線協(xié)議 NB-IoT 和 LTE-M 可使物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備以低功耗方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶苓h(yuǎn)的地方。SigFox 也是如此，其數(shù)據(jù)傳輸距離可以達(dá)到 50 公里。但與蜂窩標(biāo)準(zhǔn)的高數(shù)據(jù)速率不同，SigFox 每秒最多只能傳輸 300 比特數(shù)據(jù)。 私人網(wǎng)絡(luò)與公共網(wǎng)絡(luò) 私人網(wǎng)絡(luò)有一個網(wǎng)關(guān)，由提供商為一個或有限數(shù)量的用戶負(fù)責(zé)網(wǎng)關(guān)的安裝和控制。一個公共網(wǎng)絡(luò)有一個網(wǎng)關(guān)，且很多用戶使用時可以按月支付費(fèi)用。例如手機(jī)服務(wù)。 公共網(wǎng)絡(luò)需要安裝信號塔等基礎(chǔ)設(shè)施。由于信號塔的廣泛安裝，目前手機(jī)已經(jīng)廣泛普及，很容易進(jìn)行漫游。SigFox 和 LoRa 在美國的基礎(chǔ)設(shè)施有限，因此采用這種技術(shù)的設(shè)備在大多數(shù)地方無法使用。采用 LoRa 技術(shù)時，確實可以選擇使用了網(wǎng)關(guān)的私人網(wǎng)絡(luò)。 2019 年，NB-IoT 和 LTE-M 的基礎(chǔ)設(shè)施安裝涵蓋了 90% 以上的美國人口。這種技術(shù)已接近了蜂窩覆蓋率。這種技術(shù)已經(jīng)存在多年，目前終于可以在新設(shè)備中使用了。世界上大多數(shù)主要國家都有基礎(chǔ)設(shè)施。預(yù)計 NB-IoT 和 LTE-M 的使用量將迅速增加。Sigfox 和 LoRa 在公共基礎(chǔ)設(shè)施的安裝方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后。 以下是私人和公共無線選擇的總結(jié)。 私人 · 通信兩端為私人所有 · 可以安裝在任何地方 · 未許可頻段 · 安裝基站和端點的費(fèi)用 · 無月費(fèi) 公共 · 供應(yīng)商所擁有的網(wǎng)絡(luò)——例如，蜂窩網(wǎng)絡(luò) · 僅存在于有基站的地方 · 漫游方便 · 許可頻段 · 使用網(wǎng)絡(luò)時按月付費(fèi) 電池技術(shù)何時才能提高？ 如果有更好的電池，這些取舍問題會迎刃而解�；瘜W(xué)儲能已接近其效率極限。不過，在更高的密度和安全性方面，目前正在進(jìn)行大量研究。 如果電池在過去的 50 年里像半導(dǎo)體一樣發(fā)展的話，你現(xiàn)在就會有一種成本只有一美分，能為汽車提供動力的、針頭大小的電池。毋庸置疑，這種技術(shù)根本就沒有，也永遠(yuǎn)不會有。因此，設(shè)備受到化學(xué)儲能所需空間的限制。 今天的電池約占最終化學(xué)能源存儲量的 10％，就像汽油一樣。然而，汽油有一個安全問題。另一個更有效的選擇是核能，但同樣存在安全問題，更不用說便攜性了。未來的電池會有漸進(jìn)式改進(jìn)，但這種變化會很緩慢。 考慮成本 許多物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備制造商為了保持產(chǎn)品的價格優(yōu)勢和更快的產(chǎn)品上市時間，而造成了在安全方面投資不足。在開發(fā)階段整合安全問題會大大增加開發(fā)成本和時間。然而，以薄弱的物聯(lián)網(wǎng)安全性構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，不僅會給客戶造成更多的破壞性后果，還會給制造商的品牌帶來破壞性結(jié)果——具體表現(xiàn)為生產(chǎn)力削弱、法律/合規(guī)性罰款、聲譽(yù)受損和貨幣損失。 為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備選擇的無線標(biāo)準(zhǔn)會顯著影響其性能、可用性、安全性和可靠性。最適合的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)取決于其應(yīng)用。了解設(shè)備的用途有助于確定構(gòu)建設(shè)備時的關(guān)鍵要求，例如需要多大的功率才能有效地運(yùn)行，應(yīng)該以多快的速度傳輸數(shù)據(jù)，以及電池需要多長的續(xù)航時間等。 Voler System 的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備開發(fā)專家團(tuán)隊可以在如何選擇合適的物聯(lián)網(wǎng)及其無線標(biāo)準(zhǔn)方面為設(shè)計人員提供指導(dǎo)。立即聯(lián)系物聯(lián)網(wǎng)專家，了解更多關(guān)于為任何物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備設(shè)計選擇合適的無線標(biāo)準(zhǔn)的信息。 來源：Digi-Key 作者：Walter N. Maclay, 總裁, Voler Systems |
