無線通信技術(shù)用于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用

正如我們上次提到的，大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)都是傳感器、計(jì)算和連接的組合，后兩者起著非常重要的作用。下次我們將重點(diǎn)介紹物聯(lián)網(wǎng)的計(jì)算部分。

從有線轉(zhuǎn)向無線是實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的先決條件。盡管自包含式無線通信在技術(shù)時(shí)間尺度方面已經(jīng)存在了很長時(shí)間，但需要取得重大進(jìn)展，以使其更小，更便宜，更節(jié)能，足以用于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

天線尺寸與所用無線電波的波長直接相關(guān) - 波長越短，天線越小。這就是為什么大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)通信使用幾個(gè)GHz左右的頻率的原因。隨著基于毫米波的技術(shù)即將到來，我們將看到更小的天線。固定的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)可以通過使用數(shù)百M(fèi)Hz的頻率來交換范圍的大小。

由于硅縮放和RF前端的進(jìn)步，每一代新一代接收器都變得更加敏感。直接結(jié)果是，傳輸現(xiàn)在可以使用非常低的功率水平。降低無線電功率水平的另一個(gè)重要技術(shù)進(jìn)步是基于數(shù)據(jù)包的通信。通過以突發(fā)數(shù)據(jù)包的形式發(fā)送數(shù)據(jù)，系統(tǒng)能夠在突發(fā)之間“休眠”。爆發(fā)時(shí)間越短，消耗的功率就越少。為了能夠在有限帶寬的較短時(shí)間內(nèi)發(fā)送所需信息，我們開發(fā)了正交幅度調(diào)制（QAM）和差分正交相移鍵控（DQPSK）等調(diào)制技術(shù)來提高頻譜效率。

拼圖的最后一塊是標(biāo)準(zhǔn)化。無線通信跨越一系列頻率、調(diào)制技術(shù)和數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)。移動(dòng)電話的激增，除了啟動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)外，還幫助藍(lán)牙點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無線電技術(shù)不斷發(fā)展。藍(lán)牙還使設(shè)備擺脫了以前使用的紅外技術(shù)的清晰視線限制。此后，藍(lán)牙及其低功耗（LE）變體在短距離，中低比特率通信技術(shù)方面保持領(lǐng)先地位，即使在競爭技術(shù)浪潮中也是如此。互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代和擺脫那些不太好看的LAN電纜的需求催生了WiFi。對(duì)于智能裝置的城市級(jí)通信，遠(yuǎn)程通信也在增加，盡管使用低比特率技術(shù)。

電器、工業(yè)設(shè)備、車輛和建筑物的安全性、安全性和效率要求正在推動(dòng)對(duì)更多信息和更好選項(xiàng)的需求，以連接和管理高級(jí)傳感器，從而構(gòu)建更智能的世界。在未來幾年內(nèi)，各種網(wǎng)絡(luò)將使數(shù)萬億臺(tái)無線設(shè)備相互連接。

重要的是要記住，即使通過連接的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備正在以顯著的速度增長，它們?nèi)蕴幱谄鸩诫A段。這意味著，隨著新應(yīng)用的出現(xiàn)，將需要在速度、功耗、范圍和容量方面提供顯著的改進(jìn)。該領(lǐng)域的潛在商機(jī)繼續(xù)推動(dòng)工程的極限。工程師面臨的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)是從廣泛的可用選擇中選擇適當(dāng)?shù)耐ㄐ艆f(xié)議，如經(jīng)典藍(lán)牙、Wi-Fi、ZigBee、低功耗藍(lán)牙（智能藍(lán)牙）、近場通信 （NFC） 和許多專有協(xié)議。在尋找要使用的正確協(xié)議時(shí)，關(guān)鍵考慮因素是找到最能滿足應(yīng)用程序?qū)Ω咄掏铝?、低功耗、尺寸、無縫互操作性、安全通信、易于開發(fā)和易用性的需求的協(xié)議。

設(shè)計(jì)人員總是樂于編寫自己的自定義專有協(xié)議，以實(shí)現(xiàn)特定產(chǎn)品的最佳功耗和效率。但是，在當(dāng)今世界，期望您的產(chǎn)品需要通過標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議與生態(tài)系統(tǒng)中的其他設(shè)備進(jìn)行通信是輕而易舉的。因此，互操作性可以說是設(shè)計(jì)無線鏈路時(shí)最重要的要求，為使用標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議提供了令人信服的論據(jù)。

讓我們根據(jù)您的應(yīng)用需求探索各種無線協(xié)議以及何時(shí)使用它們。

無線網(wǎng)絡(luò)：WiFi是無線協(xié)議的流行選擇，通常提供非常高的數(shù)據(jù)吞吐量，中遠(yuǎn)程和復(fù)雜的安全選項(xiàng)。通常，WiFi的非常高的數(shù)據(jù)速率使其成為需要互聯(lián)網(wǎng)接入的應(yīng)用程序的首選協(xié)議。然而，WiFi的代價(jià)是功耗較高，因此對(duì)于電池供電的應(yīng)用來說，它不是一個(gè)很好的選擇。其主要應(yīng)用包括筆記本電腦、臺(tái)式計(jì)算機(jī)和服務(wù)器。

WiFi的最大優(yōu)勢是支持現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)分組交換LAN協(xié)議。畢竟，它實(shí)際上是以太網(wǎng)電纜的無線版本（正如我們前面提到的，這很丑陋！當(dāng)您擁有WiFi時(shí)，互聯(lián)網(wǎng)并不遙遠(yuǎn) - 只需連接到人口稠密地區(qū)周圍可用的眾多Wi-Fi“熱點(diǎn)”之一即可。下面提到的無線技術(shù)使用簡單的數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)需要額外的“自定義”應(yīng)用程序才能理解它們，并將“Internet”放在“物聯(lián)網(wǎng)”中。

之字形：ZigBee提供低功耗，輕堆棧和良好的市場思維份額。但是，ZigBee并未廣泛用于PC和智能手機(jī)等消費(fèi)類設(shè)備，從而限制了設(shè)備可以連接的節(jié)點(diǎn)。ZigBee的最佳替代方案是藍(lán)牙經(jīng)典，它是作為一種在短距離內(nèi)交換數(shù)據(jù)的方式而開發(fā)的。ZigBee 的主要應(yīng)用包括工業(yè)自動(dòng)化、家庭自動(dòng)化和智能計(jì)量。

藍(lán)牙經(jīng)典：藍(lán)牙是個(gè)人局域網(wǎng) （PAN） 的傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，通過音頻流傳輸?shù)?a target="_blank">手機(jī)耳機(jī)而廣受歡迎。與WiFi相比，藍(lán)牙經(jīng)典協(xié)議提供了更好的電源效率。但是，對(duì)于極低功耗，低功耗藍(lán)牙是一種更具吸引力的替代方案。主要應(yīng)用包括移動(dòng)電話、計(jì)算機(jī)鼠標(biāo)、鍵盤以及辦公和工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備。

藍(lán)牙低功耗 （藍(lán)牙）：BLE，也稱為藍(lán)牙智能，針對(duì)通信狀態(tài)或控制信息（即有限數(shù)據(jù)）的短距離低功耗無線應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。該協(xié)議最適合電池供電應(yīng)用，如可穿戴設(shè)備、智能家居、智能手表、手機(jī)和其他便攜式設(shè)備。

遠(yuǎn)距離（洛拉）： LoRa提供了一個(gè)遠(yuǎn)程，低功耗的無線平臺(tái)。LoRa物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)通常體積龐大，需要相對(duì)較大的外部天線。這些因素通常不是限制，因?yàn)檫@些節(jié)點(diǎn)通常連接到大型設(shè)備，建筑物或車輛。典型應(yīng)用包括智能城市、智能家居和建筑、智能農(nóng)業(yè)、智能計(jì)量、智能供應(yīng)鏈和物流等。

我們有許多高效且復(fù)雜的無線電通信技術(shù)可用于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。但是，如果連接到物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的集成計(jì)算元素不夠強(qiáng)大來處理其吞吐量和/或軟件/固件不夠簡單，無法“隱藏”其固有的復(fù)雜性，則物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)將無法按要求執(zhí)行。我們將在本系列的后續(xù)部分中探討這些問題。

審核編輯：郭婷