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六種主流物聯(lián)網(wǎng)無線技術(shù)盤點

星星科技指導(dǎo)員 ? 來源:mouser ? 作者:Doctor M ? 2023-05-18 10:23 ? 次閱讀

物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)分為短距離無線局域網(wǎng)和低功耗無線廣域網(wǎng) (LPWAN) 兩大類,藍(lán)牙、Wi-Fi、ZigBee等屬于短距離無線局域網(wǎng),LPWAN主要用于遠(yuǎn)距離、低帶寬、低功耗、大量連接需求的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景,近幾年在市場上風(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) 是一個始于連通,在應(yīng)用上具有廣泛多樣性的領(lǐng)域。因此,在設(shè)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(yīng)用最廣泛的6種無線通信技術(shù)逐一進(jìn)行梳理。

六種最常見的物聯(lián)網(wǎng)無線技術(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(biāo)準(zhǔn)中都有其優(yōu)缺點,選用時必須綜合考慮。比如,藍(lán)牙常被用于可穿戴和車載設(shè)備,Wi-Fi則主要用于數(shù)據(jù)傳輸和設(shè)備控制,企業(yè)應(yīng)用通常是Wi-Fi、Zigbee和藍(lán)牙等多個無線技術(shù)的組合。

#01 LPWAN

LPWAN通過使用小型廉價電池可提供長達(dá)數(shù)年的遠(yuǎn)程無線通信,該技術(shù)專門用于支持遍布工業(yè)和商業(yè)校園的大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò),為那些無需頻繁數(shù)據(jù)傳輸,且低速和低移動性的設(shè)備 (如IoT傳感器) 提供連接。在保持低功耗情況下,LPWAN可為數(shù)千個傳感器在廣域范圍內(nèi)通信,在消耗品監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)控、占用檢測和資產(chǎn)跟蹤等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。

LPWAN中包含多種無線通信技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)。在需要授權(quán)許可頻譜中運行的LPWAN技術(shù)有:

LTE-M

NB-IoT

無授權(quán)許可的LPWAN技術(shù)則是:

LoRa

Sigfox

目前,LoRaWAN和NB-IoT已顯示出強(qiáng)勁的應(yīng)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(shù)和標(biāo)準(zhǔn)。在需要授權(quán)許可頻譜中運行的LPWAN技術(shù)有LTE-M和NB-IoT,LoRa、Sigfox等則屬于無授權(quán)許可的LPWAN技術(shù)。目前,LoRaWAN和NB-IoT已顯示出強(qiáng)勁的應(yīng)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(diào)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(xié)議,NB-IoT比LoRaWAN能耗要大得多。那些需要頻繁通信的IoT應(yīng)用可以選擇NB-IoT,比如,連接遠(yuǎn)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(jù)Counterpoint發(fā)布的統(tǒng)計報告,在全球NB-IoT模組所采用的芯片解決方案中,高通穩(wěn)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(chǎn)品于2020年在個人穿戴、資產(chǎn)跟蹤和工業(yè)檢測等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)原型應(yīng)用。

2021年,移遠(yuǎn)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(lán)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(yīng)用提供了更優(yōu)選擇。

LoRa是在物理層中使用的調(diào)制技術(shù),通過使用CSS調(diào)制實現(xiàn)遠(yuǎn)程低功率通信,擁有很強(qiáng)的抗干擾能力和低信噪比水平。LoRaWAN與藍(lán)牙類似,但它為小數(shù)據(jù)包提供了更長的傳輸范圍,并且功耗較低。根據(jù)LoRa聯(lián)盟的數(shù)據(jù),截至2019年4月,全球55個國家已經(jīng)建立了113個LoRaWAN網(wǎng)絡(luò),而NB-IoT網(wǎng)絡(luò)約為90個。在天然氣、水設(shè)施以及智能電表等公用事業(yè),LoRaWAN的市場表現(xiàn)最為突出。根據(jù)ABI的調(diào)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(zhǔn)成為LPWAN的通信標(biāo)準(zhǔn)。同期,LoRa聯(lián)盟給出的最新數(shù)據(jù)表明,截至2021年12月,全球已經(jīng)部署了270多萬個基于LoRa的網(wǎng)關(guān),基于LoRa的終端節(jié)點累計超過2.8億個。預(yù)計到2026年,50%的LPWAN物聯(lián)網(wǎng)解決方案將會使用LoRa方案。隨著物聯(lián)網(wǎng)市場的不斷發(fā)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(jù)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上實現(xiàn)互補(bǔ),并在市場上共存。

Semtech是LoRa聯(lián)盟的主要創(chuàng)始成員,其LoRa產(chǎn)品線包括網(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(yī)療 (ISM) 頻段的無線電頻譜。采用Semtech專利調(diào)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(jié)合,產(chǎn)生了行業(yè)領(lǐng)先的鏈路預(yù)算,使得這一產(chǎn)品系列成為穩(wěn)健性應(yīng)用的最佳選擇。目前,這些產(chǎn)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(tǒng)、工業(yè)監(jiān)控、遠(yuǎn)距離灌溉系統(tǒng)等諸多領(lǐng)域。

#02 藍(lán)牙和藍(lán)牙低功耗 (BLE)

藍(lán)牙是一種短距離無線通信技術(shù),它最初是為無線耳機(jī)設(shè)計的,但后來擴(kuò)展到視頻游戲控制器、打印機(jī)、揚聲器等應(yīng)用。目前有兩種藍(lán)牙版本,即經(jīng)典藍(lán)牙和藍(lán)牙低功耗 (BLE) 。經(jīng)典藍(lán)牙 (Bluetooth Classic) 最初用于消費設(shè)備之間的點對點或點對多點 (最多七個從屬節(jié)點) 的數(shù)據(jù)交換。后來,針對功耗進(jìn)行優(yōu)化,引入了藍(lán)牙低功耗技術(shù)以此解決功耗敏感型的IoT應(yīng)用需求。

支持BLE的IoT設(shè)備通常與智能設(shè)備 (如智能手機(jī)) 一起使用,在這里,智能手機(jī)主要負(fù)責(zé)向云端傳輸數(shù)據(jù)。現(xiàn)在,BLE被廣泛集成到健身和醫(yī)用可穿戴設(shè)備 (如智能手表、血糖儀、脈搏血氧儀等) 以及智能家居設(shè)備 (如門鎖) 中。2017年發(fā)布的藍(lán)牙Mesh規(guī)范實現(xiàn)了更具可擴(kuò)展性的設(shè)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(nèi)定位功能,可用于解鎖新的服務(wù)創(chuàng)新,如內(nèi)容交付、店內(nèi)導(dǎo)航和個性化促銷等。這些新技術(shù)的出現(xiàn)都是面向市場需求藍(lán)牙技術(shù)不斷擴(kuò)展的結(jié)果。

STMicroelectronics公司STM32WB MCU是一款雙核多協(xié)議無線MCU,同時支持BLE、Zigbee和Thread等無線通信標(biāo)準(zhǔn),該芯片的雙核分別是運行于64MHz的Arm Cortex-M4 (應(yīng)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(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟認(rèn)可的Bluetooth5.0無線協(xié)議棧和配置文件,符合Mesh配置文件要求的V1.0藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟版本,以及適用于任何藍(lán)牙低功耗或?qū)S薪鉀Q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(shè)計人員提供更多將設(shè)備連接到物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 的選項。

#03 Zigbee和其他Mesh協(xié)議

Zigbee是一種短距離、低功耗的無線標(biāo)準(zhǔn) (IEEE 802.15.4) ,工作頻率為2.4GHz,耗電極少。通常部署在網(wǎng)狀拓?fù)渲?,通過在多個傳感器節(jié)點上中繼傳感器數(shù)據(jù)來擴(kuò)展覆蓋范圍。與LPWAN相比,Zigbee提供了更高的數(shù)據(jù)傳輸速率,但同時,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(bǔ)充,是智慧照明、HVAC控制、智能儀表、家庭能源、安全監(jiān)控和智能恒溫器等家庭自動化應(yīng)用的理想選擇。

在LPWAN出現(xiàn)之前,mesh網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)在工業(yè)環(huán)境中實現(xiàn),支持多種遠(yuǎn)程監(jiān)控解決方案。然而,對于地理位置分散的許多工業(yè)設(shè)施來說,它們遠(yuǎn)不是理想的方案,而且它們的理論可擴(kuò)展性往往受到日益復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)設(shè)置和管理的限制。由于物理距離較短 (<100m) ,Zigbee和類似的mesh協(xié)議 (如Z-Wave、Thread等) 非常適合近距離、節(jié)點均勻分布在附近的中距離IoT應(yīng)用。

CC2652R7是Texas Instruments (TI) 公司SimpleLink系列中的一個多協(xié)議2.4GHz無線MCU,內(nèi)置ARM Cortex-M0 M4F內(nèi)核,通過動態(tài)多協(xié)議管理器(DMM)驅(qū)動程序支持Thread、Zigbee、Matter、藍(lán)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(tǒng)電流下進(jìn)行1Hz的ADC采樣。

#04 Wi-Fi

Wi-Fi是當(dāng)今應(yīng)用最廣泛的無線通信技術(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(biāo)準(zhǔn)在數(shù)據(jù)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(shù)的一個關(guān)鍵區(qū)別,這意味著它可以攜帶更多的數(shù)據(jù)。不過,Wi-Fi的功率要求很高,覆蓋范圍有限。雖然Wi-Fi在企業(yè)和家庭中有著極其廣泛的應(yīng)用,但在IoT領(lǐng)域,因其在覆蓋范圍、可擴(kuò)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(shù)據(jù)的IoT應(yīng)用,Wi-Fi仍然是一個極好的選擇。新一代的Wi-Fi 6,網(wǎng)絡(luò)帶寬最高已達(dá)到9.6Gbps,大幅提升了設(shè)備的數(shù)據(jù)吞吐量,有助于增強(qiáng)公共Wi-Fi基礎(chǔ)設(shè)施,同時改善娛樂和零售行業(yè)數(shù)字服務(wù)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(nèi)網(wǎng)絡(luò),這將成為最能改變游戲規(guī)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,專門用于Wi-Fi和互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議,從而讓主機(jī)MCU不再承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)活動負(fù)載。CC3135具有雙頻段802.11a/b/g/n無線電、基帶和MAC,具有強(qiáng)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(nèi)置電源管理功能,從而實現(xiàn)最佳低功耗性能。

#05 RFID

射頻識別 (RFID) 利用無線電波在短距離內(nèi)將少量數(shù)據(jù)從RFID標(biāo)簽傳輸?shù)介喿x器。這種物聯(lián)網(wǎng)無線技術(shù)既可以在視線之外工作,也可以在連接標(biāo)簽時工作,標(biāo)簽?zāi)茉趲桌迕咨踔翈酌椎姆秶鷥?nèi)讀取。通過在各種產(chǎn)品和設(shè)備上貼上RFID標(biāo)簽,企業(yè)可以實時跟蹤庫存和資產(chǎn),從而實現(xiàn)更好的庫存和生產(chǎn)計劃以及優(yōu)化的供應(yīng)鏈管理。隨著IoT采用率的提高,RFID繼續(xù)在零售行業(yè)占據(jù)一席之地,支持智能貨架、自助結(jié)賬和智能鏡子等新的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)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(jié)合遠(yuǎn)距離讀取性能與加密驗證功能的UHF (超高頻) RAIN RFID標(biāo)簽IC。借助這款產(chǎn)品,開發(fā)人員無需在非接觸式性能和應(yīng)用安全需求之間進(jìn)行取舍。該標(biāo)簽IC將先進(jìn)的非接觸式性能與加密安全性相結(jié)合,實現(xiàn)了各種智能城市應(yīng)用,如資產(chǎn)標(biāo)簽、自動車輛識別、訪問控制和供應(yīng)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(zhí)行加密身份驗證檢查。

#06 蜂窩技術(shù)4G/5G

蜂窩網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用。然而,這些無線技術(shù)具有高功耗和高運營成本。雖然蜂窩網(wǎng)絡(luò)不適用于大多數(shù)由電池驅(qū)動的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用,但它們對于一些特定應(yīng)用非常適合,如車內(nèi)信息娛樂、高級駕駛員輔助系統(tǒng) (ADAS) 以及車隊遠(yuǎn)程信息處理和跟蹤服務(wù),都可以依賴無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支持的5G等蜂窩技術(shù)有望成為增強(qiáng)現(xiàn)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(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 、醫(yī)療數(shù)據(jù)實時傳輸和公共安全監(jiān)控視頻等時間關(guān)鍵型應(yīng)用的絕佳選擇。

如何選擇最適合的物聯(lián)網(wǎng)無線技術(shù)?

要選擇正確的物聯(lián)網(wǎng)無線技術(shù),需要根據(jù)具體需求來評估,在功耗、數(shù)據(jù)范圍和帶寬之間進(jìn)行權(quán)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(shù)據(jù)?

需要的功率是多少?

數(shù)據(jù)源離互聯(lián)網(wǎng)有多遠(yuǎn)?

服務(wù)費用有多高?

這些設(shè)備將在哪里使用? (比如在建筑物內(nèi)使用還是在建筑物外使用)

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中有許多優(yōu)秀的無線通信技術(shù)。然而,沒有一種技術(shù)是面面俱到的。選擇最佳無線技術(shù)首先取決于物聯(lián)網(wǎng)項目的具體要求和需求。此外,準(zhǔn)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。

審核編輯:郭婷

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    <b class='flag-5'>盤點</b><b class='flag-5'>六種</b>最常見的<b class='flag-5'>物</b><b class='flag-5'>聯(lián)網(wǎng)</b><b class='flag-5'>無線</b><b class='flag-5'>技術(shù)</b>

    淺談六種聯(lián)網(wǎng)無線通信技術(shù)對比

    各種無線連接技術(shù),并根據(jù)商業(yè)和工業(yè)聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中最重要的特性對它們進(jìn)行比較。以便大家清楚知道在什么環(huán)境下使用哪種無線通信
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    淺談<b class='flag-5'>六種</b><b class='flag-5'>物</b><b class='flag-5'>聯(lián)網(wǎng)</b><b class='flag-5'>無線</b>通信<b class='flag-5'>技術(shù)</b>對比

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    六種主流聯(lián)網(wǎng)無線技術(shù)盤點:一文治愈你的無線選擇困難癥!

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    的頭像 發(fā)表于 12-07 10:38 ?985次閱讀
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