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盘点六种最常见的物联网无线技术

物联网通信技术分为短距离无线局域网和低功耗无线广域网(LPWAN)两大类,蓝牙、Wi-Fi、ZigBee等属于短距离无线局域网,LPWAN主要用于远距离、低带宽、低功耗、大量连接需求的物联网应用场景,近几年在市场上风生水起的LoRa就是LPWAN中最具代表性的技术。\” />

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物联网通信技术分为短距离无线局域网和低功耗无线广域网(LPWAN)两大类,蓝牙Wi-FiZigBee等属于短距离无线局域网,LPWAN主要用于远距离、低带宽、低功耗、大量连接需求的物联网应用场景,近几年在市场上风生水起的LoRa就是LPWAN中最具代表性的技术。

我们知道,物联网(IoT)是一个始于连通,在应用上具有广泛多样性的领域。因此,在设计过程中很难找到一个一刀切的无线通信解决方案。为了帮助大家在工作中快速寻找到符合特定项目需求的最佳无线连接方案,本文将对IoT中应用最广泛的6种无线通信技术逐一进行梳理。

六种最常见的物联网无线技术

物联网部署通常包括多种技术,每种技术在各种网络标准中都有其优缺点,选用时必须综合考虑。比如,蓝牙常被用于可穿戴和车载设备,Wi-Fi则主要用于数据传输和设备控制,企业应用通常是Wi-Fi、Zigbee和蓝牙等多个无线技术的组合。

盘点六种最常见的物联网无线技术

图1:不同的无线通信技术对应的物联网应用场景

(图源:Semtech)

#01

LPWAN

LPWAN通过使用小型廉价电池可提供长达数年的远程无线通信,该技术专门用于支持遍布工业和商业校园的大规模物联网网络,为那些无需频繁数据传输,且低速和低移动性的设备(如IoT传感器)提供连接。在保持低功耗情况下,LPWAN可为数千个传感器在广域范围内通信,在消耗品监控、环境监控、占用检测和资产跟踪等领域有着广泛应用。

LPWAN中包含多种无线通信技术和标准。在需要授权许可频谱中运行的LPWAN技术有:

LTE-M

NB-IoT

无授权许可的LPWAN技术则是:

LoRa

Sigfox

目前,LoRaWAN和NB-IoT已显示出强劲的应用势头,有望在未来几年获得LPWAN市场较大的份额。

LPWAN中包含多种无线通信技术和标准。在需要授权许可频谱中运行的LPWAN技术有LTE-M和NB-IoT,LoRa、Sigfox等则属于无授权许可的LPWAN技术。目前,LoRaWAN和NB-IoT已显示出强劲的应用势头,有望在未来几年获得LPWAN市场较大的份额。

与LTE一样,NB-IoT在上行链路中使用频分多址(FDMA),在下行链路中使用正交FDMA(OFDMA)以及正交相移键控(QPSK)调制。NB-IoT在许可频谱上没有占空比限制,但其代价是相对于LoRaWAN的更高总拥有成本(TCO)。另外,作为一种同步协议,NB-IoT比LoRaWAN能耗要大得多。那些需要频繁通信的IoT应用可以选择NB-IoT,比如,连接远程环境传感器,以测量不同的天气要素,如压力、湿度、风速、温度等。

据Counterpoint发布的统计报告,在全球NB-IoT模组所采用的芯片解决方案中,高通稳居市场第一,占有约一半的市场份额;出货量排名第二的是华为海思,紫光展锐位居第三。以华为海思NB-IoT芯片Boudica 200为例,该产品于2020年在个人穿戴、资产跟踪和工业检测等领域实现原型应用。

2021年,移远通信正式推出其第三代5G NB-IoT系列模组BC95-CNV和BC28-CNV,两款模组均基于海思Boudica 200平台,同时增加了蓝牙、OpenCPU、GNSS定位等能力,模组的集成度、性价比和安全性得到大幅提升,为智能表计、烟感、智能停车、智慧路灯等百万级成熟NB-IoT应用提供了更优选择。

LoRa是在物理层中使用的调制技术,通过使用CSS调制实现远程低功率通信,拥有很强的抗干扰能力和低信噪比水平。LoRaWAN与蓝牙类似,但它为小数据包提供了更长的传输范围,并且功耗较低。根据LoRa联盟的数据,截至2019年4月,全球55个国家已经建立了113个LoRaWAN网络,而NB-IoT网络约为90个。在天然气、水设施以及智能电表等公用事业,LoRaWAN的市场表现最为突出。根据ABI的调研,中国是智能表计项目中LoRaWAN的早期采用者,约占全球2018年出货芯片的65%。

最近,LoRaWAN被国际电信联盟(ITU)正式批准成为LPWAN的通信标准。同期,LoRa联盟给出的最新数据表明,截至2021年12月,全球已经部署了270多万个基于LoRa的网关,基于LoRa的终端节点累计超过2.8亿个。预计到2026年,50%的LPWAN物联网解决方案将会使用LoRa方案。随着物联网市场的不断发展,LoRaWAN和NB-IoT这两个无线通信方案,将通过在一些垂直市场上的竞争,并根据各种物联网使用案例的成本、覆盖率和带宽要求在其他垂直市场上实现互补,并在市场上共存。

Semtech是LoRa联盟的主要创始成员,其LoRa产品线包括网关、收发器、接收器和发射器,涵盖从低kHz到2.4GHz的工业、科学和医疗(ISM)频段的无线电频谱。采用Semtech专利调制技术的LoRa产品SX1276/77/78/79拥有-148dBm的高灵敏度,将超高灵敏度与集成的+20dBm功率放大器相结合,产生了行业领先的链路预算,使得这一产品系列成为稳健性应用的最佳选择。目前,这些产品已用于自动读表、家庭和楼宇自动化、无线警报和安全系统、工业监控、远距离灌溉系统等诸多领域。

#02

蓝牙和蓝牙低功耗(BLE)

蓝牙是一种短距离无线通信技术,它最初是为无线耳机设计的,但后来扩展到视频游戏控制器、打印机、扬声器等应用。目前有两种蓝牙版本,即经典蓝牙和蓝牙低功耗(BLE)。经典蓝牙(Bluetooth Classic)最初用于消费设备之间的点对点或点对多点(最多七个从属节点)的数据交换。后来,针对功耗进行优化,引入了蓝牙低功耗技术以此解决功耗敏感型的IoT应用需求。

支持BLE的IoT设备通常与智能设备(如智能手机)一起使用,在这里,智能手机主要负责向云端传输数据。现在,BLE被广泛集成到健身和医用可穿戴设备(如智能手表、血糖仪、脉搏血氧仪等)以及智能家居设备(如门锁)中。2017年发布的蓝牙Mesh规范实现了更具可扩展性的设备部署,特别是在零售环境中。BLE beacon网络因提供多种室内定位功能,可用于解锁新的服务创新,如内容交付、店内导航和个性化促销等。这些新技术的出现都是面向市场需求蓝牙技术不断扩展的结果。

STMicroelectronics公司的STM32WB MCU是一款双核多协议无线MCU,同时支持BLE、Zigbee和Thread等无线通信标准,该芯片的双核分别是运行于64MHz的Arm Cortex-M4(应用处理器)和运行于32MHz的Arm Cortex-M0+(网络处理器)。BLE射频收发器采用蓝牙技术联盟认可的Bluetooth5.0无线协议栈和配置文件,符合Mesh配置文件要求的V1.0蓝牙技术联盟版本,以及适用于任何蓝牙低功耗或专有解决方案(包括Zephyr或Arm Cordio协议栈)的HCI。通用的IEEE 802.15.4 MAC层确保STM32WB可以运行专有协议或全栈,包括Zigbee PRO 2017和低功耗OpenThread Mesh网络协议,为设计人员提供更多将设备连接到物联网(IoT)的选项。

盘点六种最常见的物联网无线技术

图4:双核多协议无线STM32WB MCU选型参考

(图源:STMicroelectronics)

#03

Zigbee和其他Mesh协议

Zigbee是一种短距离、低功耗的无线标准(IEEE 802.15.4),工作频率为2.4GHz,耗电极少。通常部署在网状拓扑中,通过在多个传感器节点上中继传感器数据来扩展覆盖范围。与LPWAN相比,Zigbee提供了更高的数据传输速率,但同时,由于网格配置,功率效率要低得多。通常情况下,Zigbee是Wi-Fi的完美补充,是智慧照明、HVAC控制、智能仪表、家庭能源、安全监控和智能恒温器等家庭自动化应用的理想选择。

在LPWAN出现之前,mesh网络已经在工业环境中实现,支持多种远程监控解决方案。然而,对于地理位置分散的许多工业设施来说,它们远不是理想的方案,而且它们的理论可扩展性往往受到日益复杂的网络设置和管理的限制。由于物理距离较短(<100m),Zigbee和类似的mesh协议(如Z-Wave、Thread等)非常适合近距离、节点均匀分布在附近的中距离IoT应用。

CC2652R7是Texas Instruments(TI)公司SimpleLink系列中的一个多协议2.4GHz无线MCU,内置ARM Cortex-M0 M4F内核,通过动态多协议管理器(DMM)驱动程序支持Thread、Zigbee、Matter、蓝牙、IEEE 802.15.4g等并发多协议。CC2652R7具有0.9µA的超低休眠电流,除了M4F处理器外,还配置了一个具有快速唤醒功能的超低功耗传感器控制器CPU,能够在1µA系统电流下进行1Hz的ADC采样。

盘点六种最常见的物联网无线技术

图5:支持Thread、Zigbee、Matter、蓝牙等并发多协议的CC2652R7结构框图(图源:TI)

#04

Wi-Fi

Wi-Fi是当今应用最广泛的无线通信技术之一,它的版本比较多,如802.11b、802.11n、802.11a、802.11g和802.11ac,这些标准在数据速度和成本方面差异很大。传输频率高是Wi-Fi与其他无线技术的一个关键区别,这意味着它可以携带更多的数据。不过,Wi-Fi的功率要求很高,覆盖范围有限。虽然Wi-Fi在企业和家庭中有着极其广泛的应用,但在IoT领域,因其在覆盖范围、可扩展性和功耗方面的限制,大大降低了它的普及程度。对于不使用电池供电且需要传输大量数据的IoT应用,Wi-Fi仍然是一个极好的选择。新一代的Wi-Fi 6,网络带宽最高已达到9.6Gbps,大幅提升了设备的数据吞吐量,有助于增强公共Wi-Fi基础设施,同时改善娱乐和零售行业数字服务的客户体验。如果将Wi-Fi 6用于信息娱乐和车载诊断的车内网络,这将成为最能改变游戏规则的Wi-Fi使用案例。

TI公司的CC3135 CC3135 SimpleLink Wi-Fi网络处理器,可以将任何微控制器连接至IoT。该器件包含的Arm Cortex-M3 MCU,专门用于Wi-Fi和互联网协议,从而让主机MCU不再承担网络活动负载。CC3135具有双频段802.11a/b/g/n无线电、基带和MAC,具有强大加密引擎,这些功能提供采用256位加密的快速、安全互联网连接,内置电源管理功能,从而实现最佳低功耗性能。

盘点六种最常见的物联网无线技术

图6:CC3135 SimpleLink双频段网络处理器Wi-Fi与蓝牙共存(图源:TI)

#05

RFID

射频识别(RFID)利用无线电波在短距离内将少量数据从RFID标签传输到阅读器。这种物联网无线技术既可以在视线之外工作,也可以在连接标签时工作,标签能在几厘米甚至几米的范围内读取。通过在各种产品和设备上贴上RFID标签,企业可以实时跟踪库存和资产,从而实现更好的库存和生产计划以及优化的供应链管理。随着IoT采用率的提高,RFID继续在零售行业占据一席之地,支持智能货架、自助结账和智能镜子等新的物联网应用。

NXP Semiconductors拥有丰富的RFID系列产品。以UCODE DNA系列为例,这是一款结合远距离读取性能与加密验证功能的UHF(超高频)RAIN RFID标签IC。借助这款产品,开发人员无需在非接触式性能和应用安全需求之间进行取舍。该标签IC将先进的非接触式性能与加密安全性相结合,实现了各种智能城市应用,如资产标签、自动车辆识别、访问控制和供应链管理。UCODE DNA RAIN RFID的安全性基于存储在IC硬件中的128位AES密钥,并执行加密身份验证检查。

盘点六种最常见的物联网无线技术

图7:NXP RAIN RFID标签IC用于自动车辆识别方框图

(图源:NXP)

#06

蜂窝技术4G/5G

蜂窝网络为消费者移动市场提供可靠的宽带通信,如视频流和语音呼叫应用。然而,这些无线技术具有高功耗和高运营成本。虽然蜂窝网络不适用于大多数由电池驱动的物联网应用,但它们对于一些特定应用非常适合,如车内信息娱乐、高级驾驶员辅助系统(ADAS)以及车队远程信息处理和跟踪服务,都可以依赖无处不在的高带宽蜂窝连接。在IoT领域,具有超低延迟和高速移动支持的5G等蜂窝技术有望成为增强现实(AR)和自动驾驶的未来。由于通信延迟比4G短10倍,5G正在成为工业物联网(IIoT)、医疗数据实时传输和公共安全监控视频等时间关键型应用的绝佳选择。

如何选择最适合的物联网无线技术?

要选择正确的物联网无线技术,需要根据具体需求来评估,在功耗、数据范围和带宽之间进行权衡,同时还要考虑电池大小、成本、传输距离以及固件更新等因素。下面我们列出以下几个问题,回答了这些问题后,你可能就找到了答案:

您需要传输多少数据?

需要的功率是多少?

数据源离互联网有多远?

服务费用有多高?

这些设备将在哪里使用?(比如在建筑物内使用还是在建筑物外使用)

物联网应用中有许多优秀的无线通信技术。然而,没有一种技术是面面俱到的。选择最佳无线技术首先取决于物联网项目的具体要求和需求。此外,准确评估带宽、功耗、QoS、网络管理、安全性和覆盖范围有助于缩小选择范围。

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原文标题:六种主流物联网无线技术盘点:一文治愈你的无线选择困难症!

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审核编辑:汤梓红

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