滿足物聯網應用需求的無線通信技術

大多數物聯網節點都是傳感器、計算和連接的組合，后兩者起著非常重要的作用。下次我們將專注于物聯網的計算部分。

從有線轉向無線是實現物聯網的先決條件。盡管就技術時間尺度而言，獨立的無線通信已經存在了很長時間，但需要取得重大進展，以使其更小、更便宜、更節能，足以滿足物聯網應用的需求。

天線尺寸與所用無線電波的波長直接相關——波長越短，天線越小。這就是為什么大多數物聯網通信使用幾GHz量級的頻率的原因。隨著基于毫米波的技術即將出現，我們將看到更小的天線。固定物聯網節點可以通過使用數百 MHz 的頻率來交換范圍的大小。

由于硅縮放和射頻前端的進步，每一代新一代接收器都變得更加敏感。作為直接結果，變速器現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重要技術進步是基于分組的通信。通過以數據包突發方式發送數據，系統能夠在突發之間“休眠”。突發時間越短，消耗的功率越少。為了能夠在有限的帶寬下在更短的時間內發送所需的信息，開發了正交幅度調制（QAM）和差分正交相移鍵控（DQPSK）等調制技術來提高頻譜效率。

拼圖的最后一塊是標準化。無線通信跨越一系列頻率、調制技術和數據包結構。手機的普及，除了啟動蜂窩網絡之外，還幫助藍牙點對點無線電技術的發展。藍牙還將設備從以前使用的紅外技術的清晰視距限制中解放出來。此后，藍牙及其低功耗 （LE） 變體在短距離、低中比特率通信技術方面一直保持領先地位，即使在競爭技術的浪潮中也是如此?；ヂ摼W時代和擺脫那些不太好看的LAN電纜的需求催生了WiFi。智能裝置的城市級通信的遠程通信也在增加，盡管使用低比特率技術。

電器、工業設備、車輛和建筑物的安全、安保和效率要求推動了對更多信息和更好選擇的需求，以連接和管理先進的傳感器，以構建更智能的世界。在未來幾年內，各種網絡將使數萬億無線設備相互連接。

重要的是要記住，即使通過連接的物聯網設備正在以顯著的速度增長，它們仍處于起步階段。這意味著隨著新應用的出現，將需要在速度、功耗、范圍和容量方面提供顯著改進。該領域的潛在商機繼續推動工程的極限。工程師面臨的設計挑戰是從廣泛的可用選擇中選擇合適的通信協議，如藍牙經典、Wi-Fi、ZigBee、低功耗藍牙（藍牙智能）、近場通信 （NFC） 和許多專有協議。找到要使用的正確協議的關鍵考慮因素是找到最能滿足應用程序對高吞吐量、低功耗、尺寸、無縫互操作性、安全通信、易于開發和易用性需求的協議。

設計人員總是樂于編寫自己的自定義專有協議，以實現特定產品的最佳功耗和效率。但是，在當今世界，期望您的產品需要通過標準協議與生態系統中的其他設備進行通信是不費吹灰之力的。因此，互操作性可以說是設計無線鏈路時最重要的要求，為使用標準協議提供了令人信服的論據。

讓我們根據您的應用需求探索各種無線協議以及何時使用它們。

無線上網：WiFi是無線協議的流行選擇，通常提供非常高的數據吞吐量，中遠程和復雜的安全選項。通常，WiFi的非常高的數據速率使其成為需要互聯網訪問的應用的首選協議。然而，WiFi的代價是功耗更高，使其成為電池供電應用的絕佳選擇。其主要應用包括筆記本電腦、臺式計算機和服務器。

WiFi的最大優勢是支持現有的標準分組交換LAN協議。畢竟，它實際上是以太網電纜的無線版本（正如我們前面提到的，它很丑！當您擁有WiFi時，互聯網并不遙遠 - 只需連接到人口稠密地區周圍可用的眾多Wi-Fi“熱點”之一即可。下面提到的無線技術使用簡單的分組結構，需要額外的“自定義”應用程序才能理解它們，并將“互聯網”放入“物聯網”。

ZigBee：ZigBee提供低功耗，輕量級堆棧和良好的市場占有率。但是，ZigBee并未廣泛用于PC和智能手機等消費類設備，從而限制了設備可以連接的節點。ZigBee的最佳替代品是Bluetooth Classic，它是作為一種在短距離內交換數據的方式而開發的。ZigBee的主要應用包括工業自動化、家庭自動化和智能計量。

藍牙經典：藍牙是個人局域網 （PAN） 的傳統標準，通過音頻流傳輸到手機耳機而流行。與WiFi相比，藍牙經典協議提供了更好的電源效率。然而，對于極低的功耗，低功耗藍牙是一種更具吸引力的選擇。主要應用包括移動電話、電腦鼠標、鍵盤以及辦公和工業自動化設備。

低功耗藍牙：BLE，也稱為智能藍牙，針對傳輸狀態或控制信息（即有限數據）的短距離低功耗無線應用進行了優化。該協議最適合電池供電的應用，如可穿戴設備、智能家居、智能手表、移動電話和其他便攜式設備。

長距離 （LoRa）：LoRa 提供遠距離， 低功耗無線平臺.LoRa 物聯網節點通常體積龐大，需要相對較大的外部天線。這些因素通常不是一個限制，因為這些節點通常連接到大型設備、建筑物或車輛上。典型應用包括智能城市、智能家居和建筑、智能農業、智能計量、智能供應鏈和物流等。

我們有許多高效且復雜的無線電通信技術可用于物聯網應用。但是，如果連接到物聯網節點的集成計算元素不夠強大，無法處理其吞吐量和/或軟件/固件不夠簡單，無法“隱藏”其固有的復雜性，則物聯網節點將無法按要求執行。我們將在本系列的后續部分中探討這些問題。

審核編輯：郭婷