在“物聯(lián)網(wǎng)”中添加“物”的六種方法

　　R. Beddor（Microchip公司）
　　摘? 要：概述物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中最常用的六種連接方法類型。
　　關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；連接；以太網(wǎng)；Wi-Fi；LPWAN

　　0 引言

　　如果您正在在線閱讀本文，則很可能是通過蜂窩網(wǎng)絡(luò)、Wi-Fi或以太網(wǎng)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接的。盡管這些連接方法在消費類電子產(chǎn)品中廣泛應(yīng)用，但與物聯(lián)網(wǎng)（IoT）邊緣節(jié)點并無太多關(guān)聯(lián)。與消費類產(chǎn)品不同，大多數(shù)邊緣設(shè)備不用檢查電子郵件（很幸運）或播放流媒體電影，因此這些設(shè)備無需高數(shù)據(jù)速率。
　　物聯(lián)網(wǎng)解決方案通常連接成百上千個邊緣設(shè)備（如圖1）。隨著更多邊緣設(shè)備的加入，成本和電源管理等常見的設(shè)計約束也越來越多。在這種規(guī)模下，產(chǎn)品與互聯(lián)網(wǎng)的連接方式將決定解決方案的成功與否。

　　本指南將概述物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中最常用的連接方法類型。請按照指導(dǎo)權(quán)衡您的選擇，確定如何在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計中添加“物”。
　　1 以太網(wǎng)

　　以太網(wǎng)是一種將“物”連接到“網(wǎng)”的快速可靠的方法。以太網(wǎng)常見于工業(yè)和樓宇自動化行業(yè)，尤其適用于在同一網(wǎng)絡(luò)中包含許多節(jié)點的系統(tǒng)。
　　由于以太網(wǎng)采用硬接線方式，因此本質(zhì)上也是一種非常安全的連接方法。還可以使用以太網(wǎng)電纜，通過以太網(wǎng)供電（PoE）方式為設(shè)備供電，這樣便無需再使用單獨的電源模塊。
　　但是，硬接線確實帶來了巨大的設(shè)計挑戰(zhàn)，而且并非適用于所有應(yīng)用。通過以太網(wǎng)連接的節(jié)點必須靠近路由器。即使在家庭和樓宇自動化等短距離應(yīng)用中，以太網(wǎng)電纜的規(guī)模也同樣龐大，如何管理和隱藏纜線是一項重大挑戰(zhàn)。在現(xiàn)代建筑中，自動照明系統(tǒng)在施工時使用硬接線方式，但是在未采用相關(guān)設(shè)計的建筑中安裝以太網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)通常是不可行的。
　　2 Wi-Fi連接

　　作為互聯(lián)網(wǎng)連接的必備工具，Wi-Fi的無線特性極具吸引力。Wi-Fi受到主流設(shè)備的廣泛支持，并且不像以太網(wǎng)一樣存在硬接線限制。
　　盡管具備普適性，但是將Wi-Fi功能添加到嵌入式設(shè)計中通常很復(fù)雜。Wi-Fi之所以有吸引力是因為其無需接線且速度很快（如圖2），但這種方法也存在安全漏洞和功耗問題。因此，進行基于Wi-Fi的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計時，工程師需要在安全性、功耗和成本方面精心權(quán)衡。

　　幸運的是，現(xiàn)在已經(jīng)有解決方案能夠幫助工程師攻克這些障礙。使用針對物聯(lián)網(wǎng)優(yōu)化的Wi-Fi模塊有助于簡化設(shè)計并節(jié)省開發(fā)時間。諸如WINC1500等模塊經(jīng)過全面認證，支持安全協(xié)議，而且針對電池供電設(shè)備進行了優(yōu)化，可在不影響成本和功耗的前提下實現(xiàn)Wi-Fi連接。
　　3 低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）
　　LPWAN在消費類產(chǎn)品中不太常見，因此您可能并不熟悉。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的很大一部分是廣域應(yīng)用，例如環(huán)境監(jiān)控。
　　使用物聯(lián)網(wǎng)進行環(huán)境監(jiān)控的優(yōu)勢在于，我們可以監(jiān)控鄉(xiāng)村（如圖3）、近海和通常無法進入的區(qū)域。而問題就在于這些地點位于鄉(xiāng)村、近海和通常無法進入的區(qū)域，您無法給漂浮在馬里亞納海溝中的設(shè)備快速充電，也無法在莫哈韋沙漠里連接到Wi-Fi。

　　典型的LPWAN使用范圍約為10 km左右。數(shù)據(jù)傳輸速度非常慢，但是，除非您的物聯(lián)網(wǎng)解決方案在檢查電子郵件或播放流媒體視頻，否則您不太可能需要高速連接。
　　盡管常用于農(nóng)業(yè)和偏遠地區(qū)，但LPWAN并不局限于此。LPWAN在城市中的利用率正不斷增長，例如用于跟蹤拍賣場中車輛的LPWAN應(yīng)用已成為北美最大的商用物聯(lián)網(wǎng)部署之一。
　　有兩種常用的LPWAN協(xié)議：LoRaWAN（源自長距離，也稱為LoRa）和Sigfox。兩者之間的一大差異是成本。Sigfox是一項基于訂閱的服務(wù)，其工作方式與蜂窩網(wǎng)絡(luò)類似。如果Sigfox在您的地區(qū)可用，則可以通過訂閱本地供應(yīng)商的服務(wù)實現(xiàn)連接。使用LoRaWAN時，開發(fā)人員可以通過創(chuàng)建“自助式”網(wǎng)絡(luò)來省去訂閱費用，但是大多數(shù)人仍會選擇使用本地網(wǎng)絡(luò)供應(yīng)商的LoRa網(wǎng)關(guān)基礎(chǔ)架構(gòu)并按用量付費。
　　4 蜂窩網(wǎng)絡(luò)

　　除了農(nóng)村深處和偏遠地區(qū)，蜂窩網(wǎng)絡(luò)可以覆蓋其余所有地方。對于需要此類覆蓋范圍的嵌入式系統(tǒng)，蜂窩網(wǎng)絡(luò)是唯一的選擇。但是蜂窩網(wǎng)絡(luò)十分昂貴。您必須選擇網(wǎng)絡(luò)供應(yīng)商，而且只有在通過政府監(jiān)管部門批準后才能建立自己的網(wǎng)絡(luò)。對于每個節(jié)點來說，嵌入式組件和供應(yīng)商訂閱的高昂成本通常會抵消蜂窩網(wǎng)絡(luò)廣泛的覆蓋范圍所帶來的優(yōu)勢。
　　也就是說，您需要權(quán)衡使用蜂窩網(wǎng)絡(luò)連接“物”和每月為手機服務(wù)付費的利弊。物聯(lián)網(wǎng)專用的蜂窩網(wǎng)絡(luò)正如雨后春筍般興起，與LPWAN形成競爭之勢。LTE CAT-M是一種快速發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)。其 中“M”代表“機器”，該網(wǎng)絡(luò)針對物聯(lián)網(wǎng)進行了優(yōu)化，是一種速度、成本和功耗更低的解決方案。不 過，您的手機費用可能會很高，CAT-M計劃的收費標準約為每月7美元，僅提供5 MB的數(shù)據(jù)。蜂窩網(wǎng)絡(luò)物聯(lián)網(wǎng)連接的其他選項還包括CAT-0、CAT-1和新推出的NB-IoT（NB表示“窄帶”）。
　　5G的推出有望推動物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的創(chuàng)新。盡管5G的價格要比面向物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)更高，但其更快的速度可以進一步推動尖端物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用（例如自動駕駛汽車）的發(fā)展。5G的覆蓋范圍遠遠不及LTE或3G，但仍在不斷擴展。一些行業(yè)分析師預(yù)測，在未來五年內(nèi)，5G的使用量將占到全球人口的20%。

　　5 衛(wèi)星

　　蜂窩網(wǎng)絡(luò)可以覆蓋大多數(shù)人口稠密的地區(qū)，但 是，要如何在偏遠荒涼的地區(qū)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接呢？
　　衛(wèi)星連接可用于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，例如蜂窩服務(wù)無法覆蓋的地球偏遠地區(qū)的運輸物流。雖然隨著衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，情況有望發(fā)生變化，但是開發(fā)衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用并不像開發(fā)其他連接選項那樣容易（如圖4）。

　　許多衛(wèi)星星座會留作國防用途，但您可以從Iridium和ORBCOMM處購買相關(guān)模塊。
　　6 Bluetooth連接

　　對于藍牙您可能并不陌生。Bluetooth Classic（藍牙經(jīng)典）和Bluetooth Low Energy（BLE，藍牙低功耗）的最大范圍均在100 m以上，但通常用于相距不超過幾米的設(shè)備。日常生活中，藍牙在手機和電腦配件中隨處可見，廣泛應(yīng)用于耳機、鍵盤和顯示技術(shù)。
　　得益于低功耗（BLE的功耗尤其低）、廣受支持并且可以快速配對的特性，藍牙非常適合消費類電子產(chǎn)品。

　　與Wi-Fi不同，藍牙不會直接連接到互聯(lián)網(wǎng)。您需要設(shè)置網(wǎng)關(guān)才能接入互聯(lián)網(wǎng)。雖然自行設(shè)置網(wǎng)關(guān)聽起來很麻煩，但通常操作起來就像使用手機連接Wi-Fi一樣容易。
　　最近更新的藍牙5.0版本擴展了藍牙的范圍，可以在家庭局域網(wǎng)中使用。盡管Bluetooth Classic和Bluetooth LE通常用于連接僅相距數(shù)米的設(shè)備，但整個家庭都可以通過藍牙5.0實現(xiàn)互聯(lián)。應(yīng)用范圍的擴展幫助藍牙成功進軍家庭自動化、照明和工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。
　　7 建議

　　這些連接方法的主要變化趨勢是簡化實施過程。Wi-Fi和藍牙等常用網(wǎng)絡(luò)通常是評估和探索IoT設(shè)計的最簡單方法。這些網(wǎng)絡(luò)無需自行搭建網(wǎng)關(guān)或向供應(yīng)商付費。
　　消費者可以使用多種Wi-Fi和藍牙原型模塊，其中很多都提供開源代碼和編程教程。我們建議使用連接模塊，因為這樣會使設(shè)計更加靈活。當需要針對不同的網(wǎng)絡(luò)調(diào)整設(shè)計時，您可以更換模塊而不必從頭開始。
　　8 簡化設(shè)計流程

　　連接到互聯(lián)網(wǎng)只是物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計流程的一部分。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)具備3個元素：智能、連接和安全。
　　這些元素分別對應(yīng)于3個電氣元件：單片機（MCU）、連接模塊和安全元件。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計的挑戰(zhàn)在于如何集成上述三種元件。 

　　1）Microchip的AVR-IoT WG開發(fā)板是精簡型Wi-Fi開發(fā)平臺的一個示例。這款開發(fā)板經(jīng)過預(yù)先配置，可以安全連接到Google Cloud的物聯(lián)網(wǎng)平臺。通過將安全元件、Wi-Fi控制器和MCU集成在同一塊開發(fā)板上，您可以省去許多細碎的設(shè)計工作，直抵問題核心：以創(chuàng)新和快速的方式將物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品推向市場。 

　　2）Arduino Uno WiFi Rev 2同樣能夠提供智能、連接和安全元素。Arduino擁有一個活躍的原型設(shè)計社區(qū)，在線提供了許多使用教程和開源代碼。 

　　3）MikroElektronika click boards是快速原型設(shè)計模塊（如圖5），可直接連接到AVR-IoT WG開發(fā)板，或通過Arduino Uno WiFi R2的Shield板實現(xiàn)連接。這款模塊提供多個連接click板（包括各種LoRa和藍牙模塊），是在原型設(shè)計階段向物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計中添加連接的得力助手。

　　4）Arduino和AVR-IoT WG開發(fā)板等用戶友好型工具顯著降低了構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的難度。無論您是嵌入式設(shè)計人員、制造商還是只是一個對此領(lǐng)域感興趣的電子博客粉絲，您都可以構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。這種強大的可訪問性以及日益互聯(lián)互通的世界，確保了連接將以前所未有的方式繼續(xù)推動行業(yè)進步。

　　本文來源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2020年第02期第22頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。