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物联网中的几大关键无线通信技术,你更看好谁

作者:时间:2023-02-15来源:Mouser收藏

物联网(IoT)这个概念于1999年首次出现,它描述了一种使用互联网来改善人类生活的智能设备网络。比如一辆装配有各种传感器的汽车,当轮胎压力不足时,传感器就会向你的手机发出提醒。除了运用大量的传感器,物联网还是各种无线互连技术的竞技场,蜂窝、Wi-Fi、BLE、NB-IoT、LTE-M、LoRa、Zigbee、NFC,甚至卫星通信等众多无线技术在物联网中,均发挥着关键作用。这些技术使得数十亿物联网设备将每天捕获的海量数据传输到数据中心并加以处理,从而服务于千行百业。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/202302/443366.htm

物联网中的连接技术

物联网应用在本质上是关于设备或过程的远程监控和管理。没有连接,物联网就不可能存在,物联网生态系统中的设备只有连接到其他设备才能工作。目前有很多种技术可以提供这种连接,如图1所示。


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图1:不同应用下所需的连接技术

(图源:Transforma Insights)


图1中列举的蜂窝、蓝牙、Wi-Fi、Zigbee、LTE-M、LoRa、NFC等均是物联网中最常见的通信技术和协议,这些物联网通信协议满足了绝大部分物联网系统的特定功能要求。


蜂窝通信是一个由电信运营商部署且覆盖范围广、可靠性和安全性都很高的无线网络,用户无需再建一个全新的网络来连接物联网项目中的各种设备。蜂窝连接通常是高度移动的物联网系统的理想选择。随着5G的大规模部署,跨广域连接的物联网设备(也称为“大规模物联网”,massive IoT)将成为现实,将跨广域连接数千个物联网设备。高数据速率蜂窝连接是数据密集型物联网应用、高速移动设备和实时视频流的完美选择。在超大规模蜂窝物联网白皮书中给出了这样一组数据,到2026年底,蜂窝物联网仅占所有连接的22%,算下来约有59亿设备将通过蜂窝网络实现连接。原因也很明显,即:虽然蜂窝网络能够发送大量数据,尤其是4G和5G网络,但对于许多应用来说,它的成本和功耗太高了。


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图2:使用不同技术的物联网设备的实际和预测数量

(图源:IoT Analytics)


绝大多数物联网连接使用的是短程无线技术,如Wi-Fi、蓝牙、Z-wave和Zigbee等(如图2)。其中,Wi-Fi连接是最受欢迎的物联网通信协议之一,特别是考虑到局域网内家庭和工作环境中的Wi-Fi可用性,许多开发者都会优先选择它。因此,Wi-Fi在物联网中的应用非常普遍,从智能电视、智能灯泡到智能冰箱等一系列智能设备,一切都可以使用Wi-Fi网络轻松操作。在餐厅和商业场所很流行的数字标牌,Wi-Fi也是一个绝佳的选择,因为这些商店中的绝大多数已经安装了Wi-Fi路由器,执行方案也非常简单。


总的来说,对于物联网生态系统仅限于特定区域的应用而言,如家庭或办公室,Wi-Fi肯定是一个简单而有效的选择。Wi-Fi的优点很明显,包括在私人环境中保护网络的能力以及对传输数据量没有成本限制等。同样,缺点也是众所周知的,如可靠性略低、数据传输范围有限、功耗较高等。


目前,许多家庭和企业最常使用的是Wi-Fi 5(802.11ac)或者更早一些的版本。Wi-Fi 5的最高数据传输速率可达6.9Gbps,这对于文件传输来说足够了。但在企业市场,尤其是工业物联网(IIoT)应用,如工业自动化、监控和远程控制、AR/VR以及其他需要高带宽、低延迟和高连接可靠性的视频类的应用,这个传输速率有时会显得力不从心。现在,Wi-Fi 6已经从早期部署快速过渡到规模应用,网络的速度和容量得到大幅提升,其吞吐量几乎是Wi-Fi 5的四倍。令人欣喜的是,Wi-Fi技术的迭代从未停歇,Wi-Fi 6尚在推广阶段,Wi-Fi 7的规范就准备好了。虽然正式标准尚未发布,但用于接入点的Wi-Fi 7芯片已经面世。

 

蓝牙是一种重要的短程无线通信协议,在计算机和消费品市场中占有重要一席,更是可穿戴产品中的关键技术。新的蓝牙低功耗(BLE)是物联网应用的重要通信协议,尤其适用于小型电池供电设备。支持蓝牙的智能手表和健身追踪仪可以将数据快速回传,在智能手机上用户就能很方便的查看相关信息。

 

Mesh协议(ZigBee、Z-Wave和Thread)在物联网中同样扮演着重要角色。Mesh网络是通过多个路由器连接的多节点结构。这些连接往往是直接的、动态的,而不是基于固有的层次结构,有足够的灵活性,能够适应各种网络条件,从而高效地传输数据。Mesh网络的自我配置能力意味着它们可以从故障节点中快速恢复,而无需外部维护,因此非常适合企业物联网应用,即使在大规模应用中也能保持高可靠性。与蓝牙一样,ZigBee、Z-Wave和Thread等Mesh协议也常用于消费品中。当您想要连接多个设备时,Mesh是一个很好的选择,在智慧家庭、环境监测等应用中,Mesh越来越受欢迎。


每种技术都有自己适用的应用场景。蜂窝是移动的设备的首选技术。Wi-Fi等短距离技术主要用于室内连接。低功耗广域网(LPWAN),包括NB-IoT和LTE-M、LoRa等技术,专注于更具成本效益、在室内或地下位置表现更好,以及电池寿命长达10年的电池供电设备等物联网应用,这些技术正在成为物联网连接方案的焦点,也是我们今天要重点介绍的技术。

 

LPWAN:物联网中重要的连接技术

 

在行业内,LPWAN技术堪比一项革命性的物联网接入技术,它具有低功耗、长距离、低带宽、网络结构简单、运营成本低等特点。与蜂窝、Wi-Fi、蓝牙、ZigBee等技术相比,LPWAN真正实现了物联网的低成本广覆盖。LoRaWAN、NB-IoT、LTE-M或RPMA等均被归类为LPWAN。其中,NB-IoT和LoRa是LPWAN中的主要技术,也是大规模物联网应用的首选技术。


#01 NB-IoT


窄带物联网(NB-IoT)是IoT领域的一项新兴技术,它能够以低成本实现广泛的物联网连接,拓宽了物联网的潜在应用。根据爱立信Mobility Report November 2020的报告,接下来,NB-IoT/Cat-M(Cat-M1也被称为LTE-M)将出现爆炸性增长,从2020年的近2亿个联网设备增长到2026年底的约26亿个,占所有蜂窝物联网连接的45%。


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图3:使用不同蜂窝技术的物联网设备的实际和预测数量

(图源:Ericsson)


高通公司是较早推出NB-IoT芯片的企业,早在2017年3月发布并于5月底量产的MDM9206芯片便是一款用于LTE物联网且支持多模式的芯片,它集成了MTC、NB-IoT和GPRS三种技术。该芯片支持全球Cat-M1和Cat-NB1 LTE的所有频段,集成GPS、GNOSS、北斗和伽利略全球导航卫星定位服务,实现了低成本、低功耗、低带宽、广覆盖的物联网产品和服务。


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图4:高通公司MDM9206芯片

(图源:高通)


紧随高通,一年后,Nordic也向业界发布了其首款NB-IoT/LTE-M双模芯片和模组nRF91系列,并且成为继Altair、Sequans和高通公司之后第四家发布商用NB-IoT芯片的跨国公司。Nordic的nRF91系列是一款支持3GPP R13规范的LTE-M/NB-IoT双模芯片,其中的nRF9160 SiP是业内率先采用Arm®Cortex®M-33 CPU内核的NB-IoT模块,具有1MB闪存和256kB RAM板载内存。nRF9160 SiP还是首个将Arm当时最先进的Arm TrustZone和Arm CryptoCell安全功能融入互联网级加密和应用保护中。这些技术都是设计用于高能效,并且在运算能力、功耗和安全性方面要求超高性能水平的嵌入式IoT产品。nRF9160 SiP模块的尺寸仅为10 x 16 x 1mm,适用于非常紧凑的可穿戴消费产品和医疗设备,主要应用包括资产监控和跟踪、公用事业计量、工业和预测性维护、智慧城市和基础设施、智慧农业和医疗等。


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图5:nRF91系列是一款支持3GPP R13规范的LTE-M/NB-IoT双模芯片

(图源:贸泽电子)


#02 LoRa


LoRa是主流的LPWAN通信技术,它是一种基于调频扩频技术的超长距离无线传输方案,充分考虑了距离和功耗,为用户提供了电池寿命长、传输距离长的简单传感器网络。LoRa传输信道的带宽为157dB,理论传输距离可达15km,工作电流仅为10mA,待机电流为200nA,功耗非常低,有利于延长电池的使用寿命。LoRa的网络频段基本上是世界上的自由频段,这些频段是433Hz、868Hz、915Hz等。LoRa的终端节点是各种物联网设备,例如智能抄表、智能电表、快递跟踪器、牧场管理器等。


据2022年12月初最新的市场消息,Semtech LoRa生态合作伙伴深圳矽递科技携手物联网方案商Stal Data公司,在位于荷兰的集约式养猪场部署了基于LoRaWAN协议的SenseCAP环境监测设备,对养猪场内二氧化碳浓度、氨浓度,以及温湿度等各种环境参数实现了远程监测,并通过在线直播实时展示猪群的生长情况,在大幅提升生产效率的同时,食品安全的透明与可追溯性也有了保证。目前,LoRa已经拥有成熟的生态链,预计未来几年将保持快速发展。


LoRa是专为长距离和低功耗应用场景开发的无线通信技术,它在物联网应用中的发展与每个LoRa终端设备中的LoRa模块密不可分。Microchip公司的RN2483是一款基于LoRa技术且经过全面认证的868MHz模块,在Sub-GHz频带内使用独特的扩频调制,以实现长距离、低功率和高网络容量。该模块的嵌入式LoRaWAN协议支持无缝连接到任何符合LoRaWAN的网络基础设施。RN2483还是一款率先通过LoRa联盟认证测试的LoRa模块,它通过了LoRaWAN 1.0.1规范的认证,确保设计者能够快速轻松地将其终端设备集成到任何LoRaWAN网络中。其中,RN2483A-I / RM104-LoRaWAN规范1.0.1,适用于A级应用;RN2483A-I / RM105-LoRaWAN规范1.0.2,支持A级和C级应用。


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图6:RN2483是首个通过LoRa联盟认证测试的LoRa模块

(图源:Microchip)


STMicroelectronics的STM32WL MCU是STM32 RF产品系列中的一员,它在同一芯片上集成了通用微控制器和sub-GHz无线电。STM32WL MCU基于Arm Cortex‐M4和Cortex-M0+内核(可选单核或双核),支持复合调制LoRa、FSK、MSK、BPSK,以完全开放的方式通过LoRaWAN、Sigfox、W-MBUS或任何其他合适的协议认证,以确保在无线应用中的灵活性,是业内较早推出的一款LoRa SoC。STM32WL MCU采用基于Semtech SX126x的sub-GHz无线电,以满足工业和消费物联网中各种LPWAN无线应用的需求。


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图7:STM32WL MCU是业内首款LoRa SoC

(图源:ST)


结语


物联网应用中有两种主要类型的无线技术。一种是短程无线技术,如蓝牙 / Wi-Fi / ZigBee / NFC,蓝牙或NFC等个人区域网络(PAN)的范围为一米或两米,用于连接耳机等个人设备,其中的NFC(近场通信)也是一种物联网技术,它实现了电子设备之间的简单和安全的通信,这些短程无线技术中部署极为广泛的是Wi-Fi,几乎普遍部署在住宅和企业环境中;另一种是构成广域网的技术,如2G / 3G / 4G / 5G。每种技术的优点和缺点都很明显。LPWAN是一种面向物联网远距离、低功耗要求的物联网网络层技术。在LPWAN之前,在远程和低功耗之间通常只有一种选择。使用LPWAN后,人们无需在二者之间再做权衡了,LPWAN除了实现远距离通信和超低功耗外,还可以节省额外的中继成本。


LPWAN是物联网不可或缺的一部分,它具有灵活和可扩展的特性,网络规模可大可小,这是物联网行业成长和探索阶段所必需的,据称也是极为适合物联网的无线通信技术。根据Facts and Factors的预测,2021年全球物联网设备市场规模为15.295亿美元,预计到2028年将增长至27.2442亿美元,预测期内复合年增长率(CAGR)约为10.10%。蓬勃发展的物联网产业也一定会带火其中的关键技术。目前,LPWAN中的两大物联网网络NB-IoT和LoRa正在快速发展,未来前景可期。



关键词: Mouser iot

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