物联网无线技术概述

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作者:Walter N. Maclay, 总裁, Voler Systems,文章转载自:Digi-Key

物联网在现代社会中既是已知的,也是未知的。虽然物联网在科技领域和企业界是个常用词,但鲜有普通民众会提及,尽管物联网早已融入人们的日常生活。物联网就是将诸如设备、车辆、建筑、电子设备、网络等实际物体连接起来,使其能够互动并收集、交换数据。这种连接适用于数百万种不同的事物,包括已经过升级但之前未连接互联网的传统产品。

本文将为大家介绍多种能让这些设备进行无线通信的方法。

将数据连接到云的三种方法
物联网面临的挑战之一就是将来自设备传感器的数据送到云,并在云端使用、处理和存储这些数据。智能手机使得 Wi-Fi 和蓝牙的使用无处不在,加之信号塔和公共 Wi-Fi 接入点的普及,让物联网传感器相比以前能更多地访问云。有三种基本方法可将数据发送到云。

从传感器到网关,再到云。在某些应用中,理想的选择是先将传感器数据发送到网关,再由网关将数据高效地传输到云。根据应用需求,网关的范围可以从简单的中继系统到执行更多计算密集型功能的“智能”平台。其中,计算密集型功能被称为“边缘处理”。像停车场传感器和办公桌利用率传感器之类的设备,通常依靠网关来传输数据。例如,Wi-Fi 就是一种网关。如果在家中使用,需要安装一个 Wi-Fi 网关。在已经安装网关的公共场所,Wi-Fi 可以直接操作云端。如蓝牙等其他类型的无线通信是需要网关的。例如,Hatch Baby Grow 就是家庭 Wi-Fi,这是一种智能换尿布垫和联网式体重秤。它利用 Wi-Fi 将数据从换尿布垫中的秤传送到家庭互联网上。家长和儿科医生可以通过安卓或 iOS 应用追踪基于云的信息。

从传感器到手机,再到云。某些情况下,手机可作为网关。具有 Wi-Fi 或蓝牙功能的智能手机可以作为网关,用于向云发送数据。例如,Voler 可以帮助开发监测老人身体平衡的耳塞。他们将数据通过低功耗蓝牙无线技术传输至安装了相关应用程序的智能手机。数据也会从智能手机发送到云端,并在云端做进一步处理或者进行共享。

智能设备直接连接云。传感器可以使用 NB-IoT、LTE-M 或 LoRa 等技术直接与云连接。只要数据速率低,这些技术就能以极低的功耗实现数英里传输范围。这些技术通过通常安装在信号塔上的设备与互联网连接。它们的工作方式与手机大同小异,只是数据速率和功耗要低得多。每个月都需收费,但一般非常少。

规划物联网无线通信策略时,需要考虑的因素包括:数据传输量、数据源到互联网的距离、需要多大的功率,以及服务成本的高低(如有)。智能手机的广泛使用以及可选择 Wi-Fi 或蓝牙无线电标准使得连接非常方便。NB-IoT 和 LTE-M 等较新的标准为未来的物联网提供了更多的选择。

为什么需要新技术?
物联网仍在不断发展。每一次的更新换代都会实现更低的功耗、更长的无线通信时间和更好的功能。新设备可以利用新技术,并达到更好的性能。

应考虑如何取舍
Voler 每次设计可穿戴设备或任何采用电池供电的设备时,客户都会提出如下要求:

  • 长时间工作
  • 长距离传输大量数据
  • 采用微小型电池

这些要求会相互制约,需要作出适当取舍。工程就是用来作取舍的。考虑系统功能要求并根据系统要求进行必要的工程取舍,以获得最佳性能。同时提供令人满意的用户体验,这点非常重要。这样做的结果,就是从众多选择中获得最佳的折中设计。

权衡考虑

  • 数据速率
  • 传输距离
  • 电池大小
  • 成本
  • 许可与未许可频段
  • 运营商部署与客户部署
  • 终端设备的密度
  • 在哪里部署
  • 固件更新
  • 操作系统的驱动程序
  • 元器件/模块选择
  • 天线
  • 技术成熟度

Voler 最近与一家初创公司合作,以延长其互联产品的电池寿命。它基于MurataimpModule™,采用 Arm® 处理器和 Wi-Fi 收发器。他们需要具有数周的电池寿命,实际却是完成原型设计后不到一周。Voler 修改了代码,以满足所需的电池寿命。原先的代码无法按照预期要求工作。

在无线传输中,必须管理好三件事:传输所需的功率、数据速率和传输距离。选择合适的无线标准很重要。为物联网设备设计选择无线标准时,请参考下表。该表列出了物联网设备常用的无线标准及其特点。

表 1:常用无线标准及功能

表 1:常用无线标准及功能。(表格来源:Voler)

不同的无线标准对功率的要求不尽相同。所需功率取决于数据速率和传输距离。例如,参考表 1,设备使用 LTE 蜂窝技术以每秒 100 比特的传输速率将数据传输一公里时,可能消耗 120mW。但使用低功耗蓝牙传输 1 米时,设备可能只需要 0.15 mW 的功耗。

物联网无线标准之比较

表 2:无线物联网标准比较。

表 2:无线物联网标准比较。(表格来源:Voler)

常见无线选项的功率要求
如果一个设备只需在 10 米以内传输数据,低功耗蓝牙或者蓝牙就足够了。但是,诸如用于库存管理等用于工业、商业的物联网设备或者用于健康监测的可穿戴设备就可能需要传输距离更远的通信技术,如 NB-IoT 或 LTE-M。如果设备需要发送大量数据,如摄像机,低功耗蓝牙无等技术就无法满足其要求。此时,需要选择 Wi-Fi 和 LTE 等高功率技术。

另一方面,蜂窝无线协议 NB-IoT 和 LTE-M 可使物联网设备以低功耗方式将数据传输到很远的地方。SigFox 也是如此,其数据传输距离可以达到 50 公里。但与蜂窝标准的高数据速率不同,SigFox 每秒最多只能传输 300 比特数据。

私人网络与公共网络
私人网络有一个网关,由提供商为一个或有限数量的用户负责网关的安装和控制。一个公共网络有一个网关,且很多用户使用时可以按月支付费用。例如手机服务。

公共网络需要安装信号塔等基础设施。由于信号塔的广泛安装,目前手机已经广泛普及,很容易进行漫游。SigFox 和 LoRa 在美国的基础设施有限,因此采用这种技术的设备在大多数地方无法使用。采用 LoRa 技术时,确实可以选择使用了网关的私人网络。

2019 年,NB-IoT 和 LTE-M 的基础设施安装涵盖了 90% 以上的美国人口。这种技术已接近了蜂窝覆盖率。这种技术已经存在多年,目前终于可以在新设备中使用了。世界上大多数主要国家都有基础设施。预计 NB-IoT 和 LTE-M 的使用量将迅速增加。Sigfox 和 LoRa 在公共基础设施的安装方面远远落后。

以下是私人和公共无线选择的总结。

私人

  • 通信两端为私人所有
  • 可以安装在任何地方
  • 未许可频段
  • 安装基站和端点的费用
  • 无月费

公共

  • 供应商所拥有的网络——例如,蜂窝网络
  • 仅存在于有基站的地方
  • 漫游方便
  • 许可频段
  • 使用网络时按月付费

电池技术何时才能提高?
如果有更好的电池,这些取舍问题会迎刃而解。化学储能已接近其效率极限。不过,在更高的密度和安全性方面,目前正在进行大量研究。

如果电池在过去的 50 年里像半导体一样发展的话,你现在就会有一种成本只有一美分,能为汽车提供动力的、针头大小的电池。毋庸置疑,这种技术根本就没有,也永远不会有。因此,设备受到化学储能所需空间的限制。

今天的电池约占最终化学能源存储量的 10%,就像汽油一样。然而,汽油有一个安全问题。另一个更有效的选择是核能,但同样存在安全问题,更不用说便携性了。未来的电池会有渐进式改进,但这种变化会很缓慢。

考虑成本
许多物联网设备制造商为了保持产品的价格优势和更快的产品上市时间,而造成了在安全方面投资不足。在开发阶段整合安全问题会大大增加开发成本和时间。然而,以薄弱的物联网安全性构建物联网设备,不仅会给客户造成更多的破坏性后果,还会给制造商的品牌带来破坏性结果——具体表现为生产力削弱、法律/合规性罚款、声誉受损和货币损失。

为物联网设备选择的无线标准会显著影响其性能、可用性、安全性和可靠性。最适合的物联网设备标准取决于其应用。了解设备的用途有助于确定构建设备时的关键要求,例如需要多大的功率才能有效地运行,应该以多快的速度传输数据,以及电池需要多长的续航时间等。

Voler System 的物联网设备开发专家团队可以在如何选择合适的物联网及其无线标准方面为设计人员提供指导。立即联系物联网专家,了解更多关于为任何物联网设备设计选择合适的无线标准的信息。

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