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(lèi)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(xiàn)閱讀本文，則很可能是通過(guò)蜂窩網(wǎng)絡(luò)、Wi-Fi或以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接的。盡管這些連接方法在消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品中廣泛應(yīng)用，但與物聯(lián)網(wǎng)（IoT）邊緣節(jié)點(diǎn)并無(wú)太多關(guān)聯(lián)。與消費(fèi)類(lèi)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(yùn)）或播放流媒體電影，因此這些設(shè)備無(wú)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(gè)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(jiàn)的設(shè)計(jì)約束也越來(lái)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(lèi)型。請(qǐng)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(jì)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(jiàn)于工業(yè)和樓宇自動(dòng)化行業(yè)，尤其適用于在同一網(wǎng)絡(luò)中包含許多節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)。
　　由于以太網(wǎng)采用硬接線(xiàn)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(guò)以太網(wǎng)供電（PoE）方式為設(shè)備供電，這樣便無(wú)需再使用單獨(dú)的電源模塊。
　　但是，硬接線(xiàn)確實(shí)帶來(lái)了巨大的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，而且并非適用于所有應(yīng)用。通過(guò)以太網(wǎng)連接的節(jié)點(diǎn)必須靠近路由器。即使在家庭和樓宇自動(dòng)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(xiàn)是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。在現(xiàn)代建筑中，自動(dòng)照明系統(tǒng)在施工時(shí)使用硬接線(xiàn)方式，但是在未采用相關(guān)設(shè)計(jì)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(wú)線(xiàn)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(xiàn)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(jì)中通常很復(fù)雜。Wi-Fi之所以有吸引力是因?yàn)槠錈o(wú)需接線(xiàn)且速度很快（如圖2），但這種方法也存在安全漏洞和功耗問(wèn)題。因此，進(jìn)行基于Wi-Fi的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí)，工程師需要在安全性、功耗和成本方面精心權(quán)衡。

　　幸運(yùn)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(duì)物聯(lián)網(wǎng)優(yōu)化的Wi-Fi模塊有助于簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)并節(jié)省開(kāi)發(fā)時(shí)間。諸如WINC1500等模塊經(jīng)過(guò)全面認(rèn)證，支持安全協(xié)議，而且針對(duì)電池供電設(shè)備進(jìn)行了優(yōu)化，可在不影響成本和功耗的前提下實(shí)現(xiàn)Wi-Fi連接。
　　3 低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）
　　LPWAN在消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品中不太常見(jiàn)，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(jìn)行環(huán)境監(jiān)控的優(yōu)勢(shì)在于，我們可以監(jiān)控鄉(xiāng)村（如圖3）、近海和通常無(wú)法進(jìn)入的區(qū)域。而問(wèn)題就在于這些地點(diǎn)位于鄉(xiāng)村、近海和通常無(wú)法進(jìn)入的區(qū)域，您無(wú)法給漂浮在馬里亞納海溝中的設(shè)備快速充電，也無(wú)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(yuǎn)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(zhǎng)，例如用于跟蹤拍賣(mài)場(chǎng)中車(chē)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(zhǎng)距離，也稱(chēng)為L(zhǎng)oRa）和Sigfox。兩者之間的一大差異是成本。Sigfox是一項(xiàng)基于訂閱的服務(wù)，其工作方式與蜂窩網(wǎng)絡(luò)類(lèi)似。如果Sigfox在您的地區(qū)可用，則可以通過(guò)訂閱本地供應(yīng)商的服務(wù)實(shí)現(xiàn)連接。使用LoRaWAN時(shí)，開(kāi)發(fā)人員可以通過(guò)創(chuàng)建“自助式”網(wǎng)絡(luò)來(lái)省去訂閱費(fèi)用，但是大多數(shù)人仍會(huì)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(fèi)。
　　4 蜂窩網(wǎng)絡(luò)

　　除了農(nóng)村深處和偏遠(yuǎn)地區(qū)，蜂窩網(wǎng)絡(luò)可以覆蓋其余所有地方。對(duì)于需要此類(lèi)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(guò)政府監(jiān)管部門(mén)批準(zhǔn)后才能建立自己的網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于每個(gè)節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，嵌入式組件和供應(yīng)商訂閱的高昂成本通常會(huì)抵消蜂窩網(wǎng)絡(luò)廣泛的覆蓋范圍所帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)。
　　也就是說(shuō)，您需要權(quán)衡使用蜂窩網(wǎng)絡(luò)連接“物”和每月為手機(jī)服務(wù)付費(fèi)的利弊。物聯(lián)網(wǎng)專(zhuān)用的蜂窩網(wǎng)絡(luò)正如雨后春筍般興起，與LPWAN形成競(jìng)爭(zhēng)之勢(shì)。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(jī)器”，該網(wǎng)絡(luò)針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行了優(yōu)化，是一種速度、成本和功耗更低的解決方案。不 過(guò)，您的手機(jī)費(fèi)用可能會(huì)很高，CAT-M計(jì)劃的收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)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(xiàng)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(dòng)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的創(chuàng)新。盡管5G的價(jià)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(jìn)一步推動(dòng)尖端物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用（例如自動(dòng)駕駛汽車(chē)）的發(fā)展。5G的覆蓋范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及LTE或3G，但仍在不斷擴(kuò)展。一些行業(yè)分析師預(yù)測(cè)，在未來(lái)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(yuǎn)荒涼的地區(qū)實(shí)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(wú)法覆蓋的地球偏遠(yuǎn)地區(qū)的運(yùn)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(kāi)發(fā)衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用并不像開(kāi)發(fā)其他連接選項(xiàng)那樣容易（如圖4）。

　　許多衛(wèi)星星座會(huì)留作國(guó)防用途，但您可以從Iridium和ORBCOMM處購(gòu)買(mǎi)相關(guān)模塊。
　　6 Bluetooth連接

　　對(duì)于藍(lán)牙您可能并不陌生。Bluetooth Classic（藍(lán)牙經(jīng)典）和Bluetooth Low Energy（BLE，藍(lán)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(guò)幾米的設(shè)備。日常生活中，藍(lán)牙在手機(jī)和電腦配件中隨處可見(jiàn)，廣泛應(yīng)用于耳機(jī)、鍵盤(pán)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(duì)的特性，藍(lán)牙非常適合消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品。

　　與Wi-Fi不同，藍(lán)牙不會(huì)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(tīng)起來(lái)很麻煩，但通常操作起來(lái)就像使用手機(jī)連接Wi-Fi一樣容易。
　　最近更新的藍(lán)牙5.0版本擴(kuò)展了藍(lán)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(gè)家庭都可以通過(guò)藍(lán)牙5.0實(shí)現(xiàn)互聯(lián)。應(yīng)用范圍的擴(kuò)展幫助藍(lán)牙成功進(jìn)軍家庭自動(dòng)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(shì)是簡(jiǎn)化實(shí)施過(guò)程。Wi-Fi和藍(lán)牙等常用網(wǎng)絡(luò)通常是評(píng)估和探索IoT設(shè)計(jì)的最簡(jiǎn)單方法。這些網(wǎng)絡(luò)無(wú)需自行搭建網(wǎng)關(guān)或向供應(yīng)商付費(fèi)。
　　消費(fèi)者可以使用多種Wi-Fi和藍(lán)牙原型模塊，其中很多都提供開(kāi)源代碼和編程教程。我們建議使用連接模塊，因?yàn)檫@樣會(huì)使設(shè)計(jì)更加靈活。當(dāng)需要針對(duì)不同的網(wǎng)絡(luò)調(diào)整設(shè)計(jì)時(shí)，您可以更換模塊而不必從頭開(kāi)始。
　　8 簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)流程

　　連接到互聯(lián)網(wǎng)只是物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)流程的一部分。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)具備3個(gè)元素：智能、連接和安全。
　　這些元素分別對(duì)應(yīng)于3個(gè)電氣元件：?jiǎn)纹瑱C(jī)（MCU）、連接模塊和安全元件。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)在于如何集成上述三種元件。 

　　1）Microchip的AVR-IoT WG開(kāi)發(fā)板是精簡(jiǎn)型Wi-Fi開(kāi)發(fā)平臺(tái)的一個(gè)示例。這款開(kāi)發(fā)板經(jīng)過(guò)預(yù)先配置，可以安全連接到Google Cloud的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。通過(guò)將安全元件、Wi-Fi控制器和MCU集成在同一塊開(kāi)發(fā)板上，您可以省去許多細(xì)碎的設(shè)計(jì)工作，直抵問(wèn)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(chǎng)。 

　　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(gè)活躍的原型設(shè)計(jì)社區(qū)，在線(xiàn)提供了許多使用教程和開(kāi)源代碼。 

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

　　4）Arduino和AVR-IoT WG開(kāi)發(fā)板等用戶(hù)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(wú)論您是嵌入式設(shè)計(jì)人員、制造商還是只是一個(gè)對(duì)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(qiáng)大的可訪(fǎng)問(wèn)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(dòng)行業(yè)進(jìn)步。

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