作者：Walter N. Maclay, 總裁, Voler Systems

　物聯(lián)網(wǎng)在現(xiàn)代社會(huì)中既是已知的，也是未知的。雖然物聯(lián)網(wǎng)在科技領(lǐng)域和企業(yè)界是個(gè)常用詞，但鮮有普通民眾會(huì)提及，盡管物聯(lián)網(wǎng)早已融入人們的日常生活。物聯(lián)網(wǎng)就是將諸如設(shè)備、車(chē)輛、建筑、電子設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)等實(shí)際物體連接起來(lái)，使其能夠互動(dòng)并收集、交換數(shù)據(jù)。這種連接適用于數(shù)百萬(wàn)種不同的事物，包括已經(jīng)過(guò)升級(jí)但之前未連接互聯(lián)網(wǎng)的傳統(tǒng)產(chǎn)品。

　　本文將為大家介紹多種能讓這些設(shè)備進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信的方法。

　　將數(shù)據(jù)連接到云的三種方法

　　物聯(lián)網(wǎng)面臨的挑戰(zhàn)之一就是將來(lái)自設(shè)備傳感器的數(shù)據(jù)送到云，并在云端使用、處理和存儲(chǔ)這些數(shù)據(jù)。智能手機(jī)使得 Wi-Fi 和藍(lán)牙的使用無(wú)處不在，加之信號(hào)塔和公共 Wi-Fi 接入點(diǎn)的普及，讓物聯(lián)網(wǎng)傳感器相比以前能更多地訪(fǎng)問(wèn)云。有三種基本方法可將數(shù)據(jù)發(fā)送到云。

　　從傳感器到網(wǎng)關(guān)，再到云。在某些應(yīng)用中，理想的選擇是先將傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)關(guān)，再由網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)高效地傳輸?shù)皆啤８鶕?jù)應(yīng)用需求，網(wǎng)關(guān)的范圍可以從簡(jiǎn)單的中繼系統(tǒng)到執(zhí)行更多計(jì)算密集型功能的“智能”平臺(tái)。其中，計(jì)算密集型功能被稱(chēng)為“邊緣處理”。像停車(chē)場(chǎng)傳感器和辦公桌利用率傳感器之類(lèi)的設(shè)備，通常依靠網(wǎng)關(guān)來(lái)傳輸數(shù)據(jù)。例如，Wi-Fi 就是一種網(wǎng)關(guān)。如果在家中使用，需要安裝一個(gè) Wi-Fi 網(wǎng)關(guān)。在已經(jīng)安裝網(wǎng)關(guān)的公共場(chǎng)所，Wi-Fi 可以直接操作云端。如藍(lán)牙等其他類(lèi)型的無(wú)線(xiàn)通信是需要網(wǎng)關(guān)的。例如，Hatch Baby Grow 就是家庭 Wi-Fi，這是一種智能換尿布?jí)|和聯(lián)網(wǎng)式體重秤。它利用 Wi-Fi 將數(shù)據(jù)從換尿布?jí)|中的秤傳送到家庭互聯(lián)網(wǎng)上。家長(zhǎng)和兒科醫(yī)生可以通過(guò)安卓或 iOS 應(yīng)用追蹤基于云的信息。

　　從傳感器到手機(jī)，再到云。某些情況下，手機(jī)可作為網(wǎng)關(guān)。具有 Wi-Fi 或藍(lán)牙功能的智能手機(jī)可以作為網(wǎng)關(guān)，用于向云發(fā)送數(shù)據(jù)。例如，Voler 可以幫助開(kāi)發(fā)監(jiān)測(cè)老人身體平衡的耳塞。他們將數(shù)據(jù)通過(guò)低功耗藍(lán)牙無(wú)線(xiàn)技術(shù)傳輸至安裝了相關(guān)應(yīng)用程序的智能手機(jī)。數(shù)據(jù)也會(huì)從智能手機(jī)發(fā)送到云端，并在云端做進(jìn)一步處理或者進(jìn)行共享。

　　智能設(shè)備直接連接云。傳感器可以使用 NB-IoT、LTE-M 或 LoRa 等技術(shù)直接與云連接。只要數(shù)據(jù)速率低，這些技術(shù)就能以極低的功耗實(shí)現(xiàn)數(shù)英里傳輸范圍。這些技術(shù)通過(guò)通常安裝在信號(hào)塔上的設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接。它們的工作方式與手機(jī)大同小異，只是數(shù)據(jù)速率和功耗要低得多。每個(gè)月都需收費(fèi)，但一般非常少。

　　規(guī)劃物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線(xiàn)通信策略時(shí)，需要考慮的因素包括：數(shù)據(jù)傳輸量、數(shù)據(jù)源到互聯(lián)網(wǎng)的距離、需要多大的功率，以及服務(wù)成本的高低（如有）。智能手機(jī)的廣泛使用以及可選擇 Wi-Fi 或藍(lán)牙無(wú)線(xiàn)電標(biāo)準(zhǔn)使得連接非常方便。NB-IoT 和 LTE-M 等較新的標(biāo)準(zhǔn)為未來(lái)的物聯(lián)網(wǎng)提供了更多的選擇。

　　為什么需要新技術(shù)？

　　物聯(lián)網(wǎng)仍在不斷發(fā)展。每一次的更新?lián)Q代都會(huì)實(shí)現(xiàn)更低的功耗、更長(zhǎng)的無(wú)線(xiàn)通信時(shí)間和更好的功能。新設(shè)備可以利用新技術(shù)，并達(dá)到更好的性能。

　　應(yīng)考慮如何取舍

　　Voler 每次設(shè)計(jì)可穿戴設(shè)備或任何采用電池供電的設(shè)備時(shí)，客戶(hù)都會(huì)提出如下要求：

• 　　長(zhǎng)時(shí)間工作
• 　　長(zhǎng)距離傳輸大量數(shù)據(jù)
• 　　采用微小型電池

　　這些要求會(huì)相互制約，需要作出適當(dāng)取舍。工程就是用來(lái)作取舍的。考慮系統(tǒng)功能要求并根據(jù)系統(tǒng)要求進(jìn)行必要的工程取舍，以獲得最佳性能。同時(shí)提供令人滿(mǎn)意的用戶(hù)體驗(yàn)，這點(diǎn)非常重要。這樣做的結(jié)果，就是從眾多選擇中獲得最佳的折中設(shè)計(jì)。

　　權(quán)衡考慮

• 　　數(shù)據(jù)速率
• 　　傳輸距離
• 　　電池大小
• 　　成本
• 　　許可與未許可頻段
• 　　運(yùn)營(yíng)商部署與客戶(hù)部署
• 　　終端設(shè)備的密度
• 　　在哪里部署
• 　　固件更新
• 　　操作系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)程序
• 　　元器件/模塊選擇
• 　　天線(xiàn)
• 　　技術(shù)成熟度

　　Voler 最近與一家初創(chuàng)公司合作，以延長(zhǎng)其互聯(lián)產(chǎn)品的電池壽命。它基于Murata 的 impModule?，采用 Arm? 處理器和 Wi-Fi 收發(fā)器。他們需要具有數(shù)周的電池壽命，實(shí)際卻是完成原型設(shè)計(jì)后不到一周。Voler 修改了代碼，以滿(mǎn)足所需的電池壽命。原先的代碼無(wú)法按照預(yù)期要求工作。

　　在無(wú)線(xiàn)傳輸中，必須管理好三件事：傳輸所需的功率、數(shù)據(jù)速率和傳輸距離。選擇合適的無(wú)線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)很重要。為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備設(shè)計(jì)選擇無(wú)線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，請(qǐng)參考下表。該表列出了物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備常用的無(wú)線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)及其特點(diǎn)。

表 1：常用無(wú)線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)及功能。（表格來(lái)源：Voler）

　　不同的無(wú)線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)功率的要求不盡相同。所需功率取決于數(shù)據(jù)速率和傳輸距離。例如，參考表 1，設(shè)備使用 LTE 蜂窩技術(shù)以每秒 100 比特的傳輸速率將數(shù)據(jù)傳輸一公里時(shí)，可能消耗 120mW。但使用低功耗藍(lán)牙傳輸 1 米時(shí)，設(shè)備可能只需要 0.15 mW 的功耗。

　　物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)之比較

表 2：無(wú)線(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)比較。（表格來(lái)源：Voler）

　　常見(jiàn)無(wú)線(xiàn)選項(xiàng)的功率要求

　　如果一個(gè)設(shè)備只需在 10 米以?xún)?nèi)傳輸數(shù)據(jù)，低功耗藍(lán)牙或者藍(lán)牙就足夠了。但是，諸如用于庫(kù)存管理等用于工業(yè)、商業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備或者用于健康監(jiān)測(cè)的可穿戴設(shè)備就可能需要傳輸距離更遠(yuǎn)的通信技術(shù)，如 NB-IoT 或 LTE-M。如果設(shè)備需要發(fā)送大量數(shù)據(jù)，如攝像機(jī)，低功耗藍(lán)牙無(wú)等技術(shù)就無(wú)法滿(mǎn)足其要求。此時(shí)，需要選擇 Wi-Fi 和 LTE 等高功率技術(shù)。

　　另一方面，蜂窩無(wú)線(xiàn)協(xié)議 NB-IoT 和 LTE-M 可使物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備以低功耗方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶苓h(yuǎn)的地方。SigFox 也是如此，其數(shù)據(jù)傳輸距離可以達(dá)到 50 公里。但與蜂窩標(biāo)準(zhǔn)的高數(shù)據(jù)速率不同，SigFox 每秒最多只能傳輸 300 比特?cái)?shù)據(jù)。

　　私人網(wǎng)絡(luò)與公共網(wǎng)絡(luò)

　　私人網(wǎng)絡(luò)有一個(gè)網(wǎng)關(guān)，由提供商為一個(gè)或有限數(shù)量的用戶(hù)負(fù)責(zé)網(wǎng)關(guān)的安裝和控制。一個(gè)公共網(wǎng)絡(luò)有一個(gè)網(wǎng)關(guān)，且很多用戶(hù)使用時(shí)可以按月支付費(fèi)用。例如手機(jī)服務(wù)。

　　公共網(wǎng)絡(luò)需要安裝信號(hào)塔等基礎(chǔ)設(shè)施。由于信號(hào)塔的廣泛安裝，目前手機(jī)已經(jīng)廣泛普及，很容易進(jìn)行漫游。SigFox 和 LoRa 在美國(guó)的基礎(chǔ)設(shè)施有限，因此采用這種技術(shù)的設(shè)備在大多數(shù)地方無(wú)法使用。采用 LoRa 技術(shù)時(shí)，確實(shí)可以選擇使用了網(wǎng)關(guān)的私人網(wǎng)絡(luò)。

　　2019 年，NB-IoT 和 LTE-M 的基礎(chǔ)設(shè)施安裝涵蓋了 90% 以上的美國(guó)人口。這種技術(shù)已接近了蜂窩覆蓋率。這種技術(shù)已經(jīng)存在多年，目前終于可以在新設(shè)備中使用了。世界上大多數(shù)主要國(guó)家都有基礎(chǔ)設(shè)施。預(yù)計(jì) NB-IoT 和 LTE-M 的使用量將迅速增加。Sigfox 和 LoRa 在公共基礎(chǔ)設(shè)施的安裝方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后。

　　以下是私人和公共無(wú)線(xiàn)選擇的總結(jié)。

　　私人

• 　　通信兩端為私人所有
• 　　可以安裝在任何地方
• 　　未許可頻段
• 　　安裝基站和端點(diǎn)的費(fèi)用
• 　　無(wú)月費(fèi)

　　公共

• 　　供應(yīng)商所擁有的網(wǎng)絡(luò)——例如，蜂窩網(wǎng)絡(luò)
• 　　僅存在于有基站的地方
• 　　漫游方便
• 　　許可頻段
• 　　使用網(wǎng)絡(luò)時(shí)按月付費(fèi)

　　電池技術(shù)何時(shí)才能提高？

　　如果有更好的電池，這些取舍問(wèn)題會(huì)迎刃而解。化學(xué)儲(chǔ)能已接近其效率極限。不過(guò)，在更高的密度和安全性方面，目前正在進(jìn)行大量研究。

　　如果電池在過(guò)去的 50 年里像半導(dǎo)體一樣發(fā)展的話(huà)，你現(xiàn)在就會(huì)有一種成本只有一美分，能為汽車(chē)提供動(dòng)力的、針頭大小的電池。毋庸置疑，這種技術(shù)根本就沒(méi)有，也永遠(yuǎn)不會(huì)有。因此，設(shè)備受到化學(xué)儲(chǔ)能所需空間的限制。

　　今天的電池約占最終化學(xué)能源存儲(chǔ)量的 10％，就像汽油一樣。然而，汽油有一個(gè)安全問(wèn)題。另一個(gè)更有效的選擇是核能，但同樣存在安全問(wèn)題，更不用說(shuō)便攜性了。未來(lái)的電池會(huì)有漸進(jìn)式改進(jìn)，但這種變化會(huì)很緩慢。

　　考慮成本

　　許多物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備制造商為了保持產(chǎn)品的價(jià)格優(yōu)勢(shì)和更快的產(chǎn)品上市時(shí)間，而造成了在安全方面投資不足。在開(kāi)發(fā)階段整合安全問(wèn)題會(huì)大大增加開(kāi)發(fā)成本和時(shí)間。然而，以薄弱的物聯(lián)網(wǎng)安全性構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，不僅會(huì)給客戶(hù)造成更多的破壞性后果，還會(huì)給制造商的品牌帶來(lái)破壞性結(jié)果——具體表現(xiàn)為生產(chǎn)力削弱、法律/合規(guī)性罰款、聲譽(yù)受損和貨幣損失。

　　為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備選擇的無(wú)線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)會(huì)顯著影響其性能、可用性、安全性和可靠性。最適合的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)取決于其應(yīng)用。了解設(shè)備的用途有助于確定構(gòu)建設(shè)備時(shí)的關(guān)鍵要求，例如需要多大的功率才能有效地運(yùn)行，應(yīng)該以多快的速度傳輸數(shù)據(jù)，以及電池需要多長(zhǎng)的續(xù)航時(shí)間等。

　　Voler System 的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備開(kāi)發(fā)專(zhuān)家團(tuán)隊(duì)可以在如何選擇合適的物聯(lián)網(wǎng)及其無(wú)線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)方面為設(shè)計(jì)人員提供指導(dǎo)。立即聯(lián)系物聯(lián)網(wǎng)專(zhuān)家，了解更多關(guān)于為任何物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備設(shè)計(jì)選擇合適的無(wú)線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的信息。