满足物联网应用需求的无线通信技术

大多数物联网节点都是传感器、计算和连接的组合，后两者起着非常重要的作用。下次我们将专注于物联网的计算部分。

从有线转向无线是实现物联网的先决条件。尽管就技术时间尺度而言，独立的无线通信已经存在了很长时间，但需要取得重大进展，以使其更小、更便宜、更节能，足以满足物联网应用的需求。

天线尺寸与所用无线电波的波长直接相关——波长越短，天线越小。这就是为什么大多数物联网通信使用几GHz量级的频率的原因。随着基于毫米波的技术即将出现，我们将看到更小的天线。固定物联网节点可以通过使用数百 MHz 的频率来交换范围的大小。

由于硅缩放和射频前端的进步，每一代新一代接收器都变得更加敏感。作为直接结果，变速器现在可以使用非常低的功率水平。降低无线电功率水平的另一个重要技术进步是基于分组的通信。通过以数据包突发方式发送数据，系统能够在突发之间“休眠”。突发时间越短，消耗的功率越少。为了能够在有限的带宽下在更短的时间内发送所需的信息，开发了正交幅度调制（QAM）和差分正交相移键控（DQPSK）等调制技术来提高频谱效率。

拼图的最后一块是标准化。无线通信跨越一系列频率、调制技术和数据包结构。手机的普及，除了启动蜂窝网络之外，还帮助蓝牙点对点无线电技术的发展。蓝牙还将设备从以前使用的红外技术的清晰视距限制中解放出来。此后，蓝牙及其低功耗 （LE） 变体在短距离、低中比特率通信技术方面一直保持领先地位，即使在竞争技术的浪潮中也是如此。互联网时代和摆脱那些不太好看的LAN电缆的需求催生了WiFi。智能装置的城市级通信的远程通信也在增加，尽管使用低比特率技术。

电器、工业设备、车辆和建筑物的安全、安保和效率要求推动了对更多信息和更好选择的需求，以连接和管理先进的传感器，以构建更智能的世界。在未来几年内，各种网络将使数万亿无线设备相互连接。

重要的是要记住，即使通过连接的物联网设备正在以显着的速度增长，它们仍处于起步阶段。这意味着随着新应用的出现，将需要在速度、功耗、范围和容量方面提供显着改进。该领域的潜在商机继续推动工程的极限。工程师面临的设计挑战是从广泛的可用选择中选择合适的通信协议，如蓝牙经典、Wi-Fi、ZigBee、低功耗蓝牙（蓝牙智能）、近场通信 （NFC） 和许多专有协议。找到要使用的正确协议的关键考虑因素是找到最能满足应用程序对高吞吐量、低功耗、尺寸、无缝互操作性、安全通信、易于开发和易用性需求的协议。

设计人员总是乐于编写自己的自定义专有协议，以实现特定产品的最佳功耗和效率。但是，在当今世界，期望您的产品需要通过标准协议与生态系统中的其他设备进行通信是不费吹灰之力的。因此，互操作性可以说是设计无线链路时最重要的要求，为使用标准协议提供了令人信服的论据。

让我们根据您的应用需求探索各种无线协议以及何时使用它们。

无线上网：WiFi是无线协议的流行选择，通常提供非常高的数据吞吐量，中远程和复杂的安全选项。通常，WiFi的非常高的数据速率使其成为需要互联网访问的应用的首选协议。然而，WiFi的代价是功耗更高，使其成为电池供电应用的绝佳选择。其主要应用包括笔记本电脑、台式计算机和服务器。

WiFi的最大优势是支持现有的标准分组交换LAN协议。毕竟，它实际上是以太网电缆的无线版本（正如我们前面提到的，它很丑！当您拥有WiFi时，互联网并不遥远 - 只需连接到人口稠密地区周围可用的众多Wi-Fi“热点”之一即可。下面提到的无线技术使用简单的分组结构，需要额外的“自定义”应用程序才能理解它们，并将“互联网”放入“物联网”。

ZigBee：ZigBee提供低功耗，轻量级堆栈和良好的市场占有率。但是，ZigBee并未广泛用于PC和智能手机等消费类设备，从而限制了设备可以连接的节点。ZigBee的最佳替代品是Bluetooth Classic，它是作为一种在短距离内交换数据的方式而开发的。ZigBee的主要应用包括工业自动化、家庭自动化和智能计量。

蓝牙经典：蓝牙是个人局域网 （PAN） 的传统标准，通过音频流传输到手机耳机而流行。与WiFi相比，蓝牙经典协议提供了更好的电源效率。然而，对于极低的功耗，低功耗蓝牙是一种更具吸引力的选择。主要应用包括移动电话、电脑鼠标、键盘以及办公和工业自动化设备。

低功耗蓝牙：BLE，也称为智能蓝牙，针对传输状态或控制信息（即有限数据）的短距离低功耗无线应用进行了优化。该协议最适合电池供电的应用，如可穿戴设备、智能家居、智能手表、移动电话和其他便携式设备。

长距离 （LoRa）：LoRa 提供远距离， 低功耗无线平台.LoRa 物联网节点通常体积庞大，需要相对较大的外部天线。这些因素通常不是一个限制，因为这些节点通常连接到大型设备、建筑物或车辆上。典型应用包括智能城市、智能家居和建筑、智能农业、智能计量、智能供应链和物流等。

我们有许多高效且复杂的无线电通信技术可用于物联网应用。但是，如果连接到物联网节点的集成计算元素不够强大，无法处理其吞吐量和/或软件/固件不够简单，无法“隐藏”其固有的复杂性，则物联网节点将无法按要求执行。我们将在本系列的后续部分中探讨这些问题。

审核编辑：郭婷