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正确选择:物联网无线技术

时间:2019-07-05 作者:Silicon Labs现场营销总监Anders Pettersson 阅读:
每一种无线协议都具有独特的功能和特性,选择正确的协议取决于最终产品的需求。了解如何使用以及如何适应更多的生态系统,将有助于您的决策并帮助解决有关能效、性能、安全性、互操作性、可升级性以及与其他RF源干扰的问题。

无线连接是物联网终端节点设计的关键部分。物联网中重要且普及的连接方式包括低功耗蓝牙(Bluetooth Low Energy)、蓝牙Mesh、Zigbee、Thread、Z-Wave、Wi-Fi和各种采用sub-GHz频段的专有协议。

物联网设备有许多应用场景,需要拥有各种连接能力。例如,Wi-Fi通常用于互联网协议(IP)摄像头和传输流内容的设备;蓝牙是部署各种智能家居设备和其他应用的理想选择;Zigbee、Thread、Z-Wave和蓝牙Mesh则支持大规模可互操作的设备网络(例如智能照明、能源监控和家庭安全系统等)。

每一种无线协议都具有独特的功能和特性,选择正确的协议取决于最终产品的需求。了解如何使用以及如何适应更多的生态系统,将有助于您的决策并帮助解决有关能效、性能、安全性、互操作性、可升级性以及与其他RF源干扰的问题。

下面让我们依次看看这些常见的连接方式。

蓝牙

蓝牙是一种流行且普遍存在的协议,并一直在持续发展。它的第一个官方规范是由蓝牙技术联盟(Bluetooth SIG)于1999年发布的。最初作为移动耳机和流(streaming)语音/音频数据协议,现已发展成为功能强大且节能的无线技术,而低功耗蓝牙(Bluetooth LE)在功耗敏感的物联网终端节点应用中很受欢迎。

低功耗蓝牙(Bluetooth LE)规范支持极低功耗操作。为了确保在2.4 GHz频段内可靠工作,它采用了一种强大的跳频扩频方法,可以在40个信道上传输数据。随着蓝牙5.0版本增强特性的发布,低功耗蓝牙为物联网设计提供了极大的灵活性,包括多个物理层(PHY)选项、125 kbps至2 Mbps的数据速率、多个功率级别(从1 mW到100 mW),以及多种安全选项,甚至达政府级安全。

2017年中期推出的蓝牙Mesh为物联网增加了另一种网状网络选项。蓝牙Mesh网络实现了多对多设备通信,非常适合创建物联网解决方案(其中数十、数百甚至数千个设备必须可靠且安全地相互通信)。蓝牙Mesh设备是智能家居(见图1)、照明、信标和资产跟踪应用的理想选择。例如,在零售推销及资产跟踪中,蓝牙Mesh技术简化了信标的部署和管理。通过将低功耗蓝牙(Bluetooth LE)与网状网络相结合,可以将新的功能和价值引入物联网设备,例如连网照明也可用作信标或信标扫描器。

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图1  蓝牙Mesh可为物联网环境(例如智能家居)提供多对多设备通信

Zigbee

Zigbee于2004年首次由Zigbee联盟(Zigbee Alliance)标准化,运行于IEEE 802.15.4物理无线电规范之上,相对于蓝牙和Wi-Fi具有更低的功耗。由于其网状拓扑结构和经过验证的可扩展性,可轻松支持超过250个节点的网络,因此广泛应用于家庭自动化和工业网状网络。

低功耗和“自修复”可扩展性的结合使得Zigbee独一无二。采用具有短数据包长度的802.15.4 MAC/PHY、16通道直接序列扩频(DSSS)调制方案和用于消息故障处理的MAC层机制,Zigbee可以在低功率封包内运行。此外,输出发射器功率可以配置为省电模式,尤其是在采用相邻电池供电 “路由节点” 进行中继消息的集中式网络之中。这种处理网状路由功能的优化方法可以使内存资源需求相对较低,只需要不到160 kB的闪存和通常32 kB的RAM。这为应用开发人员和消费者提供了更低成本的芯片和最终更经济的解决方案。

Zigbee联盟也规范了应用配置,称为簇库,用以简化标准产品(例如灯泡和占用传感器)的开发。如图2所示,用于物联网的通用Zigbee应用层被称为Dotdot,这是一种通用的标准应用语言,可用于智能设备在任何网络(例如Thread)中的通信。

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图2  Dotdot为物联网提供了一个通用的应用层

Thread

Thread是物联网最新出现的无线技术,提供基于IP的网状网络和高级安全性。Thread Group成立于2014年,于2015年7月发布了Thread规范,并不断对其进行改进。Thread以现有标准为基础(包括IEEE 802.15.4),并为网络层和传输层添加了特殊的设计规范。与Zigbee一样,Thread在2.4 GHz频段运行,可形成一个由多达250个节点构成的强大的、可自修复的网状网络。

Thread支持低功耗、低成本、网状可扩展性、安全性和IP寻址。与Zigbee类似,它将网格邻近的一些复杂处理转化为静态存储器 “查找表”,同时还保持传输/路由资源相对较低,以便可在低成本嵌入式设备上运行(小于185 kB闪存和32 kB RAM)。实现这一目标主要是通过软件工作,这也是为什么Thread解决方案和协议栈提供商为开发和提供在主机芯片(通常是无线MCU或SoC器件)上实现的强大解决方案而感到自豪的原因。随着闪存变得更便宜,并且集成电路(IC)集成了更多存储器,Thread协议栈对于低/中存储器容量的需求使得芯片能够集成更多的RF组件(例如电感匹配网络)。这使开发人员能够摆脱复杂的射频工程。

Z-Wave

Z-Wave®技术是一种开放的、国际公认的国际电信联盟(ITU)标准(G.9959)。它是当今领先的无线智能家居技术之一,在全球拥有2,700多种经过认证的可互操作产品(见图3)。Z-Wave由Z-Wave联盟(Z-Wave Alliance)管理,并得到全球700多家公司的支持,是家居安全、能源、酒店、办公和轻型商业应用智能生活解决方案的关键推动者。Z-Wave技术由Zensys于1999年开发,Zensys是一家总部位于哥本哈根的初创公司,后来于2008年12月被Sigma Designs收购,最近于2018年4月被Silicon Labs收购。

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图3  全球700多家公司在超过2,700种经认证的可互操作产品中使用Z-Wave

Z-Wave的主要吸引力之一在于它在sub-GHz频段提供网状网络,避开了有时拥挤的2.4 GHz工业、科学和医疗(ISM)频段,即大多数其他基于标准的物联网协议都在使用的频段。

互操作性和向后兼容性是Z-Wave技术理念的关键原则。这种前景已经吸引了许多设备制造和生态系统领域的粉丝,并成为Z-Wave联盟成功的支柱。该联盟致力于认证Z-Wave产品互操作性以及扩大成员的营销商机。

Wi-Fi 802.11b/g/n

Wi-Fi建立在用于局域网的IEEE 802.11规范之上。它主要解决了家庭和企业对于更高带宽IP网络的需求。与许多无线物联网技术一样,Wi-Fi工作在2.4 GHz频段。它当前已扩展到对5 GHz频段的支持,以应对实现更高数据速率和避免其他得到许可的2.4 GHz技术干扰的挑战。

Wi-Fi的主要考虑因素包括IP网络、带宽和功率。由于它们通常适用于高带宽、高功率且复杂的支持软件,因此基于Wi-Fi的设计往往比其他物联网技术更昂贵。Wi-Fi需要更大、更复杂的RF元器件和更多用于网络处理的嵌入式计算资源。但是,如果您需要超过10 Mbps的数据速率并直接访问互联网,那么Wi-Fi就是您的理想选择。

展望未来,我们可以预期Wi-Fi将继续与物联网一起发展,这可能意味着更低的功耗、更快的速度以及可在2.4 GHz频段(例如蓝牙和802.15.4)和5 GHz频段(例如蜂窝网络)共存的硬件/软件解决方案组合。

专有的Sub-GHz

对于工业传感等低数据速率应用,工作频率低于1 GHz的sub-GHz网络比功能更强大而丰富的2.4 GHz协议具有一些优势。传输范围是sub-GHz网络的主要优势所在。窄带传输可以不间断地传输一公里或更远,将数据发射到远程集线器,而无需更复杂的网状软件实现节点间跳跃。此外,sub-GHz频段相对ISM 2.4 GHz来说也不那么拥挤。

然而,在某些地区,可用的sub-GHz频道受到限制,这使得开发人员无法构建单一架构的全球性解决方案。另一个相关的劣势是sub-GHz无线电波规定因国家而异,并且占空比(duty cycle)限制实际上可能限制应用的传输时间。

总体而言,sub-GHz网络在传输距离方面获胜,但缺乏我们之前提到的2.4 GHz协议的标准化。

多协议连接

由于整个行业的硬件和软件工程相结合,我们已经看到支持多种无线协议的无线MCU和SoC在快速增长。这些多协议设备开辟了新的物联网功能和应用场景(见图4),例如在其他网络上简化设备部署和蓝牙信标。

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图4  多协议连接为物联网开辟了新的使用功能和应用场景

多协议SoC还可以利用智能手机或平板电脑的便利性,对已部署的设备进行空中下载(OTA)更新,并提供一种简单的方法,将新的协议(例如低功耗蓝牙)添加到具有传统专有协议的产品中。

来自众多供应商的高级多协议、多频段SoC现在为寻求增加无线连接的开发人员提供了更大的灵活性和设计选择,同时简化了他们的终端节点设计。

 

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