作者：Walter N. Maclay, 總裁, Voler Systems

　物聯網在現代社會中既是已知的，也是未知的。雖然物聯網在科技領域和企業界是個常用詞，但鮮有普通民眾會提及，盡管物聯網早已融入人們的日常生活。物聯網就是將諸如設備、車輛、建筑、電子設備、網絡等實際物體連接起來，使其能夠互動并收集、交換數據。這種連接適用于數百萬種不同的事物，包括已經過升級但之前未連接互聯網的傳統產品。

　　本文將為大家介紹多種能讓這些設備進行無線通信的方法。

　　將數據連接到云的三種方法

　　物聯網面臨的挑戰之一就是將來自設備傳感器的數據送到云，并在云端使用、處理和存儲這些數據。智能手機使得 Wi-Fi 和藍牙的使用無處不在，加之信號塔和公共 Wi-Fi 接入點的普及，讓物聯網傳感器相比以前能更多地訪問云。有三種基本方法可將數據發送到云。

　　從傳感器到網關，再到云。在某些應用中，理想的選擇是先將傳感器數據發送到網關，再由網關將數據高效地傳輸到云。根據應用需求，網關的范圍可以從簡單的中繼系統到執行更多計算密集型功能的“智能”平臺。其中，計算密集型功能被稱為“邊緣處理”。像停車場傳感器和辦公桌利用率傳感器之類的設備，通常依靠網關來傳輸數據。例如，Wi-Fi 就是一種網關。如果在家中使用，需要安裝一個 Wi-Fi 網關。在已經安裝網關的公共場所，Wi-Fi 可以直接操作云端。如藍牙等其他類型的無線通信是需要網關的。例如，Hatch Baby Grow 就是家庭 Wi-Fi，這是一種智能換尿布墊和聯網式體重秤。它利用 Wi-Fi 將數據從換尿布墊中的秤傳送到家庭互聯網上。家長和兒科醫生可以通過安卓或 iOS 應用追蹤基于云的信息。

　　從傳感器到手機，再到云。某些情況下，手機可作為網關。具有 Wi-Fi 或藍牙功能的智能手機可以作為網關，用于向云發送數據。例如，Voler 可以幫助開發監測老人身體平衡的耳塞。他們將數據通過低功耗藍牙無線技術傳輸至安裝了相關應用程序的智能手機。數據也會從智能手機發送到云端，并在云端做進一步處理或者進行共享。

　　智能設備直接連接云。傳感器可以使用 NB-IoT、LTE-M 或 LoRa 等技術直接與云連接。只要數據速率低，這些技術就能以極低的功耗實現數英里傳輸范圍。這些技術通過通常安裝在信號塔上的設備與互聯網連接。它們的工作方式與手機大同小異，只是數據速率和功耗要低得多。每個月都需收費，但一般非常少。

　　規劃物聯網無線通信策略時，需要考慮的因素包括：數據傳輸量、數據源到互聯網的距離、需要多大的功率，以及服務成本的高低（如有）。智能手機的廣泛使用以及可選擇 Wi-Fi 或藍牙無線電標準使得連接非常方便。NB-IoT 和 LTE-M 等較新的標準為未來的物聯網提供了更多的選擇。

　　為什么需要新技術？

　　物聯網仍在不斷發展。每一次的更新換代都會實現更低的功耗、更長的無線通信時間和更好的功能。新設備可以利用新技術，并達到更好的性能。

　　應考慮如何取舍

　　Voler 每次設計可穿戴設備或任何采用電池供電的設備時，客戶都會提出如下要求：

• 　　長時間工作
• 　　長距離傳輸大量數據
• 　　采用微小型電池

　　這些要求會相互制約，需要作出適當取舍。工程就是用來作取舍的。考慮系統功能要求并根據系統要求進行必要的工程取舍，以獲得最佳性能。同時提供令人滿意的用戶體驗，這點非常重要。這樣做的結果，就是從眾多選擇中獲得最佳的折中設計。

　　權衡考慮

• 　　數據速率
• 　　傳輸距離
• 　　電池大小
• 　　成本
• 　　許可與未許可頻段
• 　　運營商部署與客戶部署
• 　　終端設備的密度
• 　　在哪里部署
• 　　固件更新
• 　　操作系統的驅動程序
• 　　元器件/模塊選擇
• 　　天線
• 　　技術成熟度

　　Voler 最近與一家初創公司合作，以延長其互聯產品的電池壽命。它基于Murata 的 impModule?，采用 Arm? 處理器和 Wi-Fi 收發器。他們需要具有數周的電池壽命，實際卻是完成原型設計后不到一周。Voler 修改了代碼，以滿足所需的電池壽命。原先的代碼無法按照預期要求工作。

　　在無線傳輸中，必須管理好三件事：傳輸所需的功率、數據速率和傳輸距離。選擇合適的無線標準很重要。為物聯網設備設計選擇無線標準時，請參考下表。該表列出了物聯網設備常用的無線標準及其特點。

表 1：常用無線標準及功能。（表格來源：Voler）

　　不同的無線標準對功率的要求不盡相同。所需功率取決于數據速率和傳輸距離。例如，參考表 1，設備使用 LTE 蜂窩技術以每秒 100 比特的傳輸速率將數據傳輸一公里時，可能消耗 120mW。但使用低功耗藍牙傳輸 1 米時，設備可能只需要 0.15 mW 的功耗。

　　物聯網無線標準之比較

表 2：無線物聯網標準比較。（表格來源：Voler）

　　常見無線選項的功率要求

　　如果一個設備只需在 10 米以內傳輸數據，低功耗藍牙或者藍牙就足夠了。但是，諸如用于庫存管理等用于工業、商業的物聯網設備或者用于健康監測的可穿戴設備就可能需要傳輸距離更遠的通信技術，如 NB-IoT 或 LTE-M。如果設備需要發送大量數據，如攝像機，低功耗藍牙無等技術就無法滿足其要求。此時，需要選擇 Wi-Fi 和 LTE 等高功率技術。

　　另一方面，蜂窩無線協議 NB-IoT 和 LTE-M 可使物聯網設備以低功耗方式將數據傳輸到很遠的地方。SigFox 也是如此，其數據傳輸距離可以達到 50 公里。但與蜂窩標準的高數據速率不同，SigFox 每秒最多只能傳輸 300 比特數據。

　　私人網絡與公共網絡

　　私人網絡有一個網關，由提供商為一個或有限數量的用戶負責網關的安裝和控制。一個公共網絡有一個網關，且很多用戶使用時可以按月支付費用。例如手機服務。

　　公共網絡需要安裝信號塔等基礎設施。由于信號塔的廣泛安裝，目前手機已經廣泛普及，很容易進行漫游。SigFox 和 LoRa 在美國的基礎設施有限，因此采用這種技術的設備在大多數地方無法使用。采用 LoRa 技術時，確實可以選擇使用了網關的私人網絡。

　　2019 年，NB-IoT 和 LTE-M 的基礎設施安裝涵蓋了 90% 以上的美國人口。這種技術已接近了蜂窩覆蓋率。這種技術已經存在多年，目前終于可以在新設備中使用了。世界上大多數主要國家都有基礎設施。預計 NB-IoT 和 LTE-M 的使用量將迅速增加。Sigfox 和 LoRa 在公共基礎設施的安裝方面遠遠落后。

　　以下是私人和公共無線選擇的總結。

　　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
• 　　安裝基站和端點的費用
• 　　無月費

　　公共

• 　　供應商所擁有的網絡——例如，蜂窩網絡
• 　　僅存在于有基站的地方
• 　　漫游方便
• 　　許可頻段
• 　　使用網絡時按月付費

　　電池技術何時才能提高？

　　如果有更好的電池，這些取舍問題會迎刃而解。化學儲能已接近其效率極限。不過，在更高的密度和安全性方面，目前正在進行大量研究。

　　如果電池在過去的 50 年里像半導體一樣發展的話，你現在就會有一種成本只有一美分，能為汽車提供動力的、針頭大小的電池。毋庸置疑，這種技術根本就沒有，也永遠不會有。因此，設備受到化學儲能所需空間的限制。

　　今天的電池約占最終化學能源存儲量的 10％，就像汽油一樣。然而，汽油有一個安全問題。另一個更有效的選擇是核能，但同樣存在安全問題，更不用說便攜性了。未來的電池會有漸進式改進，但這種變化會很緩慢。

　　考慮成本

　　許多物聯網設備制造商為了保持產品的價格優勢和更快的產品上市時間，而造成了在安全方面投資不足。在開發階段整合安全問題會大大增加開發成本和時間。然而，以薄弱的物聯網安全性構建物聯網設備，不僅會給客戶造成更多的破壞性后果，還會給制造商的品牌帶來破壞性結果——具體表現為生產力削弱、法律/合規性罰款、聲譽受損和貨幣損失。

　　為物聯網設備選擇的無線標準會顯著影響其性能、可用性、安全性和可靠性。最適合的物聯網設備標準取決于其應用。了解設備的用途有助于確定構建設備時的關鍵要求，例如需要多大的功率才能有效地運行，應該以多快的速度傳輸數據，以及電池需要多長的續航時間等。

　　Voler System 的物聯網設備開發專家團隊可以在如何選擇合適的物聯網及其無線標準方面為設計人員提供指導。立即聯系物聯網專家，了解更多關于為任何物聯網設備設計選擇合適的無線標準的信息。