物聯(lián)網(wǎng)解決方案通常連接成百上千個邊緣設(shè)備，隨著更多邊緣設(shè)備的加入，成本和電源管理等常見的設(shè)計限制也越來越多。本文將概述物聯(lián)網(wǎng)應用中最常用的連接方法類型，并可從中權(quán)衡選擇及確定如何在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計時添加「物」。
如果您正在線上閱讀本文，則很可能是透過蜂巢網(wǎng)路、Wi-Fi或乙太網(wǎng)實現(xiàn)網(wǎng)路連接的，盡管這些連接方法在消費性電子產(chǎn)品中應用廣泛，但與物聯(lián)網(wǎng)（IoT）邊緣節(jié)點并無太多關(guān)聯(lián)。與消費性產(chǎn)品不同，大多數(shù)的邊緣設(shè)備不用檢查電子郵件（很幸運）或播放串流電影，因此這些設(shè)備無需具備這些產(chǎn)品所使用的高資料速率。
物聯(lián)網(wǎng)解決方案通常連接成百上千個邊緣設(shè)備，隨著更多邊緣設(shè)備的加入，成本和電源管理等常見的設(shè)計限制也越來越多。在這種規(guī)模下，產(chǎn)品與互聯(lián)網(wǎng)的連接方式將決定該解決方案的成功與否。
本文將概述物聯(lián)網(wǎng)應用中最常用的連接方法類型。請按照本文權(quán)衡選擇及確定如何在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計中來添加「物」。
| 圖一 : 物聯(lián)網(wǎng)（IoT）由連接到同一網(wǎng)路的成百上千個設(shè)備組成 |
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[1] 乙太網(wǎng)
乙太網(wǎng)是一種將「物」連接到「網(wǎng)」的快速可靠的方法。乙太網(wǎng)常見于工業(yè)和建筑自動化行業(yè)，尤其適用于在同一網(wǎng)路中包含許多節(jié)點的系統(tǒng)。
由于乙太網(wǎng)采用實體接線方式，因此本質(zhì)上也是一種非常安全的連接方法。還可以使用乙太網(wǎng)電纜，透過乙太網(wǎng)供電（PoE）方式為設(shè)備供電，這樣便無需再使用單獨的電源模組來為終端設(shè)備供電。
但是，實體接線確實也帶來了巨大的設(shè)計挑戰(zhàn)，而且并非適用于所有應用。透過乙太網(wǎng)連接的節(jié)點必須靠近路由器，即使在家庭和建筑自動化等短距離應用中，乙太網(wǎng)電纜的規(guī)模也同樣龐大，如何管理和隱藏纜線是一項重大挑戰(zhàn)。在現(xiàn)代建筑中，自動照明系統(tǒng)在施工時使用實體接線方式，但是在未采用相關(guān)設(shè)計的建筑中安裝乙太網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)通常是不可行的。
[2] Wi-Fi連接
作為網(wǎng)際網(wǎng)路連接的必備工具，Wi-Fi的無線特性極具吸引力。 Wi-Fi受到主流設(shè)備的廣泛支援，并且不像乙太網(wǎng)一樣存在實體接線限制。
盡管具備普遍性，但是將Wi-Fi功能添加到嵌入式設(shè)計中通常很復雜。 Wi-Fi之所以有吸引力是因為其無需接線且速度很快，但這種方法也存在安全性漏洞和功耗問題。因此，進行基于Wi-Fi的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計時，工程師需要在安全性、功耗和成本方面做審慎的權(quán)衡。
| 圖二 : 作為消費性電子產(chǎn)品優(yōu)先考慮的互聯(lián)網(wǎng)連接選項，Wi-Fi具備高速和無需接線等優(yōu)勢。 |
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幸運的是，現(xiàn)在已經(jīng)有解決方案能夠幫助工程師克服這些障礙。使用針對物聯(lián)網(wǎng)優(yōu)化的Wi-Fi模組，有助于簡化設(shè)計并節(jié)省開發(fā)時間。諸如WINC1500等模組經(jīng)過全面認證，支援安全協(xié)議，而且針對電池供電設(shè)備進行了優(yōu)化，可在不影響成本和功耗的前提下實現(xiàn)Wi-Fi連接。
[3] LPWAN
低功耗廣域網(wǎng)路(LPWAN)在消費性產(chǎn)品中不太常見，因此可能不為人熟悉。物聯(lián)網(wǎng)應用的很大一部分是廣域應用，例如環(huán)境監(jiān)控。
使用物聯(lián)網(wǎng)進行環(huán)境監(jiān)控的優(yōu)勢，在于我們可以監(jiān)控鄉(xiāng)村、近海和通常無法進入的區(qū)域，而問題就在于這些地點位于鄉(xiāng)村、近海和通常無法進入的區(qū)域，例如無法給漂浮在馬里亞納海溝中的設(shè)備快速充電，也無法在撒哈拉沙漠里連接到Wi-Fi。
| 圖三 : LPWAN能夠完美應用於農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，因為這些網(wǎng)路能夠以極低的功耗覆蓋大面積區(qū)域。 |
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典型的LPWAN使用范圍約為10公里左右。資料傳輸速度非常慢，但是，除非物聯(lián)網(wǎng)解決方案在檢查電子郵件或播放流媒體視頻，否則不太可能需要高速連接。
盡管常用于農(nóng)業(yè)和偏遠地區(qū)，但LPWAN并不局限于此。 LPWAN在城市中的利用率正不斷增長，例如用于跟蹤拍賣場中車輛的LPWAN應用，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（源自長距離，也稱為LoRa）和Sigfox。兩者之間的一大差異是成本，Sigfox是一項基于訂閱式的服務(wù)，其工作方式與蜂巢式網(wǎng)路類似。如果Sigfox在所在的地區(qū)可用，則可以透過訂閱本地供應商的服務(wù)實現(xiàn)連接。而使用LoRaWAN時，開發(fā)人員可以透過創(chuàng)建「自助式」網(wǎng)路省去訂閱費用，但是大多數(shù)人仍會選擇使用本地網(wǎng)路供應商的LoRa閘道基礎(chǔ)架構(gòu)，并且按照使用量付費。
[4] 蜂巢式網(wǎng)路
除了農(nóng)村深處和偏遠地區(qū)，蜂巢式網(wǎng)路可以覆蓋其余所有地方。對于需要此類覆蓋范圍的嵌入式系統(tǒng)，蜂巢式網(wǎng)路是唯一的選擇。但是蜂巢式網(wǎng)路十分昂貴，必須先選擇網(wǎng)路供應商，而且只有在透過政府監(jiān)管部門批準后，才能建立自己的網(wǎng)路。對于每個節(jié)點來說，嵌入式元件和供應商訂閱的高昂成本，通常會抵消蜂巢式網(wǎng)路廣泛的覆蓋范圍所帶來的優(yōu)勢。
也就是說，需要權(quán)衡使用蜂巢式網(wǎng)路連接「物」和每月為手機服務(wù)付費的利弊。物聯(lián)網(wǎng)專用的蜂巢式網(wǎng)路正如雨后春筍般興起，與LPWAN形成競爭之勢。 LTE CAT-M是一種快速發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)蜂巢式網(wǎng)路。其中「M」代表「機器」，該網(wǎng)路針對物聯(lián)網(wǎng)進行了優(yōu)化，是一種速度、成本和功耗更低的解決方案。不過，這樣可能會讓手機費用很高，CAT-M計畫的收費標準約為每月7美元，僅提供5 MB的資料。蜂巢式網(wǎng)路物聯(lián)網(wǎng)連接的其他選項，還包括CAT-0、CAT-1和新推出的NB-IoT（NB表示「窄頻帶」）。
5G的推出有望推動物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的創(chuàng)新。盡管5G的價格要比針對物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)路更高，但其更快的速度可以進一步推動尖端物聯(lián)網(wǎng)應用（例如自動駕駛汽車）的發(fā)展，5G的覆蓋范圍遠遠不及LTE或3G，但仍在不斷擴展。一些行業(yè)分析師預測，在未來五年內(nèi)，5G的使用量將占到全球人口的20%。
[5] 衛(wèi)星
| 圖四 : 雖然衛(wèi)星適用於蜂巢式網(wǎng)路服務(wù)無法覆蓋的偏遠地區(qū)，但目前商用物聯(lián)網(wǎng)很少選用。 |
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蜂巢式網(wǎng)路可以覆蓋大多數(shù)人口稠密的地區(qū)，但是，要如何在偏遠荒涼的地區(qū)實現(xiàn)網(wǎng)路連接呢？
衛(wèi)星連接可用于物聯(lián)網(wǎng)應用，例如蜂巢式服務(wù)無法覆蓋的地球偏遠地區(qū)的運輸物流。雖然隨著衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，情況有望發(fā)生變化，但是開發(fā)衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)應用并不像開發(fā)其他連接選項那樣容易，許多衛(wèi)星服務(wù)會留作國防用途。
[6] Bluetooth連接
對于藍牙(Bluetooth)，您可能并不陌生。 Bluetooth Classic和Bluetooth Low Energy (BLE) 的最大范圍均在100公尺以上，但通常用于相距不超過幾公尺的設(shè)備。日常生活中，藍牙在手機和電腦配件中隨處可見，廣泛應用于耳機、鍵盤和顯示技術(shù)。
得益于低功耗（BLE的功耗尤其低）、廣受支援并且可以快速配對的特性，藍牙非常適合消費性電子產(chǎn)品。與Wi-Fi不同，藍牙不會直接連接到互聯(lián)網(wǎng)，需要設(shè)置閘道才能接入互聯(lián)網(wǎng)，雖然自行設(shè)置閘道聽起來很麻煩，但通常操作起來就像使用手機連接Wi-Fi一樣容易。
最近更新的藍牙5.0版本擴展了藍牙的范圍，可以在家庭網(wǎng)路中使用，盡管Bluetooth Classic和Bluetooth LE通常用于連接僅相距數(shù)公尺的設(shè)備，但整個家庭都可以透過藍牙5.0實現(xiàn)互聯(lián)，應用范圍的擴展幫助藍牙成功進軍家庭自動化、照明和工業(yè)應用領(lǐng)域。
建議
這些連接方法的主要變化趨勢是簡化實施過程，Wi-Fi和藍牙等常用網(wǎng)路通常是評估和探索IoT設(shè)計的最簡單方法，這些網(wǎng)路無需自行搭建閘道或向供應商付費。
消費者可以使用多種Wi-Fi和藍牙原型模組，其中很多都提供開放原始程式碼和程式設(shè)計教程，我們建議使用連接模組，因為這樣會使設(shè)計更加靈活，當需要針對不同的網(wǎng)路調(diào)整設(shè)計時，可以更換模組，而不必從頭開始。
簡化設(shè)計流程
連接到網(wǎng)際網(wǎng)路只是物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計流程的一部分，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)應具備以下三個元素：智慧、連接和安全，這些元素分別對應于三個電子元件：微控制器（MCU）、連接模組和安全元件，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計的挑戰(zhàn)在于如何整合上述三種元件。
Microchip的AVR-IoT WG開發(fā)板是精簡型Wi-Fi開發(fā)平臺的一個范例，這款開發(fā)板經(jīng)過預先的配置，可以安全連接到Google Cloud的物聯(lián)網(wǎng)平臺，透過將安全元件、Wi-Fi控制器和MCU整合在同一塊開發(fā)板上，可以省去許多瑣碎的設(shè)計工作，直抵問題核心：以創(chuàng)新和快速的方式將物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品推向市場。
| 圖五 : AVR-IoT WG開發(fā)板經(jīng)過預先配置，可以安全連接到Google Cloud。 |
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Arduino Uno WiFi Rev 2同樣能夠提供智慧、連接和安全元素，Arduino擁有一個活躍的原型設(shè)計社群，線上提供了許多使用教程和開放的原始程式碼。
MikroElektronika click boards是快速原型設(shè)計模組，可直接連接到AVR-IoT WG開發(fā)板，或透過Arduino Uno WiFi R2的Shield板實現(xiàn)連接，這款模組提供多個連接click板（包括各種LoRa和藍牙模組），可在原型設(shè)計階段向物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計中添加連接。
| 圖六 : MikroElektronika BLE2 click板可輕松整合到許多通用開發(fā)平臺中。 |
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Arduino和AVR-IoT WG開發(fā)板等用戶友好型工具，顯著降低了構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的難度。無論是一位嵌入式設(shè)計人員、制造商，或只是一個對此領(lǐng)域感興趣的網(wǎng)路粉絲，都可以建立一個物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)路。這種強大的無障礙性再加上日益緊密的網(wǎng)路世界，確保了連接將持續(xù)以前所未有的方式，推動網(wǎng)路世界的進步。
(本文作者Rachel Beddor為Microchip 產(chǎn)品行銷工程師)
