在設(shè)計電子產(chǎn)品項目或產(chǎn)品時，電子產(chǎn)品經(jīng)常需要能夠與其他設(shè)備進行通信。它們需要傳輸各種各樣的數(shù)據(jù)，從天氣信息、醫(yī)療數(shù)據(jù)到可操作的控制命令。我們擁有大量的通信標準可供選擇，它們可在使用或不使用線纜的情況下傳輸信息，我們可以利用這些標準，讓設(shè)備具備相互通信的能力。我們并不總能輕松在長距離范圍內(nèi)連接多個設(shè)備，因而距離可能成為一個限制因素。在這種情況下，使用線纜連接設(shè)備可能昂貴而復(fù)雜。相反，無線通信提供了更為靈活的解決方案，能夠降低開發(fā)成本并簡化安裝。

無線通信通常指使用無線電波進行通信，從幾米的短距離到數(shù)千公里的長距離，而在深入宇宙的無線電通信中，距離甚至達到數(shù)百萬公里。無線通信技術(shù)還包括光通信、聲波通信和電磁感應(yīng)方法。

無線通信還涉及到多種拓撲。另外，還有使用藍牙 3.0 及更低版本的點到點設(shè)備，它們只與智能手機和藍牙耳機等其他設(shè)備進行一對一直接通信。智能手機通常必須與耳機斷開連接，才能與另一部藍牙設(shè)備進行通信。還有點到多點的通信，將主設(shè)備與多個其他設(shè)備連接。Wi-Fi 和藍牙 4.0 及更高版本是點到多點連接的實例。

在選擇無線通信拓撲時，需要考慮多個問題。

認證

與有線通信技術(shù)類似，無線技術(shù)也必須符合當?shù)貥藴?。由于無線技術(shù)的合規(guī)條件更為嚴格，因此通過認證的難度更大。無線電合規(guī)性基于幾個基本概念。設(shè)備只能在分配給該無線電技術(shù)的特定頻率下工作。它不應(yīng)干擾該頻率之外的其他設(shè)備，也不應(yīng)被在其他頻率范圍內(nèi)工作的其他設(shè)備干擾。美國聯(lián)邦通信委員會 (FCC) 法規(guī)第 15 部分對此做出了詳細規(guī)定。另外還有關(guān)于最大發(fā)射功率 (EIRP) 的規(guī)定，每個頻率范圍的這項指標都是唯一的。

FCC 是美國的獨立機構(gòu)，負責監(jiān)管產(chǎn)品通信。如果要銷售某種產(chǎn)品，該產(chǎn)品必須符合 FCC 標準，并在產(chǎn)品和包裝上顯示唯一的 FCC ID。這種情況與歐洲略有不同。自行認證 CE 標志表示產(chǎn)品通過了認證，包含多種統(tǒng)合標準。無線電設(shè)備指令 (RED) 就是以前的 R&TTE，該歐洲指令對所有產(chǎn)品使用的頻譜做出了規(guī)定。與 FCC 合規(guī)性類似，CE 標志必須顯示在產(chǎn)品上，作為產(chǎn)品符合歐洲市場標準要求的證據(jù)。

FCC 和 CE 只是兩種主要認證標準。加拿大、澳大利亞、新西蘭、中國香港、日本、韓國、亞太區(qū)、非洲和南美都有自己的標準，產(chǎn)品必須符合這些標準，才能在這些地區(qū)合法銷售。

對于制造商而言，遵守不同的地區(qū)標準，讓每種產(chǎn)品獲得我們所說的“型式認可”，會在設(shè)計和測試方面產(chǎn)生沉重負擔。要開發(fā)一種分立無線收發(fā)器設(shè)計，就需要專業(yè)的無線電設(shè)計專業(yè)知識，還需要在無線電測試設(shè)備方面進行投資，這會大幅增加開發(fā)新產(chǎn)品的成本和時間。出于這個原因，很多工程團隊選擇了使用更簡單的方法來提供無線連接，既無需應(yīng)對高速數(shù)字電路帶來的電磁干擾挑戰(zhàn)，也無需滿足嚴格的 EMC 產(chǎn)品法規(guī)。

鑒于這一點，在早期產(chǎn)品開發(fā)過程中，選擇經(jīng)過預(yù)先認證的無線模塊通常是一種可取的做法。這樣可以確保合理的產(chǎn)品上市速度，不會因為無線電合規(guī)性而造成嚴重延遲。市場上提供的模塊可能是可編程的，或者需要外部微控制器/微處理器才能正常工作。很多現(xiàn)成模塊還包括嵌入式或板載天線，從而減少了未知因素和可能出現(xiàn)的認證問題。

在開發(fā)后期階段，通常在接近批量生產(chǎn)時，我們才可能嘗試開發(fā)定制無線解決方案。雖然開發(fā)產(chǎn)品和獲取相關(guān)認證的成本可能非常高，但由于產(chǎn)品是大批量生產(chǎn)的，因此成本可以大幅降低。這樣還能確保滿足初始生產(chǎn)期限，并在做出進一步投資之前，在市場上推出和測試產(chǎn)品。

選擇無線技術(shù)

市場上有很多不同的無線通信方法。每種方法都有自身的優(yōu)勢和缺點。在選擇可能的模塊之前，必須分清哪些技術(shù)能夠滿足正在開發(fā)中的產(chǎn)品的需求。下面列出了在選擇無線標準時必須考慮的要點：

• 帶寬

• 距離

• 安全

• 功率

• 頻率

帶寬

帶寬主要關(guān)系到發(fā)送多少數(shù)據(jù)，以及發(fā)送數(shù)據(jù)的頻次。Wi-Fi 提供始終在線連接，數(shù)據(jù)速率在 11 Mbps (802.11b) 至 1.3 Gbps (802.11ac) 之間。藍牙 3.0 和 4.0 在全功率下提供最高 25 Mbps 的速率，傳輸距離最長達到 60 米，但不是始終連接。相反，Sigfox 和 LoRa 每 10 分鐘僅能傳輸 12 字節(jié)數(shù)據(jù)，從而降低功耗，最大限度提高電池壽命。

距離

距離涉及發(fā)射器和接收器之間的最大距離。有些技術(shù)在短距離內(nèi)性能出色，例如智能藍牙（以前的低功耗藍牙）。GPS 等其他技術(shù)則可接收數(shù)千公里之遙的行星軌道衛(wèi)星的信號。

安全

在物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 和其他任何無線設(shè)備中，安全都是一大熱點話題。通過無線方式將數(shù)據(jù)從一個點發(fā)送至另一個點，會產(chǎn)生安全問題。有些無線技術(shù)利用強大的加密功能解決了這個問題，但會縮短電池壽命，還可能減少帶寬。監(jiān)控設(shè)備僅捕捉非?；镜臄?shù)據(jù)，例如溫度或濕度，也許不值得進行保護。但是，它們也可能成為無線網(wǎng)絡(luò)中的薄弱環(huán)節(jié)，為入侵其他更安全設(shè)備提供可乘之機。敏感數(shù)據(jù)，例如信用卡信息，需要更強大的加密。要考慮的重要因素包括：數(shù)據(jù)的敏感度、同一個網(wǎng)絡(luò)上的其他設(shè)備以及無線標準提供的加密。

功率

在為產(chǎn)品選擇合適的模塊時，功率也是最重要的因素之一。能效要盡可能的高永遠是不二法則，不僅是為了節(jié)省電能，還是因為減少發(fā)熱而延長產(chǎn)品壽命。電池供電型設(shè)備與始終連接墻壁插座的設(shè)備之間的差異可以顯著改變設(shè)備工作方式。對于始終通過墻壁插座供電的設(shè)備，它們的設(shè)計要簡單得多。而對于電池供電的無線產(chǎn)品，必須考慮到充電、更換或設(shè)計較長使用壽命的電源。最初，更換電池似乎只是舉手之勞，但如果客戶有幾千部設(shè)備，例如部署在遠程位置的物聯(lián)網(wǎng)傳感器，那么需要的資源和后續(xù)成本將是巨大的。

頻率

雖然頻率非常重要，但在選擇無線模塊時，它不一定是主要選擇標準。但是，在某些特定情況下，特定的頻帶可能出現(xiàn)飽和，或者產(chǎn)品在特定頻帶中工作是不合法的。對于本文所述的無線模塊，分配的頻率都已經(jīng)明確定義。

GSM、GPRS、EDGE、3G、HSDPA、HSPA+ 和 4G LTE

在數(shù)字蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，我們在手機等移動設(shè)備上使用過多種不同的名稱和技術(shù)。我們應(yīng)該明白，所有技術(shù)都是在其他技術(shù)基礎(chǔ)上演變過來的。通用分組無線服務(wù) (GPRS) 和增強型數(shù)據(jù)速率 GSM 演進 (EDGE) 是第二代技術(shù)，也稱為 2G。它們的下載速度分別為 114 Kbps 和 384 Kbps。3G 是第三代無線通信技術(shù)，高速下行分組接入 (HSDPA) 則是 3G 的增強技術(shù)，3G 的下載速度為 3.1 Mbps，HSDPA 的下載速度為 14 Mbps。增強型高速分組接入 (HSPA+) 是第四代技術(shù)，實現(xiàn)高達 168 Mbps 的速度。4G 長期演進 (LTE) 技術(shù)支持高清流媒體傳輸，下載速度高達 299.6 Mbps。

在選擇任何 GSM 模塊時，要注意的一個關(guān)鍵是它能否確保產(chǎn)品不過時。Sierra Wireless 和 U-blox 都提供了一系列的引腳兼容模塊，支持 2G、3G 和 4G 技術(shù)。這意味著開發(fā)人員只需設(shè)計一個 PCB，然后插入所需的模塊，即可輕松地集成要在任何地區(qū)或無線網(wǎng)絡(luò)中部署的語音和數(shù)據(jù)連接。隨著網(wǎng)絡(luò)運營商升級基礎(chǔ)設(shè)施，他們最終將會決定停止支持 2G 和 3G 等舊技術(shù)，只保持像 4G 和即將問世的 5G 這樣的網(wǎng)絡(luò)。

U-blox 提供的 LARA-R204 就是一個蜂窩模塊實例。該模塊能夠在 4 和 13 頻段工作，專為在 Verizon LTE 網(wǎng)絡(luò)上使用而設(shè)計，它只是能夠支持所有 LTE 網(wǎng)絡(luò)頻段的 LARA-R2 產(chǎn)品系列的一個成員。它能夠在單?；蚨嗄Ｅ渲孟鹿ぷ?，采用緊湊型 LGA 100 引腳外形尺寸封裝，提供多個外設(shè)接口選擇。圖 1 是 LARA-R2 系列的功能框圖，其中突出顯示了基帶處理器上的可用接口、收發(fā)器、射頻前端和電源管理功能。

圖 1：U-blox LARA-R2 功能框圖

如果要將任何無線模塊集成到產(chǎn)品中時，就必須了解它與主機建立通信的方式，這一點非常重要。UART 和 I2C 是常用的接口方法，但通常需要有額外的可用 IO 端口（例如 GPIO 和 USB），才能添加其他傳感器和設(shè)備。應(yīng)該考慮的其他功能包括模塊是否支持所需的通信協(xié)議（FTP、HTTP 等），以及模塊是否具備無線升級固件 (FOTA) 的能力，對于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計而言，這種功能變得日益重要。安全功能（例如加密身份驗證和加密技術(shù)）是搭建安全通信鏈路的關(guān)鍵，這一點毋須多言。

這種蜂窩模塊的另一個特點是提供兩個天線插座和專用收發(fā)器前端?？刂埔_讓主機應(yīng)用能夠?qū)崿F(xiàn)天線分集功能，基帶處理器通過這種功能，確定哪個天線可為特定鏈路提供最佳蜂窩信號強度和質(zhì)量。

所有模塊功能的配置和控制都通過連接的主機進行，使用行業(yè)標準“AT”指令集。該模塊還提供一個全面的參考手冊，在這里可以找到在 U-blox 蜂窩模塊上使用“AT”指令的詳細說明。

Wi-Fi 和藍牙模塊

Wi-Fi 和藍牙是目前最常用的兩種無線技術(shù)。作為一種將用戶連接到局域網(wǎng)和/或訪問互聯(lián)網(wǎng)的方法，Wi-Fi 在幾乎每個家庭和企業(yè)中都會使用。藍牙則用于各種各樣的低功耗設(shè)備，從免提式耳機到無線揚聲器、鼠標、鍵盤、打印機等眾多設(shè)備。Wi-Fi 適用于局域網(wǎng)上的高速通信，藍牙則適用于便攜式設(shè)備。它們通常是互為補充的技術(shù)，很多模塊同時具備 Wi-Fi 和藍牙功能。

Silicon Labs 的 WF111 系列就是經(jīng)過認證的符合 802.11 b/g/n 標準的緊湊型 Wi-Fi 模塊的例子，適合廣泛的商業(yè)、工業(yè)和消費應(yīng)用。該模塊能夠達到最高 72.2 Mbps 的位數(shù)據(jù)速率，可為 WEP、WPA 和 WPA2 加密提供硬件支持，還配備了 SDIO 和 CSPI 主機外設(shè)接口。該模塊帶有內(nèi)部芯片天線或用于外部天線的 U.FL 連接器，具備藍牙共存功能，允許藍牙模塊與 Wi-Fi 器件同地協(xié)作。此功能可確保每個模塊能夠相互感知，幫助避免同時進行數(shù)據(jù)傳輸，因為這樣很可能降低鏈路性能。

Texas Instruments 的 WL1831 是另一個將 Wi-Fi 和藍牙連接組合在單個器件中的無線模塊（圖 2）。對于同時需要兩種通信方法的設(shè)計，這款節(jié)省空間的緊湊型模塊的外形尺寸僅為 13.3 x 13.4 x 2 mm，并集成了射頻收發(fā)器、前端濾波器、射頻開關(guān)以及全面的電源管理功能。它提供兩個天線插座，其中一個在 Wi-Fi 和藍牙收發(fā)器之間切換。

圖 2：組合了 Wi-Fi 和藍牙無線模塊的 Texas Instruments WL1831。

在電池供電型設(shè)計中，特別是要使用 Wi-Fi 時，功耗是我們關(guān)注的主要問題，WL1831 提供低于 800 μA 的連接待機功耗，從而解決了這個難題。

LoRa/Sigfox 模塊

LoRa 和 Sigfox 是兩種相似的無線技術(shù)，同時工作在 868 MHz（歐盟）和 902 - 928 MHz（美國）頻段。它們之間并無激烈競爭關(guān)系，但都是在相同的頻率下，以相似的方式工作。它們都作為低功耗廣域網(wǎng) (LPWAN) 方式工作，適用于數(shù)據(jù)速率較低的廣泛網(wǎng)絡(luò)，這一特點使得它們成為物聯(lián)網(wǎng)的理想之選。Sigfox 是作為超窄帶技術(shù)設(shè)計的，在 30 - 50 公里的距離上，每十分鐘傳輸 12 字節(jié)數(shù)據(jù)，每天能夠接收最多四條消息。相反，LoRa 更多是針對命令和控制場景設(shè)計的。它的數(shù)據(jù)包大小仍然非常小，但可由用戶定義。接收數(shù)據(jù)不受限制，但范圍減小為 15 - 20 公里。

越來越多的供應(yīng)商針對這些協(xié)議提供收發(fā)器模塊。Multi-Tech Systems 的 MultiConnect xDot 模塊就是一個例子。這款 LGA 封裝器件非常適合歐洲地區(qū)的很多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。它的深度休眠電流小于 2 μA，預(yù)期電池壽命能夠達到 10 年甚至更長。此外，通過使用引腳復(fù)用，可提供功能全面的外設(shè)集（圖 3）?？梢酝ㄟ^使用標準“AT”命令集來實現(xiàn)模塊控制，在這種情況下，無需再進行更多編程，或者也可以使用 ARM mbed 開發(fā)庫。

圖 3：復(fù)用引腳外設(shè)功能的 MultiConnect xDot LoRa 模塊。

Sigfox 和 LoRa 同時工作在工業(yè)、科研和醫(yī)療 (ISM) 無線電頻段，這些頻段通常是為除電信之外的其他用途保留的。也就是說，仍然有一些模塊是為在 ISM 頻段中使用而開發(fā)的。這些模塊通常使用它們自身專有的通信協(xié)議。這些頻段的最常見頻率為 433 MHz、863 MHz 至 870 MHz (EU)、902 至 928 MHz (US)、2.4 GHz 至 2.5 GHz。

網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)

值得注意的是，某些無線網(wǎng)絡(luò)不一定在點到點、點到多點系統(tǒng)上工作。有些無線技術(shù)，例如 ZigBee、WiMAX 和 Bluetooth Mesh，在多對多網(wǎng)絡(luò)上工作。這意味著設(shè)備不一定必須位于與其通信的設(shè)備的傳輸范圍之內(nèi)，而是可以通過由相似設(shè)備構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)來傳輸信號，從而到達更遠的最終設(shè)備。有些器件非常適合搭建 ZigBee 網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，例如 Microchip 的 ATSAMR21G18。除了必需的 2.4 GHz 收發(fā)器模塊之外，該器件還具備一些全面的加密身份驗證功能，最大工作頻率為 48 MHz，提供最多 17 個外部 GPIO 引腳。

總結(jié)

預(yù)先合規(guī)模塊確定能夠為開發(fā)和合規(guī)性測試節(jié)省可觀的成本。但是，在將新產(chǎn)品投放到市場之前，仍然需要進一步測試，當然這種測試不會到分立設(shè)計的程度。雖然模塊本身預(yù)先經(jīng)過了合規(guī)性認證，但一旦添加到另一個系統(tǒng)或產(chǎn)品上，它的特性可能受到影響。

為了幫助完成選擇過程，Digi-Key 在其網(wǎng)站上提供了無線開發(fā)工具產(chǎn)品選型表、物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品選型指南和無線參考設(shè)計庫。