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作者：Walter N. Maclay, 總裁, Voler Systems
物聯(lián)網在現(xiàn)代社會中既是已知的，也是未知的。雖然物聯(lián)網在科技領域和企業(yè)界是個常用詞，但鮮有普通民眾會提及，盡管物聯(lián)網早已融入人們的日常生活。物聯(lián)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(shù)據。這種連接適用于數(shù)百萬種不同的事物，包括已經過升級但之前未連接互聯(lián)網的傳統(tǒng)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(shù)據連接到云的三種方法
物聯(lián)網面臨的挑戰(zhàn)之一就是將來自設備傳感器的數(shù)據送到云，并在云端使用、處理和存儲這些數(shù)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(lián)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(shù)據發(fā)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(shù)據發(fā)送到網關，再由網關將數(shù)據高效地傳輸?shù)皆啤８鶕眯枨?，網關的范圍可以從簡單的中繼系統(tǒng)到執(zhí)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(shù)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(lián)網式體重秤。它利用 Wi-Fi 將數(shù)據從換尿布墊中的秤傳送到家庭互聯(lián)網上。家長和兒科醫(yī)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(fā)送數(shù)據。例如，Voler 可以幫助開發(fā)監(jiān)測老人身體平衡的耳塞。他們將數(shù)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(shù)據也會從智能手機發(fā)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(shù)據速率低，這些技術就能以極低的功耗實現(xiàn)數(shù)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(lián)網連接。它們的工作方式與手機大同小異，只是數(shù)據速率和功耗要低得多。每個月都需收費，但一般非常少。
規(guī)劃物聯(lián)網無線通信策略時，需要考慮的因素包括：數(shù)據傳輸量、數(shù)據源到互聯(lián)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(lián)網提供了更多的選擇。
為什么需要新技術？
物聯(lián)網仍在不斷發(fā)展。每一次的更新?lián)Q代都會實現(xiàn)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(shù)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?？紤]系統(tǒng)功能要求并根據系統(tǒng)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(shù)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(tǒng)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(chuàng)公司合作，以延長其互聯(lián)產品的電池壽命。它基于Murata 的 impModule?，采用 Arm? 處理器和 Wi-Fi 收發(fā)器。他們需要具有數(shù)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(shù)據速率和傳輸距離。選擇合適的無線標準很重要。為物聯(lián)網設備設計選擇無線標準時，請參考下表。該表列出了物聯(lián)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(shù)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(shù)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(lián)網無線標準之比較
表 2：無線物聯(lián)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(shù)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(yè)、商業(yè)的物聯(lián)網設備或者用于健康監(jiān)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(fā)送大量數(shù)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(xié)議 NB-IoT 和 LTE-M 可使物聯(lián)網設備以低功耗方式將數(shù)據傳輸?shù)胶苓h的地方。SigFox 也是如此，其數(shù)據傳輸距離可以達到 50 公里。但與蜂窩標準的高數(shù)據速率不同，SigFox 每秒最多只能傳輸 300 比特數(shù)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(shù)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(shù)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(shù)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(fā)展的話，你現(xiàn)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(lián)網設備制造商為了保持產品的價格優(yōu)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(fā)階段整合安全問題會大大增加開發(fā)成本和時間。然而，以薄弱的物聯(lián)網安全性構建物聯(lián)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(xiàn)為生產力削弱、法律/合規(guī)性罰款、聲譽受損和貨幣損失。
為物聯(lián)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(lián)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(shù)據，以及電池需要多長的續(xù)航時間等。
Voler System 的物聯(lián)網設備開發(fā)專家團隊可以在如何選擇合適的物聯(lián)網及其無線標準方面為設計人員提供指導。立即聯(lián)系物聯(lián)網專家，了解更多關于為任何物聯(lián)網設備設計選擇合適的無線標準的信息。
工商網監(jiān)
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