在“物联网”中添加“物”的六种方法

　　R. Beddor（Microchip公司）
　　摘  要：概述物联网应用中最常用的六种连接方法类型。
　　关键词：物联网；连接；以太网；Wi-Fi；LPWAN

　　0 引言

　　如果您正在在线阅读本文，则很可能是通过蜂窝网络、Wi-Fi或以太网实现网络连接的。尽管这些连接方法在消费类电子产品中广泛应用，但与物联网（IoT）边缘节点并无太多关联。与消费类产品不同，大多数边缘设备不用检查电子邮件（很幸运）或播放流媒体电影，因此这些设备无需高数据速率。
　　物联网解决方案通常连接成百上千个边缘设备（如图1）。随着更多边缘设备的加入，成本和电源管理等常见的设计约束也越来越多。在这种规模下，产品与互联网的连接方式将决定解决方案的成功与否。

　　本指南将概述物联网应用中最常用的连接方法类型。请按照指导权衡您的选择，确定如何在物联网设计中添加“物”。
　　1 以太网

　　以太网是一种将“物”连接到“网”的快速可靠的方法。以太网常见于工业和楼宇自动化行业，尤其适用于在同一网络中包含许多节点的系统。
　　由于以太网采用硬接线方式，因此本质上也是一种非常安全的连接方法。还可以使用以太网电缆，通过以太网供电（PoE）方式为设备供电，这样便无需再使用单独的电源模块。
　　但是，硬接线确实带来了巨大的设计挑战，而且并非适用于所有应用。通过以太网连接的节点必须靠近路由器。即使在家庭和楼宇自动化等短距离应用中，以太网电缆的规模也同样庞大，如何管理和隐藏缆线是一项重大挑战。在现代建筑中，自动照明系统在施工时使用硬接线方式，但是在未采用相关设计的建筑中安装以太网物联网系统通常是不可行的。
　　2 Wi-Fi连接

　　作为互联网连接的必备工具，Wi-Fi的无线特性极具吸引力。Wi-Fi受到主流设备的广泛支持，并且不像以太网一样存在硬接线限制。
　　尽管具备普适性，但是将Wi-Fi功能添加到嵌入式设计中通常很复杂。Wi-Fi之所以有吸引力是因为其无需接线且速度很快（如图2），但这种方法也存在安全漏洞和功耗问题。因此，进行基于Wi-Fi的物联网设计时，工程师需要在安全性、功耗和成本方面精心权衡。

　　幸运的是，现在已经有解决方案能够帮助工程师攻克这些障碍。使用针对物联网优化的Wi-Fi模块有助于简化设计并节省开发时间。诸如WINC1500等模块经过全面认证，支持安全协议，而且针对电池供电设备进行了优化，可在不影响成本和功耗的前提下实现Wi-Fi连接。
　　3 低功耗广域网（LPWAN）
　　LPWAN在消费类产品中不太常见，因此您可能并不熟悉。物联网应用的很大一部分是广域应用，例如环境监控。
　　使用物联网进行环境监控的优势在于，我们可以监控乡村（如图3）、近海和通常无法进入的区域。而问题就在于这些地点位于乡村、近海和通常无法进入的区域，您无法给漂浮在马里亚纳海沟中的设备快速充电，也无法在莫哈韦沙漠里连接到Wi-Fi。

　　典型的LPWAN使用范围约为10 km左右。数据传输速度非常慢，但是，除非您的物联网解决方案在检查电子邮件或播放流媒体视频，否则您不太可能需要高速连接。
　　尽管常用于农业和偏远地区，但LPWAN并不局限于此。LPWAN在城市中的利用率正不断增长，例如用于跟踪拍卖场中车辆的LPWAN应用已成为北美最大的商用物联网部署之一。
　　有两种常用的LPWAN协议：LoRaWAN（源自长距离，也称为LoRa）和Sigfox。两者之间的一大差异是成本。Sigfox是一项基于订阅的服务，其工作方式与蜂窝网络类似。如果Sigfox在您的地区可用，则可以通过订阅本地供应商的服务实现连接。使用LoRaWAN时，开发人员可以通过创建“自助式”网络来省去订阅费用，但是大多数人仍会选择使用本地网络供应商的LoRa网关基础架构并按用量付费。
　　4 蜂窝网络

　　除了农村深处和偏远地区，蜂窝网络可以覆盖其余所有地方。对于需要此类覆盖范围的嵌入式系统，蜂窝网络是唯一的选择。但是蜂窝网络十分昂贵。您必须选择网络供应商，而且只有在通过政府监管部门批准后才能建立自己的网络。对于每个节点来说，嵌入式组件和供应商订阅的高昂成本通常会抵消蜂窝网络广泛的覆盖范围所带来的优势。
　　也就是说，您需要权衡使用蜂窝网络连接“物”和每月为手机服务付费的利弊。物联网专用的蜂窝网络正如雨后春笋般兴起，与LPWAN形成竞争之势。LTE CAT-M是一种快速发展的物联网蜂窝网络。其 中“M”代表“机器”，该网络针对物联网进行了优化，是一种速度、成本和功耗更低的解决方案。不 过，您的手机费用可能会很高，CAT-M计划的收费标准约为每月7美元，仅提供5 MB的数据。蜂窝网络物联网连接的其他选项还包括CAT-0、CAT-1和新推出的NB-IoT（NB表示“窄带”）。
　　5G的推出有望推动物联网领域的创新。尽管5G的价格要比面向物联网的网络更高，但其更快的速度可以进一步推动尖端物联网应用（例如自动驾驶汽车）的发展。5G的覆盖范围远远不及LTE或3G，但仍在不断扩展。一些行业分析师预测，在未来五年内，5G的使用量将占到全球人口的20%。

　　5 卫星

　　蜂窝网络可以覆盖大多数人口稠密的地区，但 是，要如何在偏远荒凉的地区实现网络连接呢？
　　卫星连接可用于物联网应用，例如蜂窝服务无法覆盖的地球偏远地区的运输物流。虽然随着卫星技术的发展，情况有望发生变化，但是开发卫星物联网应用并不像开发其他连接选项那样容易（如图4）。

　　许多卫星星座会留作国防用途，但您可以从Iridium和ORBCOMM处购买相关模块。
　　6 Bluetooth连接

　　对于蓝牙您可能并不陌生。Bluetooth Classic（蓝牙经典）和Bluetooth Low Energy（BLE，蓝牙低功耗）的最大范围均在100 m以上，但通常用于相距不超过几米的设备。日常生活中，蓝牙在手机和电脑配件中随处可见，广泛应用于耳机、键盘和显示技术。
　　得益于低功耗（BLE的功耗尤其低）、广受支持并且可以快速配对的特性，蓝牙非常适合消费类电子产品。

　　与Wi-Fi不同，蓝牙不会直接连接到互联网。您需要设置网关才能接入互联网。虽然自行设置网关听起来很麻烦，但通常操作起来就像使用手机连接Wi-Fi一样容易。
　　最近更新的蓝牙5.0版本扩展了蓝牙的范围，可以在家庭局域网中使用。尽管Bluetooth Classic和Bluetooth LE通常用于连接仅相距数米的设备，但整个家庭都可以通过蓝牙5.0实现互联。应用范围的扩展帮助蓝牙成功进军家庭自动化、照明和工业应用领域。
　　7 建议

　　这些连接方法的主要变化趋势是简化实施过程。Wi-Fi和蓝牙等常用网络通常是评估和探索IoT设计的最简单方法。这些网络无需自行搭建网关或向供应商付费。
　　消费者可以使用多种Wi-Fi和蓝牙原型模块，其中很多都提供开源代码和编程教程。我们建议使用连接模块，因为这样会使设计更加灵活。当需要针对不同的网络调整设计时，您可以更换模块而不必从头开始。
　　8 简化设计流程

　　连接到互联网只是物联网设计流程的一部分。物联网系统应具备3个元素：智能、连接和安全。
　　这些元素分别对应于3个电气元件：单片机（MCU）、连接模块和安全元件。物联网设计的挑战在于如何集成上述三种元件。 

　　1）Microchip的AVR-IoT WG开发板是精简型Wi-Fi开发平台的一个示例。这款开发板经过预先配置，可以安全连接到Google Cloud的物联网平台。通过将安全元件、Wi-Fi控制器和MCU集成在同一块开发板上，您可以省去许多细碎的设计工作，直抵问题核心：以创新和快速的方式将物联网产品推向市场。 

　　2）Arduino Uno WiFi Rev 2同样能够提供智能、连接和安全元素。Arduino拥有一个活跃的原型设计社区，在线提供了许多使用教程和开源代码。 

　　3）MikroElektronika click boards是快速原型设计模块（如图5），可直接连接到AVR-IoT WG开发板，或通过Arduino Uno WiFi R2的Shield板实现连接。这款模块提供多个连接click板（包括各种LoRa和蓝牙模块），是在原型设计阶段向物联网设计中添加连接的得力助手。

　　4）Arduino和AVR-IoT WG开发板等用户友好型工具显著降低了构建物联网设备的难度。无论您是嵌入式设计人员、制造商还是只是一个对此领域感兴趣的电子博客粉丝，您都可以构建物联网网络。这种强大的可访问性以及日益互联互通的世界，确保了连接将以前所未有的方式继续推动行业进步。

　　本文来源于科技期刊《电子产品世界》2020年第02期第22页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。