在“物聯網”中添加“物”的六種方法Six Ways to put the‘I’in‘IoT’

R.Beddor

摘要：概述物聯網應用中最常用的六種連接方法類型。

關鍵詞：物聯網;連接;以太網;Wi-Fi;LPWAN

0引言

如果您正在在線閱讀本文，則很可能是通過蜂窩網絡、Wi-Fi或以太網實現網絡連接的。盡管這些連接方法在消費類電子產品中廣泛應用，但與物聯網（IoT）邊緣節點并無太多關聯。與消費類產品不同，大多數邊緣設備不用檢查電子郵件（很幸運）或播放流媒體電影，因此這些設備無需高數據速率。

物聯網解決方案通常連接成百上千個邊緣設備（如圖1）。隨著更多邊緣設備的加入，成本和電源管理等常見的設計約束也越來越多。在這種規模下，產品與互聯網的連接方式將決定解決方案的成功與否。

本指南將概述物聯網應用中最常用的連接方法類型。請按照指導權衡您的選擇，確定如何在物聯網設計中添加“物”。

1以太網

以太網是一種將“物”連接到“網”的快速可靠的方法。以太網常見于工業和樓宇自動化行業，尤其適用于在同一網絡中包含許多節點的系統。

由于以太網采用硬接線方式，因此本質上也是一種非常安全的連接方法。還可以使用以太網電纜，通過以太網供電（PoE）方式為設備供電，這樣便無需再使用單獨的電源模塊。

但是，硬接線確實帶來了巨大的設計挑戰，而且并非適用于所有應用。通過以太網連接的節點必須靠近路由器。即使在家庭和樓宇自動化等短距離應用中，以太網電纜的規模也同樣龐大，如何管理和隱藏纜線是一項重大挑戰。在現代建筑中，自動照明系統在施工時使用硬接線方式，但是在未采用相關設計的建筑中安裝以太網物聯網系統通常是不可行的。

2Wi-Fi連接

作為互聯網連接的必備工具，Wi-Fi的無線特性極具吸引力。Wi-Fi受到主流設備的廣泛支持，并且不像以太網一樣存在硬接線限制。

盡管具備普適性，但是將Wi-Fi功能添加到嵌入式設計中通常很復雜。Wi-Fi之所以有吸引力是因為其無需接線且速度很快（如圖2），但這種方法也存在安全漏洞和功耗問題。因此，進行基于Wi-Fi的物聯網設計時，工程師需要在安全性、功耗和成本方面精心權衡。

幸運的是，現在已經有解決方案能夠幫助工程師攻克這些障礙。使用針對物聯網優化的Wi-Fi模塊有助于簡化設計并節省開發時間。諸如WINC1500等模塊經過全面認證，支持安全協議，而且針對電池供電設備進行了優化，可在不影響成本和功耗的前提下實現Wi-Fi連接。

3低功耗廣域網（LPWAN）

LPWAN在消費類產品中不太常見，因此您可能并不熟悉。物聯網應用的很大一部分是廣域應用，例如環境監控。

使用物聯網進行環境監控的優勢在于，我們可以監控鄉村（如圖3）、近海和通常無法進入的區域。而問題就在于這些地點位于鄉村、近海和通常無法進入的區域，您無法給漂浮在馬里亞納海溝中的設備快速充電，也無法在莫哈韋沙漠里連接到Wi-Fi。

典型的LPWAN使用范圍約為10km左右。數據傳輸速度非常慢，但是，除非您的物聯網解決方案在檢查電子郵件或播放流媒體視頻，否則您不太可能需要高速連接。

盡管常用于農業和偏遠地區，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網部署之一。

有兩種常用的LPWAN協議：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是一項基于訂閱的服務，其工作方式與蜂窩網絡類似。如果Sigfox在您的地區可用，則可以通過訂閱本地供應商的服務實現連接。使用LoRaWAN時，開發人員可以通過創建“自助式”網絡來省去訂閱費用，但是大多數人仍會選擇使用本地網絡供應商的LoRa網關基礎架構并按用量付費。

4蜂窩網絡

除了農村深處和偏遠地區，蜂窩網絡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，蜂窩網絡是唯一的選擇。但是蜂窩網絡十分昂貴。您必須選擇網絡供應商，而且只有在通過政府監管部門批準后才能建立自己的網絡。對于每個節點來說，嵌入式組件和供應商訂閱的高昂成本通常會抵消蜂窩網絡廣泛的覆蓋范圍所帶來的優勢。

也就是說，您需要權衡使用蜂窩網絡連接“物”和每月為手機服務付費的利弊。物聯網專用的蜂窩網絡正如雨后春筍般興起，與LPWAN形成競爭之勢。LTE CAT-M是一種快速發展的物聯網蜂窩網絡。其中“M”代表“機器”，該網絡針對物聯網進行了優化，是一種速度、成本和功耗更低的解決方案。不過，您的手機費用可能會很高，CAT-M計劃的收費標準約為每月7美元，僅提供5 MB的數據。蜂窩網絡物聯網連接的其他選項還包括CAT-0、CAT-1和新推出的NB-IoT（NB表示“窄帶”）。

5G的推出有望推動物聯網領域的創新。盡管5G的價格要比面向物聯網的網絡更高，但其更快的速度可以進一步推動尖端物聯網應用（例如自動駕駛汽車）的發展。5G的覆蓋范圍遠遠不及LTE或3G，但仍在不斷擴展。一些行業分析師預測，在未來五年內，5G的使用量將占到全球人口的20%。

5衛星

蜂窩網絡可以覆蓋大多數人口稠密的地區，但是，要如何在偏遠荒涼的地區實現網絡連接呢？

衛星連接可用于物聯網應用，例如蜂窩服務無法覆蓋的地球偏遠地區的運輸物流。雖然隨著衛星技術的發展，情況有望發生變化，但是開發衛星物聯網應用并不像開發其他連接選項那樣容易（如圖4）。許多衛星星座會留作國防用途，但您可以從Iridium和ORBCOMM處購買相關模塊。

6BIuetooth連接

對于藍牙您可能并不陌生。Bluetooth Classic（藍牙經典）和Bluetooth Low Energy（BLE，藍牙低功耗）的最大范圍均在100 m以上，但通常用于相距不超過幾米的設備。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。

得益于低功耗（BLE的功耗尤其低）、廣受支持并且可以快速配對的特性，藍牙非常適合消費類電子產品。

與Wi-Fi不同，藍牙不會直接連接到互聯網。您需要設置網關才能接入互聯網。雖然自行設置網關聽起來很麻煩，但通常操作起來就像使用手機連接Wi-Fi-樣容易。

最近更新的藍牙5.0版本擴展了藍牙的范圍，可以在家庭局域網中使用。盡管Bluetooth Classic和Bluetooth LE通常用于連接僅相距數米的設備，但整個家庭都可以通過藍牙5.0實現互聯。應用范圍的擴展幫助藍牙成功進軍家庭自動化、照明和工業應用領域。

7建議

這些連接方法的主要變化趨勢是簡化實施過程。Wi-Fi和藍牙等常用網絡通常是評估和探索IOT設計的最簡單方法。這些網絡無需自行搭建網關或向供應商付費。

消費者可以使用多種Wi-Fi和藍牙原型模塊，其中很多都提供開源代碼和編程教程。我們建議使用連接模塊，因為這樣會使設計更加靈活。當需要針對不同的網絡調整設計時，您可以更換模塊而不必從頭開始。

8簡化設計流程

連接到互聯網只是物聯網設計流程的一部分。物聯網系統應具備3個元素：智能、連接和安全。

這些元素分別對應于3個電氣元件：單片機（MCU）、連接模塊和安全元件。物聯網設計的挑戰在于如何集成上述三種元件。

1）Microchip的AVR-IoT wG開發板是精簡型Wi-Fi開發平臺的一個示例。這款開發板經過預先配置，可以安全連接到Google Cloud的物聯網平臺。通過將安全元件、Wi-Fi控制器和MCU集成在同一塊開發板上，您可以省去許多細碎的設計工作，直抵問題核心：以創新和快速的方式將物聯網產品推向市場。

2）Arduino Uno WiFi Rev 2同樣能夠提供智能、連接和安全元素。Arduino擁有一個活躍的原型設計社區，在線提供了許多使用教程和開源代碼。

3）MikroElektronika click boards是快速原型設計模塊（如圖5），可直接連接到AVR-IoT WG開發板，或通過Arduino Uno WiFi R2的Shield板實現連接。這款模塊提供多個連接click板（包括各種LoRa和藍牙模塊），是在原型設計階段向物聯網設計中添加連接的得力助手。

4）Arduino和AVR-IoT WG開發板等用戶友好型工具顯著降低了構建物聯網設備的難度。無論您是嵌入式設計人員、制造商還是只是一個對此領域感興趣的電子博客粉絲，您都可以構建物聯網網絡。這種強大的可訪問性以及日益互聯互通的世界.確保了連接將以前所未有的方式繼續推動行業進步。