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在物联网中添加【物】的六种方法
[作者 R. Beddor]   2020年07月09日 星期四 浏览人次: [3281]

物联网解决方案通常连接成百上千个边缘设备,随着更多边缘设备的加入,成本和电源管理等常见的设计限制也越来越多。本文将概述物联网应用中最常用的连接方法类型,并可从中权衡选择及确定如何在物联网设计时添加「物」。


如果您正在线上阅读本文,则很可能是透过蜂巢网路、Wi-Fi或乙太网实现网路连接的,尽管这些连接方法在消费性电子产品中应用广泛,但与物联网(IoT)边缘节点并无太多关联。与消费性产品不同,大多数的边缘设备不用检查电子邮件(很幸运)或播放串流电影,因此这些设备无需具备这些产品所使用的高资料速率。


物联网解决方案通常连接成百上千个边缘设备,随着更多边缘设备的加入,成本和电源管理等常见的设计限制也越来越多。在这种规模下,产品与互联网的连接方式将决定该解决方案的成功与否。


本文将概述物联网应用中最常用的连接方法类型。请按照本文权衡选择及确定如何在物联网设计中来添加「物」。



图一 : 物联网(IoT)由连接到同一网路的成百上千个设备组成
图一 : 物联网(IoT)由连接到同一网路的成百上千个设备组成

[1] 乙太网

乙太网是一种将「物」连接到「网」的快速可靠的方法。乙太网常见於工业和建筑自动化行业,尤其适用於在同一网路中包含许多节点的系统。


由於乙太网采用实体接线方式,因此本质上也是一种非常安全的连接方法。还可以使用乙太网电缆,透过乙太网供电(PoE)方式为设备供电,这样便无需再使用单独的电源模组来为终端设备供电。


但是,实体接线确实也带来了巨大的设计挑战,而且并非适用於所有应用。透过乙太网连接的节点必须靠近路由器,即使在家庭和建筑自动化等短距离应用中,乙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实体接线方式,但是在未采用相关设计的建筑中安装乙太网物联网系统通常是不可行的。


[2] Wi-Fi连接

作为网际网路连接的必备工具,Wi-Fi的无线特性极具吸引力。Wi-Fi受到主流设备的广泛支援,并且不像乙太网一样存在实体接线限制。


尽管具备普遍性,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,但这种方法也存在安全性漏洞和功耗问题。因此,进行基於Wi-Fi的物联网设计时,工程师需要在安全性、功耗和成本方面做审慎的权衡。



图二 : 作为消费性电子产品优先考虑的互联网连接选项,Wi-Fi具备高速和无需接线等优势。
图二 : 作为消费性电子产品优先考虑的互联网连接选项,Wi-Fi具备高速和无需接线等优势。

幸运的是,现在已经有解决方案能够帮助工程师克服这些障碍。使用针对物联网优化的Wi-Fi模组,有助於简化设计并节省开发时间。诸如WINC1500等模组经过全面认证,支援安全协议,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] LPWAN

低功耗广域网路(LPWAN)在消费性产品中不太常见,因此可能不为人熟悉。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,在於我们可以监控乡村、近海和通常无法进入的区域,而问题就在於这些地点位於乡村、近海和通常无法进入的区域,例如无法给漂浮在马里亚纳海沟中的设备快速充电,也无法在撒哈拉沙漠里连接到Wi-Fi。



图三 : LPWAN能够完美应用於农业领域,因为这些网路能够以极低的功耗覆盖大面积区域。
图三 : LPWAN能够完美应用於农业领域,因为这些网路能够以极低的功耗覆盖大面积区域。

典型的LPWAN使用范围约为10公里左右。资料传输速度非常慢,但是,除非物联网解决方案在检查电子邮件或播放流媒体视频,否则不太可能需要高速连接。


尽管常用於农业和偏远地区,但LPWAN并不局限於此。LPWAN在城市中的利用率正不断增长,例如用於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是一项基於订阅式的服务,其工作方式与蜂巢式网路类似。如果Sigfox在所在的地区可用,则可以透过订阅本地供应商的服务实现连接。而使用LoRaWAN时,开发人员可以透过创建「自助式」网路省去订阅费用,但是大多数人仍会选择使用本地网路供应商的LoRa闸道基础架构,并且按照使用量付费。


[4] 蜂巢式网路

除了农村深处和偏远地区,蜂巢式网路可以覆盖其馀所有地方。对於需要此类覆盖范围的嵌入式系统,蜂巢式网路是唯一的选择。但是蜂巢式网路十分昂贵,必须先选择网路供应商,而且只有在透过政府监管部门批准後,才能建立自己的网路。对於每个节点来说,嵌入式元件和供应商订阅的高昂成本,通常会抵消蜂巢式网路广泛的覆盖范围所带来的优势。


也就是说,需要权衡使用蜂巢式网路连接「物」和每月为手机服务付费的利弊。物联网专用的蜂巢式网路正如雨後春笋般兴起,与LPWAN形成竞争之势。LTE CAT-M是一种快速发展的物联网蜂巢式网路。其中「M」代表「机器」,该网路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,这样可能会让手机费用很高,CAT-M计画的收费标准约为每月7美元,仅提供5 MB的资料。蜂巢式网路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「窄频带」)。


5G的推出有??推动物联网领域的创新。尽管5G的价格要比针对物联网的网路更高,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囗的20%。


[5] 卫星


图四 : 虽然卫星适用於蜂巢式网路服务无法覆盖的偏远地区,但目前商用物联网很少选用。
图四 : 虽然卫星适用於蜂巢式网路服务无法覆盖的偏远地区,但目前商用物联网很少选用。

蜂巢式网路可以覆盖大多数人囗稠密的地区,但是,要如何在偏远荒凉的地区实现网路连接呢?


卫星连接可用於物联网应用,例如蜂巢式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??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,许多卫星服务会留作国防用途。


[6] Bluetooth连接

对於蓝牙(Bluetooth),您可能并不陌生。Bluetooth Classic和Bluetooth Low Energy (BLE) 的最大范围均在100公尺以上,但通常用於相距不超过几公尺的设备。日常生活中,蓝牙在手机和电脑配件中随处可见,广泛应用於耳机、键盘和显示技术。


得益於低功耗(BLE的功耗尤其低)、广受支援并且可以快速配对的特性,蓝牙非常适合消费性电子产品。与Wi-Fi不同,蓝牙不会直接连接到互联网,需要设置闸道才能接入互联网,虽然自行设置闸道听起来很麻烦,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,可以在家庭网路中使用,尽管Bluetooth Classic和Bluetooth LE通常用於连接仅相距数公尺的设备,但整个家庭都可以透过蓝牙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。


建议

这些连接方法的主要变化趋势是简化实施过程,Wi-Fi和蓝牙等常用网路通常是评估和探索IoT设计的最简单方法,这些网路无需自行搭建闸道或向供应商付费。


消费者可以使用多种Wi-Fi和蓝牙原型模组,其中很多都提供开放原始程式码和程式设计教程,我们建议使用连接模组,因为这样会使设计更加灵活,当需要针对不同的网路调整设计时,可以更换模组,而不必从头开始。


简化设计流程

连接到网际网路只是物联网设计流程的一部分,物联网系统应具备以下三个元素:智慧、连接和安全,这些元素分别对应於三个电子元件:微控制器(MCU)、连接模组和安全元件,物联网设计的挑战在於如何整合上述三种元件。


Microchip的AVR-IoT WG开发板是精简型Wi-Fi开发平台的一个范例,这款开发板经过预先的配置,可以安全连接到Google Cloud的物联网平台,透过将安全元件、Wi-Fi控制器和MCU整合在同一块开发板上,可以省去许多琐碎的设计工作,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。



图五 : AVR-IoT WG开发板经过预先配置,可以安全连接到Google Cloud。
图五 : AVR-IoT WG开发板经过预先配置,可以安全连接到Google Cloud。

Arduino Uno WiFi Rev 2同样能够提供智慧、连接和安全元素,Arduino拥有一个活跃的原型设计社群,线上提供了许多使用教程和开放的原始程式码。


MikroElektronika click boards是快速原型设计模组,可直接连接到AVR-IoT WG开发板,或透过Arduino Uno WiFi R2的Shield板实现连接,这款模组提供多个连接click板(包括各种LoRa和蓝牙模组),可在原型设计阶段向物联网设计中添加连接。



图六 : MikroElektronika BLE2 click板可轻松整合到许多通用开发平台中。
图六 : MikroElektronika BLE2 click板可轻松整合到许多通用开发平台中。

Arduino和AVR-IoT WG开发板等用户友好型工具,显着降低了构建物联网设备的难度。无论是一位嵌入式设计人员、制造商,或只是一个对此领域感兴趣的网路粉丝,都可以建立一个物联网的网路。这种强大的无障碍性再加上日益紧密的网路世界,确保了连接将持续以前所未有的方式,推动网路世界的进步。


(本文作者Rachel Beddor为Microchip 产品行销工程师)


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