对于物联网（IoT）的无线连接选择指南

为了将产品连接，并且加入商业智能，某个产品会难以迅速承受所有连接选择。然而许多技术在IoT生态系统（例如组件、基础建设、应用、服务和分析）中有重要作用，本文将总结其中最具相关性的无线技术，并就何时考虑方面给给予建议。

在深入探讨特定无线技术的属性之前，我们必须先后退一步，思考商业技术前景的应用。当前该产品是如何被应用的？应该追求怎样的改善提高？对手正在做什么？能否获得进一步的效率？

商业要求

应该在发展的早期以及硬件设计之前，审核产品/服务的商业要求。如果市场有利形势有限，或者达到预期投资回报（ROI）周期太长，则无论该产品想法有多么精彩，均不可能到实质性的商业成功。

在开始一项IoT项目发展前，有几点需要考虑：

• 该产品将销售在市场的哪一部分？

• 需要达到什么水平的市场渗透才能获得预期的ROI？

• 上市日期是否需要在特定时间窗内（例如季节性产品）？

• 商业模式是什么？

o 仅硬件 (购买硬件/服务的前期一次性成本)
o 定价 (经常性定制条件下的免费定制) o 混合的硬件 + 定制 (成本价或低价的硬件

除了经常性定制的费用）

• 目标市场的人口统计学情况？

• 竞争情况？ 

应用要求

从技术前景而言，对于特定应用来说会影响连接选择的参数包括：

• 大小：无线产品可以占据多少空间？

• 主处理器要求：应用能否自行在无线设备上运行？如果主

  处理器需要，驱动器是否随时可用？

• 能量：能量消耗最小化是否是重要因素？如果是，则解决方案

  是否支持多睡眠模式选择？与无线网络连接时，能量消耗是什么-是否可以接受数据或者空运转（对于云连接电池驱动的设备重要）

• 数据宽度/生产能力：需要支持应用的数据率是什么？

• 距离：应用是否受到无线信号

  传递限制的积极/消极影响？

• 数据安全性：模块本身是否必须提供端端加密或固有的

  无线加密足以满足应用的要求？

• 服务质量（QoS）- 应用是否包括任何潜在的

  会有利于优先媒介通道的敏感数据变化？

• 基础设施：是否已知无线网络通道站点或网络随时

  可用？

• 监管证明：是否需要PTCRB、FCC、IC、CE和行业证明？

• 行业标准：是否需要符合类似产品的相互操作性要求？

  发展工作/时间/成本

  一个公司可能就发展其当前产品具有内部工业专业经验，但是他们可能不具备完成整合一项或多项无线技术的解决方案的能力。在一些情况下，购买方案分析可以确定更高成本可以更好的整合子系统例如需要的模式-特别是如果上市时间是重要因素。

  实现的考虑因素

  许多IoT实现的魅力在于现存产品可以被重新生成，并加入无线连接。显著益处为仅需要相对较小的投资，就可以为终端客户创造全新/当前产品，具有创新特征和益处。对现存产品生成的挑战是必须在现存制定条件和其他因素例如供电下进行生成。在选择特定无线技术时，需要考虑以下几个主要方面。

  技术

  机电

  内部/外部

  关键需要决定无线解决方案是否可以嵌入产品或通过外部接口连接。外部接口为无线子系统和设备之间提供了更高水平的去耦连接。这对EMC、监管批准、RF表现和未来的迁移路径有积极作用。另外，这可以使得传统领域的设备上升一个等级，形成另外的硬件销售，以及实现设备连接和商业智能服务。嵌入解决方案具有大小、能量、成本的优势，并且能够使得无线子系统和主应用之间形成更建议的连接。

  物理接口

  针对无线模式最常用的一些支持性数据接口包括：SDIO、SPI、UART、USB 和 mini-PCI-e。

  大小

  需要实现无线连接的电路系统在广泛形式的因素范围内可以-从微小芯片系统（SoC）到连接格阵（LGA）包装。多个供应商提供许多不同水平的包装水平，以满足各种终端设备要求。通常，模块解决方案供应商提供本质兼容的设备，使得实现不同特征和操作选择的设备与设备之间的迁移更容易。

  能量预算

  因为通常认为IoT产品需要电池驱动，而许多也实现了可在墙壁上实现供电。对于电池驱动的应用，无线应用方案代表的是设备总体能量消耗的显著比例。无线子系统消耗的能力显著是根据每一操作模块所使用的能力而决定：传输、接收、备用。 

  应该考虑到主处理器管理无线子系统所使用的能量。使用的总能力由连接模式和终端应用所要求的数据率决定。需要注意的是能力子系统能够在传输时产生要求的峰值电流。

  应该考虑备用操作。无线设备是否需要接受来自网络的数据？如果是，是否需要立即进行（例如在控制应用中）或者能够确定可接受的激活轮询间隔（例如在传感应用中）？

  许多IoT应用的备用时间很长，而预先确定的事件发生（例如感应数据穿过阈值）激活了传输的无线设备。所以考虑无线子系统能够激活和再连接网络的时间很重要。这在超低功率网络中很重要，因为在此情况下，预期电池能够维持10年至产品寿命的时间。 

  天线

  天线是进行无线子系统操作的重要组成部分。天线的特征和辐射效率队整体解决方案的RF连接预算有很大影响。基于这一原因，批准模块解决方案的监管机构提供可以使用的天线类型的具体管理。最常使用的天线为单极子、偶极子和芯片天线。在一些设计中，使用PCB上的轨迹来应用天线。然而外部天线通常更有效，因为他们可以产生电。

  另外需要决定的就是是否实现天线多元化（这样就可以支持多样无线技术）。

  无线产品必须符合无意和故意辐射的国际标准。强烈建议在设计周期早期评估您的产品设计和形成天线策略，以避免之后出现产品批准通过的问题。通常建议 第三方实验室 (例如Satimo) 进行公正的天线操作测试。这样的第三方拥有昂贵的实验室设备，以便在终端环境的严密复制条件下评估天线操作。复制时一个最困难的情况就是口袋型产品。

  EMC

  附近电路系统产生的噪音会降低产品的无线电操作。整合水平越低，就需要更多的注意力来运用良好的RF操作来实现通路、旁路和屏蔽。

  共存

  附近的其他RF电路系统会降低产品的无线电操作表现。特别是在同一产品中出现几种RF标准的集合（例如蓝牙和Wi-Fi）。所以需要特别注意确保该技术能够提供处理干扰的机制。通常预先批准的模块解决方案是最简单的通道。 

  主环境

  无线解决方案的选择进一步受到现存主环境性质的影响（潜在）。

  无线解决方案通常需要固件（FW），可以内部储存在只读存储器 (ROM)、闪存或随机存取存储器 (RAM)。FW本身是典型的密封来源，不适用调整。大部分无线供应商提供多种操作系统（OS）选择的驱动器。

  可能需要针对特殊的主处理器对供应商的板极支持包(BSP)进行调整。另外，也可以选择不需要外部主MCU（非主处理器依赖性）的模块，以便避免驱动器相关问题。 

  应用要求

  终端应用的特别要求提示无线解决方案应该支持的特征和能力。在能量消耗之后，生产量和范围是需要考虑的首要要求。下图提供了几种普遍的无线选择之间的比较： 

  与有线网络不通，一些无线技术的传输媒介，例如802.11 Wi-Fi，是一种共享媒介。仅在同一地点，同一时间，不超过一台设备在使用同一频道（频率）的情况下，才能实现并存共用。例如，Wi-Fi媒介访问协议依赖于载波监听多路访问/冲突避免在特定空间内使用的频道上轮流交流。这是基于路径的连接，在大多数环境下运行良好，但是如果设备密度过高，则效率降低。为了避免2.4GHz宽带中经常存在的拥挤情况（由802.11 b/g/n、 cellular、BT、ANT、ZigBee、RF4CE和无线 HART），应该其他频率宽带中例如5 GHz (例如802.11a/h) 或 子-GHz (例如Z-wave)中展开传输遗漏重要数据的设备。 

  成本

  就像生活中的大多数事物，您可以获得为此付出的成本（在无线领域仍然适用）。除了硬件成本，还有几项发展和潜在服务的成本。 

  产品成本

  仅仅根据产品成本确定无线解决方案选择并不是最谨慎的方法。需要谨慎权衡。如果上市时间或项目资源

  
  

  是需要考虑的，则模块解决方案可能是最好的方法。另外一个选择就是购买芯片水平组成，并在研发和试验中大量投资。

  例如，一个802.11 Wi-Fi模块的潜在成本是$15，而一个单独的802.11无线电芯片成本可能仅为$4，但是模块解决方案包括不容易实现的实质性价值（在多个终端应用和客户中经过数月或者数年磨练和发展的可信任的软件栈；预先得到认证的设计；技术支持；starter 应用代码；以及研发设备）。 

  研发成本

  实现嵌入式无线解决方案的研发成本主要分为3类：

  • 将无线功能整合成一个产品的工业努力和费用。

  • 为制作全球监管/行业认证的检测报告授权的检测环境

    的成本

  • 建立相关后期系统、应用和设备管理的工业努力和费用

    整合的水平将显著影响两者类别相关的研发成本。通常会选择已经得到验证的解决方案生态系统的模块解决方案来减少成本。

  0. 正在产生 (定制) 的成本

     在各种无线技术中，cellular需要正在产生的每个月的定制成本。如果这种持续的费用难以承受，则需要考虑终端客户商业模型，其他技术。

     另一个潜在持续成本是云解决方案。一些PaaS/SaaS云解决方案供应商要求支付定期费用（例如每月）而其他则要求按照交易支付费用。 

     无线 101

  0. 有许多无线连接选择，每一项都是潜在的理想解决方案···这仅仅依赖于系统的真实要求。

     当前对普遍的技术进行总结，提供典型的使用情况。首先会提到无线技术覆盖范围较短情况，最后是普遍存在的Wi-Fi 和cellular。 

  
  

  RFID

  射频识别（RFID）电磁场来传输数据，目的是识别和跟踪目标附录的标签。一些（被动）标签仅可以在较短范围（几米）内通过电磁感应读取，但是另外一些（主动）标签包括电池则可以读取到几百米之外的。被动标签更廉价，并且更小，因为不需要电池。 

  一个RFID系统除了标签还需要读取器。读取器传输编码的无线电信号来访问标签。标签根据其识别以及其他潜在信息例如stock skew进行反应。数据率并不重要因为如果传输的数据量最小，则400kbps足够。 

  RFID的正面特点是其频率拥挤的2.4GHz空间以外，许多无线技术选择可以适应。RFID是下列一种典型的宽带：120-150kHz (LF)、13.56MHz (HF)、433MHz (UHF)或 3.1-10GHz (微波)。

  RFID一项有趣的应用情况就是个体带RFID标签的追踪设备使用（例如医院职工使用洗手站）。 

  NFC

  近场通讯（NFC）是一种较短范围的无线技术，能够使得双方交流设备的距离不到10cm。NFC标准在ISO/IEC 18092中有定义，并且在13.56MHz下操作。

  NFC的数据率较低，为400kbps，但是安装极为简单。

  NFC的一种常用应用是非接触式支付系统，使得手机支付可代替信用卡交易。在社交网络中，NFC正变得日益普遍，为远端设备之间的共享接触信息或图片提供了途径。 

  根据苹果公司近期关于iPhone 6 和苹果手表，包括NFC技术的声明，NFC将被更快的接纳。但是，苹果公司的NFC当前仅支持ApplePay，无法连接扬声器或其他NFC启用的附件。

  作为边注，苹果公司计划通过要求进行额外的拇指指纹扫描认证步骤和创建暂时的苹果支付密码来改善有时受到安全性质疑的NFC。16 位的代号将随后发送至零售商的读卡器进行支付过程。代号仅在一定时间段和地点有效，这样使得之后的盗用无法进行。 

  蓝牙 & BLE

  经典的蓝牙 (BT) 和低功耗蓝牙 (BLE)几乎可以分开列举，因为他们的发展完全用于不同途径，并且事实上这两者也不兼容。

  蓝牙（BT）也可以在较短距离100米之内进行数据交换。蓝牙在2400-2483.5MHz下进行操作。根据蓝牙版本，数据率通常可达到3Mbps。为了使用经典蓝牙，需要使用30+配制（根据应用）。示例包括：

  • -高级的音频配制文件（A2DP）：定义了在BT连接下，设备之间的音频如何传输

  • -基本成像应用（BIP）：设计用于传输设备之间的图片

  • -免提模式（HFP）：使得能够在车上进行电话

    免提交流

  • -耳机式应用（HSP）：支持BT耳机应用于手机

    已知低功耗蓝牙(BLE)为版本4.0的蓝牙，为低功耗、低延时、低输出（1Mbps）应用而研发。BLE50米的范围比BT的范围短。 

  BLE与BT是完全不同的访问协议，并且与传统的蓝牙访问协议不兼容。它使用了不同的频道方法（40 2MHz 频道对经典 BT的 79 1MHz 频道）。

  BLE对于健康和保健监测而言是很好的选择，例如心脏监测器。

  注意对于作为蓝牙设备的市售设备，产品必须符合蓝牙特殊利益集团（SIG）定义的标准。SIG拥有蓝牙商标，可以授权公司将该技术加入某一产品。为了获得许可，一家公司必须成为其一员，然后获得产品授权许可。

  另外需要记住的一点就是哪一智能手机将被应用。例如，苹果的iOS设备例如iPhone可以自由连接蓝牙免提和耳机式附件，但是BT数据连接需要加密的连接（以及苹果公司的认证芯片）-基本是一组特殊的发现/配对序列以及与苹果公司认证处理器的协调。而BLE交流则不需要苹果公司的认证芯片。

  也不需要担心，因为有许多第三方可以协助满足所有要求。半导体和OEM公司通常都依赖于蓝牙栈开发商例如Stonestreet One。模块解决方案也是随时可用的。 

  ANT / ANT+

  ANT协议也在2.4GHz宽带进行操作，并且是为几个或多个连接的传感器节点（例如50m范围类，像BLE）之间传输小量数据的低功耗、低比特率（1Mbps）而研发的。任何节点均可传输或接收，所以频道是双向的。类似BLE，ANT可以支持点对点（P2P）以及星型拓扑连接，但是也可以处理树型或网型连接。

  ANT在免疫干扰方面表现良好（在拥挤的2.4GHz空间下）因为其采用适应性等时网络以确保与其他ANT设备共存。较短的信息传输使得单频道分成上百个卡槽。所以该技术对于实现个人区域网络的稳健监测是理想选择。

  ANT+可以添加到基本ANT 协议，允许附近ANT+网络可用。例如ANT+能够实现稳健监测的设备（例如电子计步器、节奏计算器、心率监测器）能够共同运作集合和跟踪性能指标。 

  ZIGBEE

  ZigBee是基于IEEE 802.15.4标准，与许多已经覆盖的选择一样，在2.4GHz宽带下操作。但是数据率相对较低为250kbps，其低功耗和各种拓扑结构使得其对于许多行业应用中的超低功耗感应设备而言是普遍选择。

  即使无线电范围是实现距离的10-100m，能够形成星型、树丛型或网型网络使得任何节点均能连接任何其他节点以及达到几乎无限制的网络运行。像这样，ZigBee已经作为行业控制和自动化建立的事实标准被接受。该理性应用的一个例子就是工业HVAC，其中传感节点（例如监测环境条件或排气口位置）预计可以使用电池运行10+年。来自远端传感节点的数据可以通过广泛的网型网络的射程被发送至远端建筑控制器。 

  WI-FI

  Wi-Fi、aka 802.11，在 2.4GHz 或 5GHz下操作。Wi-Fi对于许多应用而言是理想选择，因为网络基本可用-所以节省了通过网络其他通道交换数据的成本。

  根据选择子标准，有广泛的选择（例如达到150Mbps的数据率以及250m范围和802.11n）。

  Wi-Fi通常比较耗电；但是能量产出可以达到相对较低的功耗选择。例如一些Wi-Fi模块平均能耗能够达到< 1mA，如果数据能量产出减少至类似 2Mbps。但是不像低能耗的ANT+、BLE或ZigBee，Wi-Fi提供的数据率更高。

  对于 Wi-Fi低能耗的理想使用情况是云连接量的范围（其中电池能够持续4年如果每天计算重量约10次）。

  对于更高能量产出的理想选择是便携式摄像头。 

  蜂窝

  在最后对蜂窝 (700MHz-2.7GHz)作出说明，因为其具有大部分普遍可用网络的优势，最小化了使用的挑战难度。根据承载网络的可用性，蜂窝范围基本是无限制的。能量产出相对较高为 7.2Mbps (2.5-4G 网络)。

  车载跟踪/监测是蜂窝理想应用情况的一个很好的例子。当然，需要考虑蜂窝每个月的费用标签。