随着物联网 (IoT) 的快速发展，目前诸如个人电子元件、工业机械和传感器等的应用都通过无线方式连接到互联网上。在覆盖广泛用例，在各种环境下，服务于各种需求方面，没有一种无线标准能够独占鳌头。鉴于市场上采用的各种标准，分布多个频段，采用不同的通信协议，要为一个 IoT 应用选择一个合适的无线连接技术是一项非常具有挑战的工作。
网络范围
一个网络的范围通常分为四个级别：个人局域网 (PAN)、局域网 (LAN)、邻域网 (NAN)，以及广域网 (WAN)。
PAN 通常为无线的，覆盖范围约 10 米。简单传感器数据的数据负载同设备间发送的音频数据流的数据负载不同。一个通用的无线 PAN 即一部智能手机，通过 Bluetooth® 连接到多个配件，如无线耳机、手表或健身器上。PAN 的实现可以是芯片组或模块，这些方案的相关技术仅需要芯片组或模块的几个组件。PAN 不是互联网协议 (IP)，因此需要使用网关，连接一个 PAN 到后端云系统进行数据采集。在许多方案中，智能设备可以作为网关，使用 802.11 或蜂窝连接回传数据到云和应用。
LAN 可以是有线或无线（或者是二者组合）的，扩展设备的通信距离。通常无线 LAN (WLAN) 的覆盖范围可达 100 米，可传输数据负载达到 54Mbits 或以上。LAN 实现比 PAN 实现成本更高、更加复杂，LAN 通常被描述为普遍存在的，即 LAN 接入十分常见。LAN 方案可以是以芯片组和模块的方式，但是要求更高级别的专业技术来实现这一方案。可以进行耗电管理，如今的 LAN 芯片和模块已经得到发展，可以实现传感器和其他 IoT 设备的长期电池运行。一个主要的示例即家用 Wi-Fi 网络，其中提供了个人计算机、智能手机、电视机和家用 IoT 设备，如恒温器和家电连到互联网上。
NAN 通常是无线的，覆盖范围可超过 25Km。NAN 通常不基于 IP，采用一个高功率放大器加强信号进行传输。NAN 方案采用芯片组和模块方式，事实上，许多模块生产采用通用的 “Xbee” 形状因数。NAN 方案的设计相对简单，但是在高功率系统中，要实现要求的长期传输，应尤其关注天线子系统。NAN 在高功率下传输，但通常转发相对低的数据通信。NAN 的一个实例为一个智能格状网，用于从家庭到电力公司，使用超过 900 MHz 无线电的专有协议传输电表读数。
WAN 可以覆盖一个非常广泛的区域。WAN 的一个实例为蜂窝网络。在所有提及的架构中，蜂窝架构提供最普遍的覆盖。蜂窝方案可以有很多形式，包括芯片组、模块、嵌入模块和盒层级方案。当考虑添加蜂窝功能到一个新产品或现有产品中时，如果蜂窝设计不是您的核心竞争力，最好寻求有经验的第三方设计服务的帮助。互联网被认为是一个 WAN，由许多有线和无线连接的复杂组合构成。
网络拓扑和规模
无线网络也可以通过其拓扑 – 即网络中的节点安排和互连的方式来进行分类。如图 2 所述，首先两个基本的网络拓扑为星型和网状型。在星型拓扑中，所有节点到连接到一个中心节点，通常也用作连接到互联网的网关。星型拓扑的一个常见的实例为一个 Wi-Fi 网络，其中中心节点称为一个接入点，其他节点称为站点。
在网状网络中，每个节点可连接到多个其他节点上。网络中的一个或多个节点作为一个互联网的网关。图 2 中的实例，网络中的每个节点都连接到所有其他节点上。在现实中，网状型拓扑相对简单。网状型拓扑的一个常见实例为一个 ZigBee Light LinkTM 网络，其中多个灯光组成一个网状网络，扩展大型建筑中的网络覆盖。每个 ZigBee 节点称为一个协调器，也可以作为一个互联网网关。
但是，较之星型网络，网状网络设计更加复杂，通过网状网络从一个远程节点路由一个消息，会存在更长的延迟。网状型拓扑的一个优势就是其能通过多个跳数，扩展网络的范围，同时保持低无线电传输功率。网状网络实现多个路径来转发一个消息，从而也可以达到更高的可靠性。
网络的规模，或同时连接的设备的最大数量，也是系统设计中的一个重要考虑因素。一些技术，如蓝牙支持最大 20 个连接；其他技术，如 ZigBee，可支持数千个连接。
现在让我们来看一下 IoT 应用中所用到的最常见的无线连接技术。
Wi-Fi
基于 IEEE 802.11 标准的 Wi-Fi 技术，是常见的有线 IEEE 802.3 以太网标准的一个无线替换技术。同样，其从一开始就是为互联网连接所创建的。尽管 Wi-Fi 技术主要定义了一个局域网的链路层，但其本身集成到 TCP/IP 协议栈，所以当人们说他们正在使用 Wi-Fi 时，隐含的意思就是他们也使用一个 TCP/IP 协议进行互联网连接。
凭借智能手机和平板电脑的巨大成功，Wi-Fi 已经普遍存在，人们通常干脆把它称之为“无线”。如今多数家中，几乎所有办公室、学校、机场、咖啡厅和零售店都部署 Wi-Fi 接入点（Ap）。Wi-Fi 的巨大成功很大程度上取决于“Wi-Fi 联盟”所运行的卓越的可互操作性计划，以及市场上对于操作简单、性价比高的互联网接入需求的增加。
Wi-Fi 已经集成到了所有的新型笔记本、平板电脑、智能手机和电视机中。运用家庭和企业现行的广泛部署的基础设施，Wi-Fi 接下来将用于连接新一代的物联网。
Wi-Fi 网络具有一个星型拓扑，AP 作为互联网网关。多数情况下，Wi-Fi 的输出功率足够大，足以实现全家中覆盖。在企业和大型建筑中，在建筑内部的不同地点通常部署多个 AP，来增加网络覆盖。在大型混凝土结构建筑中，由于多径环境，可能会存在盲点。为了克服在某些情况下的信号接收盲点，各种 Wi-Fi 产品都包含两个天线来实现多样性。
多数的 Wi-Fi 网络在 ISM 2.4 GHz 频段上运行。Wi-Fi 也可以在 5 GHz 频段上运行，其中存在更多通道，具有更高的数据传输率。但是，建筑内部 5 GHz 的无线电的覆盖范围要小于 2.4 GHz，5 GHz 主要用于企业应用中，其中设有多个 AP 来确保良好的 Wi-Fi 覆盖。
Wi-Fi 和 TCP/IP 软件较大、较为复杂。对于笔记本和智能手机这样具有强大的微处理器 (MPU) 和较大内存的设备，这没有问题。直到最近，添加 Wi-Fi 连接到诸如恒温器和家电这样的具有较小的处理能力的设备上仍然是很难实现的，性价比不高。如今，市场上涌现的硅装置和模块在设备内部嵌入 Wi-Fi 软件和 TCP/IP 软件。这些新的设备消除了 MPU 的大多数费用，实现了通过最小的微控制器 (MCU) 的无线互联网连接。这些 Wi-Fi 设备集成水平的增加也放宽了对无线电设计经验的要求，同时减少了 Wi-Fi 集成的障碍。
为了实现高数据传输率（在一些情况下超过 100Mbps）以及良好的室内覆盖，Wi-Fi 无线电的耗电量非常大。对于一些使用电池供电，无法频繁充电的 IoT 设备，Wi-Fi 耗电量太大。尽管 Wi-Fi 无线电的峰值电流无法大幅降低，但是新的设备应用先进的睡眠协议、快速的开/关时间来动态降低平均耗电量。鉴于多数 IoT 产品不需要 Wi-Fi 提供的最大数据速率，智能耗电管理设计可以在较短的间隔，有效地从电池上吸收短促电流，用两个 AA 碱性电池保持产品连接到互联网上超过一年。
TI 的 SimpleLink Internet-on-a-chipTM 解决方案提供了低功耗运行，提供了如上文讨论的简化设计。运用 CC3100，设计者可以添加 Wi-Fi 到任何微控制器 (MCU)，或者编程一个应用到 CC3200 上，是首个单芯片 Wi- Fi 方案，配有用户专用 ARM® Cortex®-M4 MCU。另外，TI 的 WiLink 8 方案提供了一种 Wi-Fi、蓝牙和低功耗蓝牙的组合到一个易于集成的模块中。
蓝牙
蓝牙技术，以古代的斯堪的纳维亚的国王命名，是 1994 年由 Ericsson 所发明的，作为一种手机和计算机间的无线通信标准。蓝牙链路层，运行在 2.4 GHz ISM 频段上，之前标准化为 IEEE 802.15.1，但是如今不再保留 IEEE 标准，蓝牙标准现在通过蓝牙 SIG 控制。
蓝牙在手机中取得非常大的成功，如今的所有手机，即使是入门级手机，都配有蓝牙连接。使得蓝牙最初非常流行的主要用例就是使用耳机和车载工具实现免提通话。其后，随着手机性能的增强，更多的用例，如高保真音乐流和数据驱动用例，如健康配件逐步发展起来。
如前文所述的，蓝牙是一种 PAN 技术，如今主要作为有线电缆的替换方案，用于短距离通信。其支持的数据吞吐量达到 2Mbps，尽管在其规范中包含了更为复杂的拓扑，但是蓝牙主要用于点对点火星型网络拓扑中。蓝牙技术耗电较低；设备通常采用较小的可充电式电池，或两节碱性电池。
低功耗蓝牙（也称为“蓝牙智能”）是在蓝牙规范中的一个较新的增补。为低数据吞吐量而设计，低功耗蓝牙大幅降低了蓝牙设备的耗电量，使用纽扣电池即可运行多年。得到新一代智能手机和平板电脑的支持，低功耗蓝牙加速了蓝牙市场的增长，实现了广泛的新应用，如健康、玩具、汽车和工业空间。低功耗蓝牙也引进了邻近功能，为基于位置的服务，如信标和地理围栏应用等打开了大门。
蓝牙“经典”标准可支持最多八台设备同时连接到一个星型网络上。低功耗蓝牙标准解除了这一限制，理论上支持无限数量的设备同时连接，但现实中，同时连接的设备数量在 10 至 20 台之间。
蓝牙标准的一个优势就在于其包含应用配置文件。这些配置文件非常详细的规定了应用间如何交换信息来完成特定任务。其中一个实例，“Audio/Video Remote Control Profile”(AVRCP)定义了蓝牙远程控制如何同音频和视频设备接口来转送诸如播放、暂停、停止等的命令。蓝牙 SIG 定义的综合认证计划涵盖了整个的协议栈，以及应用配置文件，帮助蓝牙在市场上实现杰出的互操作性。
所以，蓝牙是如何同 IoT 相关联的？蓝牙将 10 米内的无线配件连接到智能手机或平板电脑上，作为一个互联网网关。蓝牙技术支持的 IoT 应用的两个实例：一个可穿戴式心率监测器记录数据到健康云服务器上，一个电话控制的门锁报告其状态到一个安全公司。
TI 具有蓝牙和低功耗蓝牙设备的广泛组合。SimpleLink 蓝牙和低功耗蓝牙双模式 CC2564MODN 集成到一个最优化的、小型 (7mm x 7 mm) 模块中，实现了成本节约、更快的市场投放和设计的灵活性。对于“蓝牙智能”市场，TI 的 SimpleLink CC2541 是一款低功耗、高集成的无线 MCU，配有一个 RF 收发器、MCU 和闪存芯片。TI 正在扩展其“蓝牙智能”，提供 SimpleLink CC2540T，一款针对工业和照明应用的高温低功耗蓝牙无线 MCU。
ZigBee
有趣的是，ZigBee 技术的名称源于蜜蜂从野外飞回来，跳一种摇摆舞，同蜂巢中的其他蜜蜂进行交流，告诉其它们发现的食物的距离、方向和类型。这种模拟暗示了 ZigBee 的网状特性，在整个大型网络的多个方向和路径上，数据从一个节点跳跃到另一个节点。
基于 IEEE802.15.4 链路层标准，ZigBee 是一种低吞吐量、低功耗和低成本的技术。ZigBee 主要在 2.4 GHz ISM 频段上运行，尽管规范也支持 868 MHz 和 915 MHz ISM 频段。ZigBee 可提供的数据吞吐量最高达 250KBps，但是其通常在低得多的数据传输率下使用。ZigBee 也具有保持非常长的睡眠时间的特性，低工作周期，可以通过纽扣电池供电运行多年。市场上的新型 ZigBee 设备甚至可以实现能量收集技术，无电池运行。
ZigBee 标准主要由“ZigBee 联盟”维持。该组织运行认证计划，确保设备间的互操作性，允许产片配戴 ZigBee 认证的标识。标准中定义了在 802.15.4 链路层以上的更高的网络层，以及各种应用配置文件，实现了全系统可互操作性实现。ZigBee 可用于多个应用中，但是其在智能能源、家庭自动化和照明控制应用中取得了巨大的成功，其中每个应用都有一个特定的 ZigBee 配置文件和认证。ZigBee 标准在这些应用中如此成功的另一个原因就是网状网络拓扑可以包含多达数千个节点。
尽管 ZigBee 标准具有一个 IP 规范，但是其同流行的智能能源、家庭自动化和照明链接配置文件不同，还未在市场上有所斩获。连接到 IoT，ZigBee 网络需要一个应用层的网关。网关作为 ZigBee 网络中的一个节点，平行运行一个 TCP/IP 协议栈，应用在以太网或 Wi-Fi 上连接 ZigBee 网络到互联网上。
TI 针对各种市场，具有一个 ZigBee 方案的组合。对于家庭自动化、网关和计量应用，SimpleLink ZigBee CC2538无线 MCU 提供一种集成的、低功耗的 2.4 GHz RF 收发器，ARM® Cortex®-M3 方案，配有闪存芯片、RAM 和安全加速器。SimpleLink CC2530 无线 MCU 优化照明、家庭自动化和无线传感器网络应用。
6LoWPAN
6LoWPAN 是低功耗无线个人局域网上的 IPv6 的缩写。6LoWPAN 的承诺就是应用 IP 到最小、最低功耗、最有限处理能力的设备上。6LoWPAN 是真正的为 IoT 创建的首个无线连接标准。在 6LoWPAN 缩写中的术语“个人局域网”可能会引起混淆，因为 6LoWPAN 通常用于构成 LAN。
标准由 IETF 的 6LoWPAN 工作组创建，于 2011 年 9月，正式定为 RFC 6282“基于 IEEE802.15.4 的网络的 IPv6 数据报的压缩格式”。如 RFC 标题所示，6LoWPAN 标准只定义了 802.15.4 链路层和 TCP/IP 协议栈间的有效适配。
术语 6LoWPAN 在行业内宽泛使用，指整个协议栈，包括 802.15.4 链路层、IETF IP 字头压缩层，以及 TCP/IP 协议栈。但是遗憾的是，没有一个针对整个协议栈的行业标准，也没有一个标准组织对 6LoWPAN 方案进行认证工作。鉴于 802.15.4 链路层具有多个可选模式，不同的厂家可以实施在局域网层不具互操作性的方案，仍然统称为“6LoWPAN 网络”。好消息是运行在不同网络上的 6LoWPAN 设备可以在互联网上互相通信，前提是它们采用相同的互联网应用协议。另外，6LoWPAN 设备可以同互联网上任何其他基于 IP 的服务器或设备进行通信，包括 Wi-Fi 和以太网设备。
在 6LoWPAN 中， IPv6 被选作唯一支持的 IP（包括 IPv4），因为其支持更大的寻址空间，从而支持更大的网络，同时也因为其具有网络自动配置的内置支持。
6LoWPAN 网络要求一个以太网或 Wi-Fi 网关来接入到互联网。同 Wi-Fi 类似，网关为一个 IP 层网关，而不是一个应用层网关，从而允许 6LoWPAN 节点和应用直接接入到互联网。鉴于目前部署的互联网多数仍采用 IPv4，一个 6LoWPAN 网关通常包含一个 IPv6 到 IPv4 的转换协议。
6LoWPAN 是投入市场中的较新产品。初始部署采用 2.4 GHz 和 868 MHz/ 915 MHz ISM 频段。凭借 802.15.4 的优势 – 网状网络拓扑、较大的网络规模、可靠的通信、低功耗 – 以及 IP 通信的优点，6LoWPAN 被很好地定位，将引爆互联网连接的传感器和其他低数据吞吐量和电池供电的应用的市场。
TI 为 6LoWPAN 提供多个方案，包括 SimpleLink CC2538 无线 MCU。CC2538 提供了在 2.4 GHz 频段上的 6LoWPAN 网络所需的性能、低功耗和安全性。对于 Sub-1 GHz 6LoWPAN 运行，TI 提供 CC1200 RF 收发器，可以同诸如 MSP430 的微控制器配对。
无线电收发器和专有协议
如今许多工业应用采用专有协议运行在无线电收发器上。无线电收发器提供网络的链路层（或者往往只是物理层）。网络协议的其他部分通过原始设备制造商 (OEM) 实施。以这种方式设计的系统以互操作性和开发工作量为代价，为系统设计者留有更大的灵活性。
这些专有的无线电系统主要采用433 MHz、868 MHz 和 915 MHz 的较低 ISM 频段，因此通常称为 Sub-1 GHz 方案。Sub-1 GHz 方案通常传输高功耗，在简单的点对点或星型拓扑中可覆盖范围可超过 25 km。许多电力公司已经创建了专有的 NAN，来转发读数到邻近的采集点。Sub-1 GHz 无线电的其他常见应用如安全系统和工业控制和监控。
连接到 IoT，Sub-1 GHz 系统需要一个应用层互联网网关。在许多情况下，就是一台连网的个人计算机运行一个 TCP/IP 协议栈。
鉴于覆盖范围超过 25 km，65-dB 的邻道抑制特征，SimpleLink Sub-1 GHz RF 性能系列家族为在 169、433、868、915 和 950 MHz 下的工业、科技和医疗（ISM）频段提供了一个无以伦比的方案。CC1200 适用于低功耗、高性能系统，其数据传输率可达到 1 Mbps，以及通过采用监听模式和快速建立时间的低功耗运行的电池供电的长寿命应用。TI 提供多个其他 RF 收发器，包括 CC1120，传输率可达到 200 kbps。
近场通信 (NFC)
NFC 是一种无线电技术，实现设备间的双向点对点短距离通信。其广泛用于智能手机和智能卡中，作为识别、数据交换和支付的一种安全方式。尽管过去其并不总是被认为是一项 IoT 技术，NFC 却是包括健康、可穿戴式和个人电子设备在内的许多 IoT 应用的一项重要无线通信技术。
NFC 运行在 13.56 MHz ISM 频段上，用于短距离通信 – 10 cm 以内的- 提供固有近场安全性，支持的数据传输率在 108Kbps 和 424Kbps 之间。NFC 标准由 NFC 论坛管理，很大程度上基于国际标准化组织标准，如 ISO 14443A/B 和 ISO 15693。这些标准在通信范围和它们支持的数据传输率间存在差异；因此，在 NFC 标签和相应的读写器的选择过程中，选择合适的标准是一项重要的考虑因素。
NFC 为 IoT 应用带来了很多好处；其可以实现蓝牙设备和智能手机间简单的“一触即成”的配对，以及分配 Wi-Fi 设备到路由器或其他无线设备到网关。利用其在智能手机内的广泛部署，NFC 特征可用于从设备到电话检索诊断数据，从手机到设备下载固件更新。
NFC 读写器功耗非常低，NFC 标签甚至可以在无电池下运行，因此该技术是需要延长电池寿命或无电池操作的低功耗传感器节点的理想选择。
TI 提供多个 NFC 方案，包括 RF430CL33xH 动态 NFC 标签和支持三种 NFC 操作模式：读/写、端对端和卡仿真模式的 TRF7970A NFC 收发器。
不仅仅是无线
由于 IoT，无线连接市场迅速发展。然而，许多 IoT 应用通过有线连接到互联网上。以太网连接、电力线通信（PLC）和诸如工业现场总线的工业通信标准，只是其中几个例子。
结论
全球有许多无线技术 – 每个技术都有优点，但都不尽完美。现在您需要回答的问题是“哪种技术对我的应用来说是最佳方案？”希望本文论述能够帮助您更好的了解 IoT 常用的无线技术，及其优缺点。在选择无线连接时，需要考虑多个因素，包括区域频率覆盖率、IP 的本地支持、范围和吞吐量，在 IoT 白皮书中有更深层次的论述。
“Texas Instruments”和 IoT
随着工业的最广泛的有线和无线连接技术、微控制器、处理器、传感器和模拟信号和供电方案的可用的 IoT 组合，TI 提供了云系统方案，实现 IoT 的可访问性。从高性能的家庭、工业、汽车应用到电池供电的可佩戴式和便携式电子元件或能源收集无线传感器节点，TI 采用软、硬件、工具，使得应用开发更为轻松，支持在 IoT 内的任何东西的连接。