【導讀】物聯網（IoT）這個概念于1999年首次出現，它描述了一種使用互聯網來改善人類生活的智能設備網絡。比如一輛裝配有各種傳感器的汽車，當輪胎壓力不足時，傳感器就會向你的手機發出提醒。除了運用大量的傳感器，物聯網還是各種無線互連技術的競技場，蜂窩、Wi-Fi、BLE、NB-IoT、LTE-M、LoRa、Zigbee、NFC，甚至衛星通信等眾多無線技術在物聯網中，均發揮著關鍵作用。這些技術使得數十億物聯網設備將每天捕獲的海量數據傳輸到數據中心并加以處理，從而服務于千行百業。
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物聯網中的連接技術
物聯網應用在本質上是關于設備或過程的遠程監控和管理。沒有連接，物聯網就不可能存在，物聯網生態系統中的設備只有連接到其他設備才能工作。目前有很多種技術可以提供這種連接，如圖1所示。
圖1：不同應用下所需的連接技術
（圖源：Transforma Insights）
圖1中列舉的蜂窩、藍牙、Wi-Fi、Zigbee、LTE-M、LoRa、NFC等均是物聯網中最常見的通信技術和協議，這些物聯網通信協議滿足了絕大部分物聯網系統的特定功能要求。
蜂窩通信是一個由電信運營商部署且覆蓋范圍廣、可靠性和安全性都很高的無線網絡，用戶無需再建一個全新的網絡來連接物聯網項目中的各種設備。蜂窩連接通常是高度移動的物聯網系統的理想選擇。隨著5G的大規模部署，跨廣域連接的物聯網設備（也稱為“大規模物聯網”，massive IoT）將成為現實，將跨廣域連接數千個物聯網設備。高數據速率蜂窩連接是數據密集型物聯網應用、高速移動設備和實時視頻流的完美選擇。在超大規模蜂窩物聯網白皮書中給出了這樣一組數據，到2026年底，蜂窩物聯網僅占所有連接的22%，算下來約有59億設備將通過蜂窩網絡實現連接。原因也很明顯，即：雖然蜂窩網絡能夠發送大量數據，尤其是4G和5G網絡，但對于許多應用來說，它的成本和功耗太高了。
圖2：使用不同技術的物聯網設備的實際和預測數量
（圖源：IoT Analytics）
絕大多數物聯網連接使用的是短程無線技術，如Wi-Fi、藍牙、Z-wave和Zigbee等（如圖2）。其中，Wi-Fi連接是最受歡迎的物聯網通信協議之一，特別是考慮到局域網內家庭和工作環境中的Wi-Fi可用性，許多開發者都會優先選擇它。因此，Wi-Fi在物聯網中的應用非常普遍，從智能電視、智能燈泡到智能冰箱等一系列智能設備，一切都可以使用Wi-Fi網絡輕松操作。在餐廳和商業場所很流行的數字標牌，Wi-Fi也是一個絕佳的選擇，因為這些商店中的絕大多數已經安裝了Wi-Fi路由器，執行方案也非常簡單。
總的來說，對于物聯網生態系統僅限于特定區域的應用而言，如家庭或辦公室，Wi-Fi肯定是一個簡單而有效的選擇。Wi-Fi的優點很明顯，包括在私人環境中保護網絡的能力以及對傳輸數據量沒有成本限制等。同樣，缺點也是眾所周知的，如可靠性略低、數據傳輸范圍有限、功耗較高等。
目前，許多家庭和企業最常使用的是Wi-Fi 5（802.11ac）或者更早一些的版本。Wi-Fi 5的最高數據傳輸速率可達6.9Gbps，這對于文件傳輸來說足夠了。但在企業市場，尤其是工業物聯網（IIoT）應用，如工業自動化、監控和遠程控制、AR/VR以及其他需要高帶寬、低延遲和高連接可靠性的視頻類的應用，這個傳輸速率有時會顯得力不從心。現在，Wi-Fi 6已經從早期部署快速過渡到規模應用，網絡的速度和容量得到大幅提升，其吞吐量幾乎是Wi-Fi 5的四倍。令人欣喜的是，Wi-Fi技術的迭代從未停歇，Wi-Fi 6尚在推廣階段，Wi-Fi 7的規范就準備好了。雖然正式標準尚未發布，但用于接入點的Wi-Fi 7芯片已經面世。
藍牙是一種重要的短程無線通信協議，在計算機和消費品市場中占有重要一席，更是可穿戴產品中的關鍵技術。新的藍牙低功耗（BLE）是物聯網應用的重要通信協議，尤其適用于小型電池供電設備。支持藍牙的智能手表和健身追蹤儀可以將數據快速回傳，在智能手機上用戶就能很方便的查看相關信息。
Mesh協議（ZigBee、Z-Wave和Thread）在物聯網中同樣扮演著重要角色。Mesh網絡是通過多個路由器連接的多節點結構。這些連接往往是直接的、動態的，而不是基于固有的層次結構，有足夠的靈活性，能夠適應各種網絡條件，從而高效地傳輸數據。Mesh網絡的自我配置能力意味著它們可以從故障節點中快速恢復，而無需外部維護，因此非常適合企業物聯網應用，即使在大規模應用中也能保持高可靠性。與藍牙一樣，ZigBee、Z-Wave和Thread等Mesh協議也常用于消費品中。當您想要連接多個設備時，Mesh是一個很好的選擇，在智慧家庭、環境監測等應用中，Mesh越來越受歡迎。
每種技術都有自己適用的應用場景。蜂窩是移動的設備的首選技術。Wi-Fi等短距離技術主要用于室內連接。低功耗廣域網（LPWAN），包括NB-IoT和LTE-M、LoRa等技術，專注于更具成本效益、在室內或地下位置表現更好，以及電池壽命長達10年的電池供電設備等物聯網應用，這些技術正在成為物聯網連接方案的焦點，也是我們今天要重點介紹的技術。
LPWAN：物聯網中重要的連接技術
在行業內，LPWAN技術堪比一項革命性的物聯網接入技術，它具有低功耗、長距離、低帶寬、網絡結構簡單、運營成本低等特點。與蜂窩、Wi-Fi、藍牙、ZigBee等技術相比，LPWAN真正實現了物聯網的低成本廣覆蓋。LoRaWAN、NB-IoT、LTE-M或RPMA等均被歸類為LPWAN。其中，NB-IoT和LoRa是LPWAN中的主要技術，也是大規模物聯網應用的首選技術。
#01 NB-IoT
窄帶物聯網（NB-IoT）是IoT領域的一項新興技術，它能夠以低成本實現廣泛的物聯網連接，拓寬了物聯網的潛在應用。根據愛立信Mobility Report November 2020的報告，接下來，NB-IoT/Cat-M（Cat-M1也被稱為LTE-M）將出現爆炸性增長，從2020年的近2億個聯網設備增長到2026年底的約26億個，占所有蜂窩物聯網連接的45%。
圖3：使用不同蜂窩技術的物聯網設備的實際和預測數量
（圖源：Ericsson）
高通公司是較早推出NB-IoT芯片的企業，早在2017年3月發布并于5月底量產的MDM9206芯片便是一款用于LTE物聯網且支持多模式的芯片，它集成了MTC、NB-IoT和GPRS三種技術。該芯片支持全球Cat-M1和Cat-NB1 LTE的所有頻段，集成GPS、GNOSS、北斗和伽利略全球導航衛星定位服務，實現了低成本、低功耗、低帶寬、廣覆蓋的物聯網產品和服務。
圖4：高通公司MDM9206芯片
（圖源：高通）
緊隨高通，一年后，Nordic也向業界發布了其首款NB-IoT/LTE-M雙模芯片和模組nRF91系列，并且成為繼Altair、Sequans和高通公司之后第四家發布商用NB-IoT芯片的跨國公司。Nordic的nRF91系列是一款支持3GPP R13規范的LTE-M/NB-IoT雙模芯片，其中的nRF9160 SiP是業內率先采用Arm?Cortex?M-33 CPU內核的NB-IoT模塊，具有1MB閃存和256kB RAM板載內存。nRF9160 SiP還是首個將Arm當時最先進的Arm TrustZone和Arm CryptoCell安全功能融入互聯網級加密和應用保護中。這些技術都是設計用于高能效，并且在運算能力、功耗和安全性方面要求超高性能水平的嵌入式IoT產品。nRF9160 SiP模塊的尺寸僅為10 x 16 x 1mm，適用于非常緊湊的可穿戴消費產品和醫療設備，主要應用包括資產監控和跟蹤、公用事業計量、工業和預測性維護、智慧城市和基礎設施、智慧農業和醫療等。
圖5：nRF91系列是一款支持3GPP R13規范的LTE-M/NB-IoT雙模芯片
（圖源：貿澤電子）
#02 LoRa
LoRa是主流的LPWAN通信技術，它是一種基于調頻擴頻技術的超長距離無線傳輸方案，充分考慮了距離和功耗，為用戶提供了電池壽命長、傳輸距離長的簡單傳感器網絡。LoRa傳輸信道的帶寬為157dB，理論傳輸距離可達15km，工作電流僅為10mA，待機電流為200nA，功耗非常低，有利于延長電池的使用壽命。LoRa的網絡頻段基本上是世界上的自由頻段，這些頻段是433Hz、868Hz、915Hz等。LoRa的終端節點是各種物聯網設備，例如智能抄表、智能電表、快遞跟蹤器、牧場管理器等。
據2022年12月初最新的市場消息，Semtech LoRa生態合作伙伴深圳矽遞科技攜手物聯網方案商Stal Data公司，在位于荷蘭的集約式養豬場部署了基于LoRaWAN協議的SenseCAP環境監測設備，對養豬場內二氧化碳濃度、氨濃度，以及溫濕度等各種環境參數實現了遠程監測，并通過在線直播實時展示豬群的生長情況，在大幅提升生產效率的同時，食品安全的透明與可追溯性也有了保證。目前，LoRa已經擁有成熟的生態鏈，預計未來幾年將保持快速發展。
LoRa是專為長距離和低功耗應用場景開發的無線通信技術，它在物聯網應用中的發展與每個LoRa終端設備中的LoRa模塊密不可分。Microchip公司的RN2483是一款基于LoRa技術且經過全面認證的868MHz模塊，在Sub-GHz頻帶內使用獨特的擴頻調制，以實現長距離、低功率和高網絡容量。該模塊的嵌入式LoRaWAN協議支持無縫連接到任何符合LoRaWAN的網絡基礎設施。RN2483還是一款率先通過LoRa聯盟認證測試的LoRa模塊，它通過了LoRaWAN 1.0.1規范的認證，確保設計者能夠快速輕松地將其終端設備集成到任何LoRaWAN網絡中。其中，RN2483A-I / RM104-LoRaWAN規范1.0.1，適用于A級應用；RN2483A-I / RM105-LoRaWAN規范1.0.2，支持A級和C級應用。
圖6：RN2483是首個通過LoRa聯盟認證測試的LoRa模塊
（圖源：Microchip）
STMicroelectronics的STM32WL MCU是STM32 RF產品系列中的一員，它在同一芯片上集成了通用微控制器和sub-GHz無線電。STM32WL MCU基于Arm Cortex‐M4和Cortex-M0+內核（可選單核或雙核），支持復合調制LoRa、FSK、MSK、BPSK，以完全開放的方式通過LoRaWAN、Sigfox、W-MBUS或任何其他合適的協議認證，以確保在無線應用中的靈活性，是業內較早推出的一款LoRa SoC。STM32WL MCU采用基于Semtech SX126x的sub-GHz無線電，以滿足工業和消費物聯網中各種LPWAN無線應用的需求。
圖7：STM32WL MCU是業內首款LoRa SoC
（圖源：ST）
結語
物聯網應用中有兩種主要類型的無線技術。一種是短程無線技術，如藍牙 / Wi-Fi / ZigBee / NFC，藍牙或NFC等個人區域網絡（PAN）的范圍為一米或兩米，用于連接耳機等個人設備，其中的NFC（近場通信）也是一種物聯網技術，它實現了電子設備之間的簡單和安全的通信，這些短程無線技術中部署極為廣泛的是Wi-Fi，幾乎普遍部署在住宅和企業環境中；另一種是構成廣域網的技術，如2G / 3G / 4G / 5G。每種技術的優點和缺點都很明顯。LPWAN是一種面向物聯網遠距離、低功耗要求的物聯網網絡層技術。在LPWAN之前，在遠程和低功耗之間通常只有一種選擇。使用LPWAN后，人們無需在二者之間再做權衡了，LPWAN除了實現遠距離通信和超低功耗外，還可以節省額外的中繼成本。
LPWAN是物聯網不可或缺的一部分，它具有靈活和可擴展的特性，網絡規模可大可小，這是物聯網行業成長和探索階段所必需的，據稱也是極為適合物聯網的無線通信技術。根據Facts and Factors的預測，2021年全球物聯網設備市場規模為15.295億美元，預計到2028年將增長至27.2442億美元，預測期內復合年增長率（CAGR）約為10.10%。蓬勃發展的物聯網產業也一定會帶火其中的關鍵技術。目前，LPWAN中的兩大物聯網網絡NB-IoT和LoRa正在快速發展，未來前景可期。
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