在物联网大趋势下,低功耗蓝牙BLE技术有哪些优势

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在物联网大趋势下,低功耗蓝牙BLE技术有哪些优势,第1张

ble低功耗蓝牙模块应用于物联网的几大优势:

蓝牙技术为何能够如此广泛地应用于互联设备中?主要原因在于它能够通过平价的小型设备建立低功耗连接,从而与任何位置的任何设备连接起来。

优势1:超低功耗

低功耗蓝牙模块利用许多智能手段最大限度地降低功耗,使得ble蓝牙模块拥有超低的峰值功耗、平均功耗和待机功耗,一颗纽扣电池就可以供低功耗蓝牙模块运行数年之久。

技术在不断进步,如今蓝牙半导体越来越完善,越来越多的人习惯一直将蓝牙设置为开启状态,而这对电池寿命的影响几乎可以忽略不计。

优势2:简化连接配置过程

低功耗蓝牙模块可提供无缝连接解决方案的应用,配置的过程也变得非常简单。

优势3:超快连接速度

蓝牙低能耗技术采用可变连接时间间隔,这个间隔根据具体应用可以设置为几毫秒到几秒不等。另外,因为BLE技术采用非常快速的连接方式,因此平时可以处于“非连接”状态(节省能源),此时链路两端相互间只是知晓对方,只有在必要时才开启链路,然后在尽可能短的时间内关闭链路。

优势4:超长连接距离,增强无线覆盖范围

目前蓝牙40/41/42低功耗蓝牙模块的连接距离在30米—100米之间,ble蓝牙50模块的连接距离会更远,可以达到300米左右。

优势5:完全向下兼容

低功耗蓝牙完全向下兼容的更新机制有利于蓝牙产品的更新换代,新的蓝牙版本和旧的蓝牙版本互相兼容。

优势6:低成本

目前低功耗蓝牙模块已经应用于物联网的各个领域,比如智能穿戴领域,蓝牙是可穿戴设备实现通信的第一步。无论是佩戴在你手腕上的设备,还是头戴式或入耳式设备,它们与你手机之间的连接,甚至与更广阔的世界建立连接的第一步都是起始于蓝牙。对于正在考虑开发新型产品的开发者而言,低功耗蓝牙模块将是物联网消费级互联的首选。

天工测控是国内专业的ble低功耗蓝牙模块厂商,已推出的ble低功耗蓝牙模块包括蓝牙40/42/50模块,蓝牙芯片使用的是Nordic的低功耗蓝牙芯片系列,包括nrf51802/51822/52832/52840等,更多蓝牙模块详情可访问天工测控官网或阿里店铺。

由于LoRa是单一公司的私人协议,所以很难实现将来的长期技术发展。如果创新技术不能持续下去,就没有未来。企业非常重视网络投资成本的保护和现有资源的最大利用。

同时,面对5G巨大的市场增长机会,职业生涯当然不容错过。他们在5G进入发展规模之前会仔细修正各投资方向,不仅对现在,对将来也有利。

因此,至少在以上几个方面,LoRa与NB-IoT角逐的过程中,LoRa获胜的机会很小。

随着物联网的逐渐铺开,人们已经在生活中看到了越来越多的物联网模块:智能水表,共享单车,等等。目前的物联网仍然主要由运营商推动,物联网模块需要使用标准蜂窝协议与基站通讯。由于基站需要覆盖尽可能大的面积,因此物联网模块需要能做到在距离基站很远时仍能通讯,这就对于物联网模块的射频发射功率有了很高的要求;从另一个角度来说,物联网模块在做无线通讯时仍然需要消耗高达30mA的电流,这使得目前的物联网模组仍然需要配合较高容量的电池(如五号电池)才能工作,这也导致了物联网模组的尺寸很难做小。

为了能进一步普及物联网,必须克服这个功耗以及尺寸的限制。例如,如果未来要把物联网做到植入人体内,则不可能再搭配五号电池,而必须使用更小的电池甚至使用能量获取系统从环境中获取能量彻底摆脱电池的限制。为了实现这个目标,从通讯协议上说,可以使用更低功耗的自组网技术,类似BLE;而从电路实现上,则必须使用创新电路来降低功耗。

能量获取技术

根据之前的讨论,目前电池的尺寸和成本都已经成为了限制IoT设备近一步进入潜在市场的瓶颈。那么,有没有可能使用从环境中获得能量来支持物联网节点工作呢这种从环境中获取能量来支持物联网节点工作的模块叫做“能量获取”(energy harvesting),目前能量获取电路芯片的研究已经成为了研究领域的热门方向。

目前最成熟的能量获取系统可以说是太阳能电池。传统太阳能电池能提供较好的能量获取效率,但是付出的代价是难以集成到CMOS芯片上。最近,不少研究机构都在使用新型CMOS太阳能电池,从而可以和物联网节点的其他模块集成到同一块芯片上,大大增加了集成度并减小模组尺寸。当然,集成在CMOS芯片上的太阳能电池需要付出低能量输出的代价,目前常见的CMOS片上太阳能电池在室内灯光下能提供nW等级的功率输出,而在强光下能提供uW级别的功率输出,这就对物联网模组的整体功耗优化提出了很高的要求。另一方面,也可以将能量获取与小尺寸微型电池配合使用,当光照较好时使用太阳能电池而在光照较弱时使用备用电池,从而提升整体物联网模组的电池寿命。

除了太阳能电池外,另一个广为人知的环境能量就是WiFi信号。今年ISSCC上,来自俄勒冈州立大学的研究组发表了从环境中的WiFi信号获取能量的芯片。先来点背景知识:WiFi的最大发射功率是30dBm(即1W),在简单的环境里(即没有遮挡等)信号功率随着与发射设备的距离平方衰减,在距离3m左右的距离信号功率就衰减到了1uW(-30dBm)左右,而如果有物体遮挡则会导致功率更小。俄勒冈州立大学发表的论文中,芯片配合直径为15cm的天线可以在非常低的无线信号功率(-33dBm即500nW)下也能工作给电池充电,能量获取效率在5-10%左右(即在距离发射源3m的情况下输出功率在50nW左右)。因此,WiFi信号也可以用来给物联网模组提供能量,但是其输出功率在现实的距离上也不大,同样也需要节点模组对于功耗做深度优化。

另外,机械能也可以作为物联网节点的能量获取来源。压电效应可以把机械能转换为电能,从而使用压电材料(例如压电MEMS)就能为物联网节点充电。使用压电材料做能量源的典型应用包括各种智能城市和工业应用,例如当有车压过减速带的时候,减速带下的物联网传感器上的压电材料可以利用车辆压力的机械能给传感器充电并唤醒传感器,从而实现车辆数量统计等。这样,机械压力即可以作为需要测量的信号,其本身又可以作为能量源,所以在没有信号的时候就无需浪费能量了!压电材料的输出功率随着机械能的大小不同会有很大的区别,一般在nW-mW的数量级范围。

唤醒式无线系统

传统的IoT无线收发系统使用的往往是周期性通讯或主动事件驱动通讯的方案。周期性通讯指的是IoT节点定期打开与中心节点通讯,并在其他时间休眠;事件驱动通讯则是指IoT节点仅仅在传感器监测到特定事件时才与中心节点通讯,而其它时候都休眠。

在这两种模式中,都需要IoT节点主动与中心节点建立连接并通讯。然而,这个建立连接的过程是非常消耗能量的。因此,唤醒式无线系统的概念就应运而生。

什么是唤醒式无线系统就是该该系统在大多数时候都是休眠的,仅仅当主节点发射特定信号时才会唤醒无线系统。换句话说,连接的建立这个耗费能量的过程并不由IoT节点来完成,而是由中心节点通过发送唤醒信号来完成。

当建立连接的事件由中心节点来驱动时,一切都变得简单。首先,中心节点可以发射一段射频信号,而IoT节点可以通过能量获取(energy harvesting)电路从该射频信号中获取能量为内部电容充电。当IoT节点的电容充电完毕后,无线连接系统就可以使用电容里的能量来发射射频信号与中心节点通讯。这样一来,就可以做到无电池操作。想象一下,如果不是使用唤醒式无线系统,而是使用IoT主动连接的话,无电池就会变得困难,因为无法保证IoT节点在需要通讯的时候在节点内有足够的能量。反之,现在使用唤醒式系统,中心节点在需要IoT节点工作时首先为其充电唤醒,就能保证每次IoT节点都有足够能量通讯。

那么,这样的唤醒式无线系统功耗有多低呢在2016年的ISSCC上,来自初创公司PsiKick发表的支持BLE网络的唤醒式接收机在做无线通讯时仅需要400 nW的功耗,而到了2017年ISSCC,加州大学圣地亚哥分校发表的唤醒式接收机更是把功耗做到了45 nW,比起传统需要毫瓦级的IoT芯片小了4-6个数量级!

来自UCSD的45 nW超低功耗唤醒式接收机

反射调制系统

唤醒式接收机主要解决了无线链路中如何低功耗接收信号的问题,但是在如果使用传统的发射机,则还是需要主动发射射频信号。发射机也是非常费电的,发射信号时所需的功耗常常要达到毫瓦数量级。那么,有没有可能在发射机处也做一些创新,降低功耗呢

确实已经有人另辟蹊径,想到了不发射射频信号也能把IoT节点传感器的信息传输出去的办法,就是由华盛顿大学研究人员提出的使用发射调制。反射调制有点像在航海和野外探险中的日光信号镜,日光信号镜通过不同角度的反射太阳光来传递信息。在这里,信号的载体是太阳光,但是太阳光能量并非传递信号的人发射的,而是作为第三方的太阳提供的。类似的,华盛顿大学研究人员提出的办法也是这样:中心节点发射射频信号,IoT节点则传感器的输出来改变(调制)天线的发射系数,这样中心节点通过检测反射信号就可以接收IoT节点的信号。在整个过程中IoT节点并没有发射射频信号,而是反射中心节点发出的射频信号,这样就实现了超低功耗。

华盛顿大学的Shyam Gollakota教授率领的研究组在反射调制实现的超低功耗IoT领域目前已经完成了三个相关项目。去年,他们完成了passive WiFi和interscatter项目。Passive WiFi用于长距离反射通信,使用WiFi路由器发射功率相对较高的射频信号,而IoT节点则调制天线反射系数来传递信息。多个IoT节点可以共存,并使用类似CDMA扩频的方式来同时发射信息。interscatter则用于短距离数据传输,使用移动设备发射功率较低的射频信号,而IoT节点则调制该射频信号的反射来实现信息传输的目的。Passive WiFi和interscatter芯片的功耗都在10-20微瓦附近,比起动辄毫瓦级别的传统IoT无线芯片小了几个数量级,同时也为物联网节点进入人体内等应用场景铺平了道路。

Passive WiFi(上)与Interscatter(下)使用反射调制,分别针对长距离与短距离应用。

Passive WiFi和Interscatter还需要使用电信号因此需要供电,而Gollakota教授最近发表的Printed WiFi则是更进一步,完全不需要供电了!

在物联网的应用中,许多需要检测的物理量其实不是电信号,例如速度,液体流量等等。这些物理量虽然不是电物理量,但是由于目前主流的信号处理和传输都是使用电子系统,因此传统的做法还是使用传感器电子芯片把这些物理量转化为电信号,之后再用无线连接传输出去。其实,这一步转化过程并非必要,而且会引入额外的能量消耗。Printed WiFi的创新之处就是使用机械系统去调制天线的反射系数,从而通过反射调制把这些物理量传输出去。这样,在IoT节点就完全避免了电子系统,从而真正实现无电池工作!

目前,这些机械系统使用3D打印的方式制作,这也是该项目取名Printed WiFi的原因。

上图是Printed WiFi的一个例子,即转速传感器。弹簧、齿轮等机械器件在上方测速仪旋转时会周期性地闭合/打开最下方天线(slot antenna)中的开关,从而周期性地(周期即旋转速度)改变最下方天线的反射特性,这样中心节点只要通过反射射频信号就能读出旋转速度。最下方的图是该传感器在不同转速时的反射信号在时间域的变化情况,可见通过反射信号可以把转速信息提取出来。

超低功耗传感器

物联网节点最基本的目标就是提供传感功能,因此超低功耗传感器也是必不可少。目前,温度、光照传感器在经过深度优化后已经可以实现nW-uW数量级的功耗,而在智能音响中得到广泛应用的声音传感器则往往要消耗mW数量级甚至更高的功耗,因此成为了下一步突破研发的重点。

在声音传感器领域,最近的突破来自于压电MEMS。传统的声音传感器(即麦克风)必须把整个系统(包括后端ADC和DSP)一直处于活动待机状态,以避免错过任何有用的声音信号,因此平均功耗在接近mW这样的数量级。然而,在不少环境下,这样的系统其实造成了能量的浪费,因为大多数时候环境里可能并没有声音,造成了ADC、DSP等模组能量的浪费。而使用压电MEMS可以避免这样的问题:当没有声音信号时,压电MEMS系统处于休眠状态,仅仅前端压电MEMS麦克风在待命,而后端的ADC、DSP都处于休眠状态,整体功耗在uW数量级。而一旦有用声音信号出现并被压电MEMS检测到,则压电MEMS麦克风可以输出唤醒信号将后面的ADC和DSP唤醒,从而不错过有用信号。因此,整体声音传感器的平均功耗可以在常规的应用场景下可以控制在uW数量级,从而使声音传感器可以进入更多应用场景。

超低功耗MCU

物联网节点里的最后一个关键模组是MCU。MCU作为控制整个物联网节点的核心模组,其功耗也往往不可忽视。如何减小MCU的功耗MCU功耗一般分为静态漏电和动态功耗两部分。在静态漏电部分,为了减小漏电,可以做的是减小电源电压,以及使用低漏电的标准单元设计。在动态功耗部分,我们可以减小电源电压或者降低时钟频率来降低功耗。由此可见,降低电源电压可以同时降低静态漏电和动态功耗,因此能将电源电压降低的亚阈值电路设计就成了超低功耗MCU设计的必由之路。举例来说,将电源电压由12V降低到05V可以将动态功耗降低接近6倍,而静态漏电更是指数级下降。当然,亚阈值电路设计会涉及一些设计流程方面的挑战,例如如何确定亚阈值门电路的延迟,建立/保持时间等都需要仔细仿真和优化。在学术界,弗吉尼亚大学的研究组发布了动态功耗低至500nW的传感器SoC,其中除了MCU之外还包括了计算加速器和无线基带。在已经商业化的技术方面,初创公司Ambiq的Apollo系列MCU可以实现35uA/MHz的超低功耗,其设计使用了Ambiq拥有多年积累的SPOT亚阈值设计技术。在未来,我们可望可以看到功耗低至nW数量级的MCU,从而为使用能量获取技术的物联网节点铺平道路。

结语

随着物联网的发展,目前第一代广域物联网已经快速铺开走进了千家万户。然而,广域物联网节点由于必须满足覆盖需求,因此射频功耗很难做小,从而限制了应用场景(例如人体内传感器等无法使用大容量电池的场景)。局域物联网将会成为物联网发展的下一步,本文介绍的能量获取技术配合超低功耗无线通信、MCU和传感器可望让物联网节点突破传统的限制,在尺寸和电池寿命方面都得到革命性的突破,从而为物联网进入可植入式传感器等新应用铺平道路。

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移远通信是全球领先的物联网解决方案供应商,我们的使命是将设备和人员与网络和服务连接起来,推动数字创新并帮助构建更智能的世界。我们的产品可助力实现更为便捷、高效、舒适、富裕和安全的生活。

自 2010 年成立以来,移远通信迅速成为全球发展最快的蜂窝模组供应商,现已成为业内最大的蜂窝模组供应商。

大概说说公司产品,以个例说明

移远通信 RM500Q-AE 是一款专为 IoT/eMBB 应用而设计的 5G Sub-6 GHz 模块。采用 3GPP Release 15 技术,同时支持 5G NSA 和 SA 模式。RM500Q-AE 采用 M2 封装,与移远通信 LTE-A Cat 6 模块 EM06、Cat 12 模块EM12-G、EM120R-GL 和 EM121R-GL,以及 Cat 16 模块 EM160R-GL 兼容,方便客户从 LTE-A 迁移到 5G。

RM500Q-AE 模块为工规级模块,仅适用于工业级和商业级应用。

RM500Q-AE 几乎覆盖了全球所有主流运营商。集成多 星座 高精度定位 GNSS(支持 GPS、GLONASS、BeiDou 和Galileo)接收机,在简化产品设计的同时,还大大提升了定位速度和精度。

RM500Q-AE 内置丰富的网络协议,集成多个工业标准接口,并支持多种驱动和软件功能(如 Windows7/8/81/10、Linux、Android 等操作系统下的 USB/PCIe 驱动等),极大地拓展了其在 IoT 和 eMBB 领域的应用范围,如工业级路由器、家庭网关、机顶盒、工业笔记本电脑、消费笔记本电脑、工业级 PDA、加固型工业

平板电脑、视频监控和数字标牌等。

L76 系列模块(L76、L76-L 和 L76B)

主要特点:

尺寸紧凑、使用方便

丰富的功能接口

可用于供电和数据传输的 Micro-USB 接口

模块工作状态指示灯

可提供适用的外部电池

该评估套件包含:

介绍 EVB 连接方式、EVB 配件的单页说明书

Micro-USB 数据线

GNSS 有源天线(33V)

包含 USB 驱动和相关文档的光盘

BG600L-M3 是一款支持 3GPP Release 14 协议规范的多模(LTE Cat M1、LTE Cat NB2 和 EGPRS)LPWA 模块。在 LTE Cat M1 网路下,模块可支持最大上行速率 1119 kbps 和最大下行速率 588 kbps。采用内置 MCP 以及支持 ThreadX 系统的 ARM Cortex A7 处理器,该模块功耗超低;与同类 LPWA 模块相比,其 PSM 功耗降低 70%、eDRX 模式下功耗降低 85%。

BG600L-M3 拥有一整套基于硬件设计而实现的安全功能,可让受信任的应用程序直接在 Cortex A7 TrustZone 引擎上运行。其封装尺寸为 187 mm 160 mm 21 mm,同时还具有低功耗、高集成度、高机械强度等特点,能最大限度地方便客户进行产品开发。模块采用 LGA 封装,特别适用于当代大规模生产的自动化贴片需求,易于 SMT 焊接和售后维护。

丰富的互联网协议、工业级标准接口以及丰富的功能,将模块的适用范围扩展到更广泛的 M2M 应用上,如无线POS、智能计量、追踪、可穿戴设备等。

AG550Q是移远通信开发的一系列车规级5G NR Sub-6GHz模块,支持5G NR独立组网(SA)和非独立组网(NSA)模式。采用3GPP Rel 15技术,该模块在5G NR网络下最高可支持212Gbps下行速率和 900Mbps上行速率,在LTE-A网络下最高可支持202Gbps下行速率和75Mbps上行速率。通过其C-V2X PC5直接通信功能(可选),AG550Q可广泛应用于车联网领域,为实现智能 汽车 、自动驾驶和智能交通系统的建立提供可靠解决方案。同时,该模块支持双卡双通(可选)和丰富的功能接口,为客户开发应用提供了极大的便利。其卓越的ESD和EMI防护性能,确保其在恶劣环境下的强大鲁棒性。

为满足不同的市场需求,AG550Q共包含多个系列型号:AG550Q-CN、AG550Q-EU、AG550Q-NA和AG550Q-ROW。同时,该模块向后兼容现有的GSM、UMTS和LTE网络,因此在目前没有部署5G NR网络的地区以及没有3G/4G网络覆盖的偏远地区均可实现连接。

AG550Q支持多输入多输出(MIMO)技术,在同一频段的发射端和接收端分别使用多个天线,使信号通过发射端与接收端的多个天线传送和接收,从而大大降低误码率、改善通信质量。该模块支持高通 IZat 定位技术Gen9VT Lite(GPS、GLONASS、BeiDou、Galileo和QZSS),结合其可选的QDR 30和多频GNSS接收机(L1/L2/L5),在简化产品设计的同时,还可提供更快、更精准、更可靠的定位服务。

该系列模块可为 汽车 原厂和一级 汽车 部件供应商提供安全可靠的互联 汽车 解决方案,也可以为 汽车 制造商提供智能灵活的自动驾驶 汽车 制造解决方案,可广泛应用于远程信息处理器(T-Box)、远程信息控制单元(TCU)、高级驾驶员辅助系统(ADAS)、C-V2X(V2V、V2I、V2P)系统、车载单元(OBU)、路边单元(RSU)和其他智能网联和 汽车 制造领域。

AF50T 是移远通信新推出的车规级、高性能、低成本的Wi-Fi 6 & BT 51 模块;支持2 2 MU-MIMO,最高数据传输速率可达17745Mbps。其超紧凑的封装尺寸195 mm 215 mm 23 mm,能最大限度地满足终端产品对小尺寸模块产品的需求,并帮助客户有效减小产品尺寸、优化产品成本。该模块用于与移远通信车规级LTE-A/5G 模块AG520R/AG550Q 搭配使用以建立可靠的LTE-A/5G+Wi-Fi/BT 应用方案。

采用SMT 贴片技术,AF50T 可靠性高、能满足复杂环境的应用需求。紧凑的LGA 封装使其尤其适用于尺寸受限、并要求可靠网络连接的场合。该封装类型适合大规模、自动化生产,能有效帮助降低生产成本、提高生产效率。

基于可靠的PCIe 20 接口,模块可实现高速率、低功耗的WLAN 无线传输。结合其紧凑尺寸、较低功耗、超宽温度范围以及高可靠性,AF50T 可满足车载领域各类应用需求。

QuecHub —端通过物联网协议网关桥接设备运行,另一端通过客户应用运行。通过单步加载即可立即使用可部署云的模组创造性地完成统一的云访问程序。该接口还提供支持轻松编码的 RESTful API 网关,从而实现设备与各种 Web 和移动应用的快速集成。

全球物联网设备连接 数增长势头强劲,IoT Analytics 预计 2025 年全球物联网设备(包括蜂 窝及非蜂窝)联网数量超 300 亿。据 GSMA 数据,中国 2020 年物联 网行业市场规模约 17 万亿,预计2025 年市场规模达到 28 万亿,CAGR 达 11%,中国引领全球物联网行业发展。模组承接物联网产业链上下 游两端,直接受益上下游高景气度。

国内物联网芯片厂商加快国产替 代进程,将显著降低模组厂商成本,带动中游模组需求增长。基于模 组自身的普适性及可定制性,模组行业充分受益于下游垂直应用的多 元需求,市场空间广阔;鸿蒙的推出将为下游应用场景带来增量;中 国移动开启 5G 通用模组集采,推动模组价格下行,促进 5G 行业应用 拓展,进一步带动 5G 模组需求爆发。

车载模组是 汽车 接入车联网的重要底层硬件,可应用于 汽车 主机、T-BOX、OBD、OTA 等车载的不同领域。伴随通信技术迭代和智能 汽车 的发展,车载模组 需求迎来爆发。佐思汽研预计 2025 年全球 汽车 无线通信模组装载量将 到达 2 亿片,2020-2025 年 CAGR 达 15%,其中中国 汽车 无线通信模组 装载量将达到 9000 万片,2020-2025 年 CAGR 达 19%;5G 模组渗透率 提升,佐思汽研预计 2025 年中国车载 5G 无线通信模组的装配率达到 35%左右。

由于车规级产品对实施传导、安全性、稳定性等各方面性 能要求相比消费级、工业级产品更为严苛,同时 5G 车规级模组集成 度进一步提升,车载模组尤其是 5G 车载模组单产品价值量更高。未 来智能网联 汽车 将逐渐普及,车载模组渗透率持续提升,行业有望迎 来量价齐升的发展机遇。

公司具备完整的车载模组产品线,覆盖 5G、 LTE、C-V2X、Wi-Fi6 和高精度 GNSS 定位等前沿技术,基于全球领 先的车规级平台研发了丰富的产品,契合 汽车 厂商对智能 汽车 升级换 代的技术连续性需求。公司与高通等领先的芯片厂商合作,推出的产品与上游芯片面世时间相差较短,可保证客户最新车型在技术上处于 领先优势;

公司量产经验丰富,已为全球超过 60 家主流 Tier 1 供应商 和 30 多家知名整车厂提供车载前装和后装智能连接设计,主要应用于 T-BOX、车载导航系统等场景中,在全球已交付量产项目近 50 个。公 司国内 4G 通信模组市场份额排名第一,伴随着智能 汽车 景气度的高 增,车载模组市场将为公司打开长期增长空间。

LoRa

LoRa(长 距离)是由Semtech公司开发的一种技术,典型工作频率在美国是915MHz,在欧洲是868MHz,在亚洲是433MHz。LoRa的物理层 (PHY)使用了一种独特形式的带前向纠错(FEC)的调频啁啾扩频技术。这种扩频调制允许多个无线电设备使用相同的频段,只要每台设备采用不同的啁啾和 数据速率就可以了。其典型范围是2km至5km,最长距离可达15km,具体取决于所处的位置和天线特性。

LoRa芯片在整个产业链中处于基础核心地位,重要性不言而喻。值得注意的是,目前美国Semtech公司是LoRa芯片的核心供应商,掌握着LoRa底层技术的核心专利。而Semtech的客户主要有两种,一是获得Semtech LoRa芯片IP授权的半导体公司;二是直接采用Semtech芯片做SIP级芯片的厂商,包括微芯 科技 (Microchip)等。

Wi-Fi

Wi-Fi被广泛用于许多物联网应用案例,最常见的是作为从网关到连接互联网的路由器的链路。然而,它也被用于要求高速和中距离的主要无线链路。

大多数Wi-Fi版本工作在24GHz免许可频段,传输距离长达100米,具体取决于应用环境。流行的80211n速度可达300Mb/s,而更新的、工作在5GHz ISM频段的80211ac,速度甚至可以超过13Gb/s。

一 种被称为HaLow的适合物联网应用的新版Wi-Fi即将推出。这个版本的代号是80211ah,在美国使用902MHz至928MHz的免许可频段, 其它国家使用1GHz以下的类似频段。虽然大多数Wi-Fi设备在理想条件下最大只能达到100米的覆盖范围,但HaLow在使用合适天线的情况下可以远达1km。

80211ah 的调制技术是OFDM,它在1MHz信道中使用24个子载波,在更大带宽的信道中使用52个子载波。它可以是BPSK、QPSK或QAM,因此可以提供宽 范围的数据速率。在大多数情况下100kb/s到数Mb/s的速率足够用了——真正的目标是低功耗。Wi-Fi联盟透露,它将在2018年前完成 80211ah的测试和认证计划。

针对物联网应用的另外一种新的Wi-Fi标准是80211af。它旨在使用从54MHz到698MHz范围内的电视空白频段或未使用的电视频道。这些频道 很适合长距离和非视距传输。调制技术是采用BPSK、QPSK或QAM的OFDM。每个6MHz信道的最大数据速率大约为24Mb/s,不过在更低的 VHF电视频段有望实现更长的距离。

ZigBee

ZigBee,也称紫蜂,是一种低速短距离传输的无线网上协议,底层是采用IEEE 802154标准规范的媒体访问层与物理层。主要特色有低速、低耗电、低成本、支持大量网上节点、支持多种网上拓扑、低复杂度、快速、可靠、安全。ZigBee是物联网的理想选择之一。

虽然ZigBee一般工作在24GHz ISM频段,但它也可以在902MHz到928MHz和868MHz频段中使用。在24GHz频段中数据速率是250kb/s。它可以用在点到点、星形和网格配置中,支持多达254个节点。与其它技术一样,安全性是通过AES-128加密来保证的。ZigBee的一个主要优势是有预先开发好的软件应用配 置文件供具体应用(包括物联网)使用。最终产品必须得到许可。

ZigBee技术所采用的自组织网是怎么回事?举一个简单的例子就可以说明这个问题,当一队伞兵空降后,每人持有一个ZigBee网络模块终端,降落到地面后,只要他们彼此间在网络模块的通信范围内,通过彼此自动寻找,很快就可以形成一个互联互通的ZigBee网络。而且,由于人员的移动,彼此间的联络还会发生变化。因而,模块还可以通过重新寻找通信对象,确定彼此间的联络,对原有网络进行刷新。这就是自组织网。

NB-IoT

窄带物联网(Narrow Band Internet of Things, NB-IoT)成为万物互联网络的一个重要分支。NB-IoT构建于蜂窝网络,只消耗大约180KHz的带宽,可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络,以降低部署成本、实现平滑升级。

NB-IoT是IoT领域一个新兴的技术,支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接,也被叫作低功耗广域网(LPWAN)。NB-IoT支持待机时间长、对网络连接要求较高设备的高效连接。据说NB-IoT设备电池寿命可以提高至少10年,同时还能提供非常全面的室内蜂窝数据连接覆盖。

蓝牙50

蓝牙是一种无线传输技术,理论上能够在最远 100 米左右的设备之间进行短距离连线,但实际使用时大约只有 10 米。其最大特色在于能让轻易携带的移动通讯设备和电脑,在不借助电缆的情况下联网,并传输资料和讯息,目前普遍被应用在智能手机和智慧穿戴设备的连结以及智慧家庭、车用物联网等领域中。新到来的蓝牙 50 不仅可以向下相容旧版本产品,且能带来更高速、更远传输距离的优势。

物联网由于牵涉广泛,面对不同的应用情境也会需要不同的联网型态,而整个物联网市场又被视为下一波的技术发展浪潮,故也让各种通讯组织纷纷为其制定新标准,例如蓝牙联盟的BluetoothLE,LTE的LTE-M、NB-LTE等等,都是为此而生的标准,另外像是车联网也有如80211p等,而WiFi联盟又宣布一个针对低功耗物联网的标准,称之为WiFiHaLow,基于80211ah规范,虽预计2018年才开始验证,不过应该可见不久的未来就会出现"准"WiFiHalow技术的终端商品或是晶片现身。

WiFiHaLow的应用是针对较低功耗的领域,主要的特色是极为省电,但同时可穿墙以及具备较长的传输距离,针对包括智慧家庭、医护、车载、工业、零售、农业等领域,所使用的频段为900MHz(非授权频段) 以及既有WiFi之24GHz、5GHz频段 ,主打传输距离约为一般WiFi一倍以上,但未强调传输速度,可视为以穿墙以及低功耗为优先的技术标准;另在技术布局方面,WiFi联盟则是希望WiFiHaLow与现有的WiFi以皆为IP网路架构的特色,作为简化物联网架构的战略。

当然如此一来WiFiHaLow在某些方面就与蓝牙联盟预计在2016年的技术蓝图相当接近,可视为这是WiFi联盟想要再次与蓝牙联盟互抢的标准,毕竟蓝牙联盟在公布Bluetooth30时,也针对高速传输曾以80211为基础宣布Bluetooth30+HS标准,对于长期以80211规范做为技术基础的WiFi联盟也很不是滋味。

WiFi联盟,

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另一家基于蓝牙技术推出的无源物联网方案的公司为Atmosic,是一家创新型无晶圆厂半导体公司,该公司宣称在超低功耗射频、射频唤醒和受控能量收集三大技术方面发力。 其中,超低功耗射频技术是在蓝牙5平台上实现了超低功耗射频功能;射频唤醒技术是为射频提供了轻度休眠模式和深度休眠模式两套感知系统;受控能量收集技术目的是保证功能稳定可用,同时最大限度减少设备和系统对电池电源的依赖。在三大技术支持下,Atmosic目前有两款蓝牙芯片产品,其中其M3系列产品综合应用这三大技术,支持无电池状态下的运行。目前,该公司产品已用于医疗、穿戴设备等领域。

基于WiFi和LoRa的无源物联网创新,笔者在《彻底抛弃电池,5G支持无源物联网,比NB-IoT影响更广泛的技术要来了?》一文中也进行了介绍,主要源于 美国华盛顿大学电子工程学院的研究人员提出了通过对射频信号的反射调制技术来实现无源设备供电和传输数据。 在这一技术指引下,该研究团队研发除了Passive WiFi的无源技术,并进一步将该技术用于LoRa中,实现数百米长距离无源节点传输。

上月, 华为常务董事、ICT产品与解决方案总裁汪涛在一次公开演讲中,提出了面向55G的无源物联网设想,希望5G网络能将无源物联网纳入其中,5G无源物联网的 探索 开始。

虽然无源物联网会带来海量的连接规模,但目前相关技术还并不成熟,接下来可能会经过百家争鸣阶段,随着商用落地,部分技术会形成事实标准,在此之后推动无源物联网规模快速扩展。从目前看,无源物联网发展还是非常分散,正如LPWAN发展历程一样,这一过程也需要很长时间,建立产业生态更为关键。

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物联网相关术语:6LoWPAN、高级加密标准、应用程序编程接口、信标技术、大数据、低能耗蓝牙、云计算、Firmware-Over-The-Air、网关。

1、6LoWPAN

IPv6(当前的互联网协议)和低功耗无线个人区域网络的融合,允许功率受限的物联网设备直接访问TCP/IP互联网。这意味着即使最小最弱的物联网设备也可以连接。

2、高级加密标准

这是一个电子数据加密规范,自2001年以来一直是物联网设备传输层安全的标准。

3、应用程序编程接口

一种加速计算机与硬件/软件平台之间通信的方法。

4、信标技术

这允许小型网络发射器与使用低功耗蓝牙的系统进行交互。苹果的版本叫做iBeacon。

5、大数据

大量的信息,包括结构化的和非结构化的,从大量来源收集并以极快的速度传递。这些信息是原始数据,供分析人员为企业和其他组织设计更明智的战略。物联网是大数据的巨大来源。

6、低能耗蓝牙

一种无线的个人区域网络,其特点是低功耗和有限的数据传输范围。它也被称为蓝牙40。

7、云计算

通过网络连接并用于数据存储、处理和管理的远程服务器,而不是依赖于本地的内部物理服务器。

8、嵌入式软件

控制通常不被认为是计算机的硬件设备和系统的计算机软件,例如智能冰箱。

9、Firmware-Over-The-Air

该技术也被称为FOTA,允许移动设备上的软件和服务的远程无线安装、维修和升级。

10、网关

这是任何设备,收集信息从不同的网络点,并发送信息到另一个网络。

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