嵌入式开发人员的射频频段和协议选择——第 1 部分

本系列文章包括两部分,第 1 部分讨论嵌入式系统设计人员可选择的各种无线连接,并提供了一些相关示例。第 2 部分将更详细地讨论无线模块的特性,并深入了解如何有效地使用这些模块。

 
嵌入式设备主要由嵌入式处理器、相关支撑硬件和嵌入式软件系统组成,它是集软硬件于一体的可独立工作的"器件"。嵌入式系统是一种"完全嵌入受控器件内部,为特定应用而设计的专用计算机系统",根据英国电气工程师协会的定义,嵌入式系统为控制、监视或辅助设备、机器或用于工厂运作的设备。
 
过去,嵌入式设备和系统一直是独立的,采用插入式有线接口进行数据交换和维护。现在,设计人员面临的压力越来越大,他们需要增加无线接口以将系统或设备连接到其他系统或物联网 (IoT)。
 
虽然随着芯片技术的进步和新接口的推出,增加无线连接变得更为实用和更具成本效益,但缺点是要从一系列不断扩展且容易混淆的可用协议、传输范围能力和数据速率中进行选择。这使得设计人员难以为特定应用做出正确选择。
 
为了帮助设计人员更快地锁定实际解决方案,本文比较并总结了嵌入式设计的十种无线网络选择,并提供了三种完全不同的无线模块示例。
 
无线接口评估标准
 
对于大多数嵌入式设计而言,传输范围、成本和功耗可能是最重要的标准。在传输范围方面,各无线网路选择差别很大:
 
近场通信 (NFC) 的传输距离仅有几厘米。
 
蓝牙和 Zigbee 使用的功耗极低,传输距离只有几米。
 
基于 802.11 的 Wi-Fi 无线电可以在数百米范围内直接接入无处不在的互联网基础设施。
 
窄带物联网 (NB-IoT) 使用已获许可的蜂窝基础设施,可跨越数千米传输无线数据。
 
LoRaWAN 和 Sigfox 是针对物联网设备的低功率、长距离无线选项,传输距离同样可达数千米,但是在公共频带内工作。
 
图 1 是一张将几种此类协议放置在带宽/范围维度上进行对比的简图。
嵌入式开发人员的射频频段和协议选择——第 1 部分
图 1:几种无线协议的范围(单位:米到千米)与带宽(单位:比特每秒到兆位每秒)对比的概念图。
 
除了传输范围、成本和功耗之外,还有两个额外标准需要考虑。首先是应用是否需要一个板载应用处理器。有些无线模块能仿真应用处理器操作,并使用与像 Arduino Uno 这样热门开发板一样的开发工具。另一些无线模块有自己的架构和开发生态系统。还有一些则完全没有板载处理功能。
 
如果无线模块仅实现主机处理器的通信,则主机处理器与无线模块之间的接口会成为一个重要考虑因素。用户在这方面有很多选择,包括 I2C、SPI 或 UART 等串行协议。另一种可能性是 Arduino I/O 针座——很多模块都可用作 Arduino 盾板。但是,这些串行接口和 Arduino I/O 针座速度较慢,将不支持更高的数据速率。更快的数据速率要求诸如 PCIe 的更快接口。
 
以下表格内容按字母表排序,列出了适用于嵌入式设计的十种常见无线网络协议和基本选择标准。
 
无线标准功率传输范围(典型)数据速率蓝牙中1 至 100 m1 至 3 Mbps低功耗蓝牙较低> 100 m125 kbps 至 2 MbpsLoRaWAN低10 km0.3 至 50 kbpsNB-IoT低< 35 km20 kbps 至 5 MbpsNFC低< 10 cm106 至 424 kbpsSigfox低3 至 50 km100 至 600 bps6LoWPAN低100 m0 至 250 kbps802.11/Wi-Fi中100 米至数千米(带增幅器)10 至 100+ Mbps802.15.4/Zigbee低10 至 100 m20 至 250 kbpsZ-Wave低15 至 150 m9.6 至 40 kbps
表 1:各嵌入式无线通信标准之比较。
 
其中一些无线协议,如 Wi-Fi、蓝牙、低功耗蓝牙 (LE) 和 NFC 已广泛用于手机和笔记本电脑。实现这些协议所需的 RF IC 和模块相当普及,发货数量以亿计,其成本已变得相对较低。以下是对上表中所列每个无线标准的简要概述:
 
蓝牙:蓝牙最初开发的目的是,实现手机与配套设备的无线连接。现在,它已成为一种实用的无线协议,适用于需要较短传输距离和 1 至 3 兆位每秒 (Mbps) 中等数据带宽的低功耗应用。由于已开发出大量数据协议和规格,蓝牙射频模块可相对容易地集成到嵌入式应用中。
 
低功耗蓝牙:与传统蓝牙相比,低功耗蓝牙在保持类似通信范围的同时,大幅降低了功耗和成本。它面向的是医疗保健、健身、位置信标、安全和家庭娱乐领域的新应用。
 
LoRaWAN:LoRaWAN 适用于区域性、全国性或全球性网络中的电池供电型无线设备,旨在满足物联网关键需求——通过广泛地域内的移动和本地化服务提供安全、低功耗、双向通信。LoRaWAN 规范是一个介质访问控制 (MAC) 层,可覆盖从像 Globalsat 这样的卫星网络到地面公共和专用网络的各种物理层 (PHY) 协议。LoRaWAN 无需本地网络支持即可在物联网设备之间提供无缝、长距离的互配性。
 
窄带物联网:窄带物联网 (NB-IoT) 是由第三代合作伙伴计划 (3GPP) 标准化的一系列移动物联网 (MIoT) 技术之一,旨在连接各种设备并推动采用蜂窝电信频段的服务。NB-IoT 使用正常 LTE 载波内的资源块,部署在分配给 4G LTE 蜂窝网络的蜂窝频谱的“频带内”,或部署在 LTE 载波保护频带内的未使用资源块内。
 
NFC:对于手机等便携式设备,NFC 提供了一套标准化通信协议,支持两个电子设备近距离通信(通常小于 10 厘米),因此它完全属于短距离连接。NFC 经常用于金融交易,例如非接触式支付系统和电子移动票务。由于 NFC 的通信距离较短,两个 NFC 通信设备中的一个通常是手持式和便携式设备。否则,只需一对电线通常就能提供更便宜、更简单的通信链路。
 
Sigfox:电表或智能手表等低功耗物件需要间歇性开启,并且需要采用电池供电数年甚至数十年之久,这类器件可使用 Sigfox 专有的远程无线接口,偶尔将少量数据发送到云端。
 
6LoWPAN:6LoWPAN 是“IPv6 低功耗无线个人局域网 (IPv6 over Low-Power Wireless Personal Area Networks)”的缩写形式,其理论基础是:互联网协议 (IP) 可以并应该适用于即便是最小的设备。6LoWPAN 协议允许处理能力有限的低功耗设备通过定义各种机制来参与物联网,这些机制允许通过基于低复杂度 IEEE 802.15.4 PHY 和 MAC 层的无线电网络,发送和接收 Ipv6 数据包(IEEE 802.15.4 也是 Zigbee 低功耗射频网状网络和多种其他协议的基础)。
 
802.11/Wi-Fi:Wi-Fi 无线电无所不在、速度超群,且具备原生 IP 支持,可相对容易地集成到嵌入式设计中,将设备直接连接到物联网。
 
802.15/Zigbee:IEEE 802.15.4 标准规定了低数据速率无线个人局域网 (WPAN) 的 PHY 和 MAC 层。Zigbee 基于 802.15.4 标准构建,采用无线协议,旨在建立链接传感器和控制器的中型或大型网状网络。目前获得 Zigbee 认证的产品超过 2,500 种,已出货产品超过 3 亿件。
 
Z-Wave:Z-Wave 是一种易于实现的低速无线协议,允许各种家用电子设备使用可靠的低功耗无线协议进行互通,该协议可轻松穿过墙壁、地板和机柜。Z-Wave 是由一家供应商开发的专有协议,需要使用许可。目前,Z-Wave 联盟有 700 多家会员公司,提供 2400 多种无线连接“智能”产品,如电器、窗帘、恒温器和家用照明设备。
 
目前,这些无线协议中的大多数是已通过区域标准认证的即用型模块,能让嵌入式设计人员更加轻松地为其设计增加所需的无线通信。虽然本文第 2 部分会提供许多此类模块的示例和说明,但作为预热,下面列出三种完全不同的无线协议模块:
 
Adafruit 的 3320 ESP-WROOM-32
 
ESP-WROOM-32 是一款内置处理器的 Wi-Fi/蓝牙/低功耗蓝牙模块,适用于从低功耗、低数据速率传感器网络到以更高数据速率运行的更严苛任务的各种应用,包括语音编码、音乐流媒体和 MP3 解码。该模块尺寸仅为 25.2 x 18 毫米,但配备 32 位双核处理器,可在必要时充当主机控制器。它还可以使用各种接口(包括 SPI 和 I2C)以无线方式启用另一个作为从设备工作的 CPU。
嵌入式开发人员的射频频段和协议选择——第 1 部分
图 2:Adafruit 的 3320 ESP-WROOM-32 ESP32 Wi-Fi-BT-BLE MCU 模块,运行速度达 150 Mbps。
 
Advantech Corp. 的 EWM-W151H01E 802.11b/g/n 1T Mini PCIe 卡
半尺寸 EWM-W151H01E 1T Mini PCIe 卡采用 IEEE 802.11b/g/n Wi-Fi 标准,工作数据速率高达 150 Mbps。该卡采用插入式 Mini PCIe 外形尺寸及 Windows 和 Linux 驱动程序,这意味着该卡模块最适合嵌入式 PC(x86 处理器)设计。
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