干货资讯主流低功耗无线通信技术应用及前景

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近年来,无线技术发展迅速,尤其是在消费场景,各种应用层出不穷。 本文主要讨论主流低功耗无线技术的应用和前景。

按通信距离和组网方式分为局域网和广域网。 从应用场景来看,分为高速率多媒体音视频、中速率无线音频流、低速率控制传感数据。 这些标准各有所长,在各自领域发挥着重要作用,共同构建了丰富动人的现代信息世界。

随着智能设备数量的快速增加,越来越多的设备需要具备联网功能。 据预测,到2020年,将有超过300亿台设备具备与其他设备的无线通信能力。 其中,占比最大的是低功耗无线局域网设备。

以智能配件为例,越来越多的设备支持蓝牙协议。 蓝牙协议分为经典蓝牙和低功耗蓝牙。 经典蓝牙适用于音频流媒体传输,例如无线耳机、麦克风等。 低功耗蓝牙适用于需要与智能手机直接连接的遥控器、手环、灯、家电等。 并接收设备的控制权。 预计2019年蓝牙设备数量将超过44亿,其中低功耗蓝牙占绝大多数。

在组网方式上,蓝牙采用星型网络,以手机或电脑为中心,其他设备通过蓝牙协议连接到中心(图1)。 这种组网方式的优点是简单易用,组网方式清晰直观。 用户可以通过非常简单的连接逻辑来配对和使用设备。

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图 1. 蓝牙星型网络连接

目前,低功耗蓝牙的最新版本规范为BLE 4.2和BLE 5.0。 在BLE 4.2规范中,增强了安全机制,这对于涉及电子支付和安全应用的应用是非常有必要的。 在BLE 5.0规范中,增加了2Mbps模式,这对于数据传输速率来说是一个很大的提升。 此外,还添加了一些新功能。 作为领先的半导体公司,恩智浦在低功耗蓝牙领域的最新产品可支持BLE4.2规范和BLE 5.0,广泛应用于消费、工业、医疗等众多领域。

随着智能家居的发展,这种星型组网方式也暴露了其局限性。 因此,需要一种新的组网方式,即Mesh网络(网格网络)。 在Mesh网络中,数据可以在节点之间直接传输,有效提高工作效率,在复杂的室内环境下提供更好的性能。

目前,蓝牙组织最新的Mesh协议(以下简称BLE Mesh)是一种基于网络洪泛的协议,主要是因为这种洪泛方式简单、易于实现。 但这种实现方式也有优点也有缺点,因为是网络洪泛,不利于节点的低功耗优化,也不利于节点数量的大规模增加。

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图2. 蓝牙Mesh网络连接拓扑图

在低功耗无线Mesh网络中,还有另一种标准,称为Zigbee。 Zigbee 是一种天然的网状网络。 与BLE Mesh网络的不同之处在于Zigbee是基于路由协议的,这一点比BLE Mesh更好。 我们看到Zigbee在当前很多物联网应用中大放异彩。 例如亚马逊的最新产品echo plus就完全支持Zigbee,可以直接用来控制灯等其他Zigbee设备。

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图 3.亚马逊 echo plus。

Zigbee 的最新版本是zigbee 3.0。 该版本将互操作性和兼容性提升到了新的水平,为智能家居等应用做好了充分准备。

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图4 Zigbee协议框架图

还有另一个与 Zigbee 类似的标准,称为 Thread。 可以看到Thread和Zigbee使用相同的物理层,即IEEE802.15.4。 与Thread不同的是,它基于IPv6路由协议,每个节点都有一个IPv6地址。 这样做的好处是节点可以很容易地被云寻址。

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图5. Thread协议框架图

对于Zigbee和Thread协议,NXP都提供了相应的单芯片解决方案,甚至提供了可以在同一芯片上同时运行Zigbee/Thread和低功耗蓝牙协议的多模式解决方案。 这种双模设计为产品设计提供了更加灵活的方式。 例如,对于门锁应用,客户可以通过手机上的蓝牙连接到门锁来执行开锁操作。 出门后,门锁可以通过Zigbee网络接入家庭网关,访问云服务,实现远程门铃、安防等多种应用。

除了上述低功耗无线局域网协议外,还有几种低功耗广域网技术,例如NB-IoT和LoRa。

NB-IoT主要利用运营商基站提供低功耗、低速率的连接。 它在智慧城市中有大量的应用场景,如路灯、水电表抄表、车辆管理等。目前,在国内运营商的推动下,部分城市已经开展了规模化的商业运营,并取得了良好的效果。结果。

LoRa技术需要用户搭建自己的基站。 但由于采用了先进的信道编码技术,LoRa节点的接收灵敏度可以达到-142dBm,可以在超低功耗下实现远距离通信。 最远通讯距离可达30公里。 对于LoRa应用,恩智浦可以提供低功耗MCU来运行其软件协议栈。

万物互联,安全第一。

当物联网的节点数量达到惊人的程度时,安全问题必将成为关键一环。 解决安全问题要综合考虑很多方面,比如增加安全认证芯片、引入防反汇编技术、增加安全启动、加密通信等。

展望未来,

未来的世界一定是一个完全互联的世界,人类可以通过各种设备无缝接入。 传感器节点需要低功耗、Mesh网络、安全性、IP可寻址性以及一定的节点计算能力来实现边缘计算。 云需要基于人工智能来实现数据建模和分析,最终做出决策和执行。 。

就低功耗无线网络而言,应用场景的复杂性决定了没有一个网络能够适合所有场景。 在未来很长一段时间内,本文提到的各种标准将并存。

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