R. Beddor（Microchip公司）
摘 要：概述物联网运用中最常用的六种衔接办法类型。
关键词：物联网；衔接；以太网；Wi-Fi；LPWAN
0 导言
假如您正在在线阅览本文，则很或许是经过蜂窝网络、Wi-Fi或以太网完成网络衔接的。虽然这些衔接办法在消费类电子产品中广泛运用，但与物联网（IoT）边际节点并无太多相关。与消费类产品不同，大多数边际设备不用查看电子邮件（很走运）或播映流媒体电影，因而这些设备无需高数据速率。
物联网解决方案一般衔接成百上千个边际设备（如图1）。跟着更多边际设备的参加，本钱和电源办理等常见的规划束缚也越来越多。在这种规划下，产品与互联网的衔接办法将决议解决方案的成功与否。
本攻略将概述物联网运用中最常用的衔接办法类型。请依照辅导权衡您的挑选，确认如安在物联网规划中增加“物”。
1 以太网
以太网是一种将“物”衔接到“网”的快速牢靠的办法。以太网常见于工业和楼宇主动化职业，特别适用于在同一网络中包含许多节点的体系。
由于以太网选用硬接线办法，因而本质上也是一种十分安全的衔接办法。还可以运用以太网电缆，经过以太网供电（PoE）办法为设备供电，这样便无需再运用独自的电源模块。
可是，硬接线的确带来了巨大的规划应战，而且并非适用于一切运用。经过以太网衔接的节点有必要接近路由器。即便在家庭和楼宇主动化等短距离运用中，以太网电缆的规划也相同巨大，怎么办理和躲藏缆线是一项严重应战。在现代修建中，主动照明体系在施工时运用硬接线办法，可是在未选用相关规划的修建中装置以太网物联网体系一般是不可行的。
2 Wi-Fi衔接
作为互联网衔接的必备东西，Wi-Fi的无线特性极具吸引力。Wi-Fi遭到干流设备的广泛支撑，而且不像以太网相同存在硬接线约束。
虽然具有普适性，可是将Wi-Fi功用增加到嵌入式规划中一般很杂乱。Wi-Fi之所以有吸引力是由于其无需接线且速度很快（如图2），但这种办法也存在安全漏洞和功耗问题。因而，进行根据Wi-Fi的物联网规划时，工程师需求在安全性、功耗和本钱方面精心权衡。
走运的是，现在已经有解决方案可以协助工程师霸占这些妨碍。运用针对物联网优化的Wi-Fi模块有助于简化规划并节约开发时刻。比如WINC1500等模块经过全面认证，支撑安全协议，而且针对电池供电设备进行了优化，可在不影响本钱和功耗的前提下完成Wi-Fi衔接。
3 低功耗广域网（LPWAN）
LPWAN在消费类产品中不太常见，因而您或许并不了解。物联网运用的很大一部分是广域运用，例如环境监控。
运用物联网进行环境监控的优势在于，咱们可以监控村庄（如图3）、近海和一般无法进入的区域。而问题就在于这些地址坐落村庄、近海和一般无法进入的区域，您无法给漂浮在马里亚纳海沟中的设备快速充电，也无法在莫哈韦沙漠里衔接到Wi-Fi。
典型的LPWAN运用规模约为10 km左右。数据传输速度十分慢，可是，除非您的物联网解决方案在查看电子邮件或播映流媒体视频，不然您不太或许需求高速衔接。
虽然常用于农业和偏僻区域，但LPWAN并不限制于此。LPWAN在城市中的利用率正不断增加，例如用于盯梢拍卖场中车辆的LPWAN运用已成为北美最大的商用物联网布置之一。
有两种常用的LPWAN协议：LoRaWAN（源自长距离，也称为LoRa）和Sigfox。两者之间的一大差异是本钱。Sigfox是一项根据订阅的服务，其作业办法与蜂窝网络相似。假如Sigfox在您的区域可用，则可以经过订阅本地供货商的服务完成衔接。运用LoRaWAN时，开发人员可以经过创立“自助式”网络来省去订阅费用，可是大多数人仍会挑选运用本地网络供货商的LoRa网关根底架构并按用量付费。
4 蜂窝网络
除了乡村深处和偏僻区域，蜂窝网络可以掩盖其他一切当地。关于需求此类掩盖规模的嵌入式体系，蜂窝网络是仅有的挑选。可是蜂窝网络十分贵重。您有必要挑选网络供货商，而且只要在经过政府监管部门同意后才干树立自己的网络。关于每个节点来说，嵌入式组件和供货商订阅的昂扬本钱一般会抵消蜂窝网络广泛的掩盖规模所带来的优势。
也就是说，您需求权衡运用蜂窝网络衔接“物”和每月为手机服务付费的利害。物联网专用的蜂窝网络正如漫山遍野般鼓起，与LPWAN构成竞赛之势。LTE CAT-M是一种快速开展的物联网蜂窝网络。其 中“M”代表“机器”，该网络针对物联网进行了优化，是一种速度、本钱和功耗更低的解决方案。不 过，您的手机费用或许会很高，CAT-M方案的收费规范约为每月7美元，仅供给5 MB的数据。蜂窝网络物联网衔接的其他选项还包含CAT-0、CAT-1和新推出的NB-IoT（NB表明“窄带”）。
5G的推出有望推进物联网范畴的立异。虽然5G的价格要比面向物联网的网络更高，但其更快的速度可以进一步推进顶级物联网运用（例如主动驾驶轿车）的开展。5G的掩盖规模远远不及LTE或3G，但仍在不断扩展。一些职业分析师猜测，在未来五年内，5G的运用量将占到全球人口的20%。
5 卫星
蜂窝网络可以掩盖大多数人口稠密的区域，但 是，要如安在偏僻荒芜的区域完成网络衔接呢？
卫星衔接可用于物联网运用，例如蜂窝服务无法掩盖的地球偏僻区域的运送物流。虽然跟着卫星技能的开展，状况有望发生改变，可是开发卫星物联网运用并不像开发其他衔接选项那样简略（如图4）。
许多卫星星座会留作国防用处，但您可以从Iridium和ORBCOMM处购买相关模块。
6 Bluetooth衔接
关于蓝牙您或许并不生疏。Bluetooth Classic（蓝牙经典）和Bluetooth Low Energy（BLE，蓝牙低功耗）的最大规模均在100 m以上，但一般用于相距不超越几米的设备。日常日子中，蓝牙在手机和电脑配件中随处可见，广泛运用于耳机、键盘和显现技能。
得益于低功耗（BLE的功耗特别低）、广受支撑而且可以快速配对的特性，蓝牙十分合适消费类电子产品。
与Wi-Fi不同，蓝牙不会直接衔接到互联网。您需求设置网关才干接入互联网。虽然自行设置网关听起来很费事，但一般操作起来就像运用手机衔接Wi-Fi相同简略。
最近更新的蓝牙5.0版别扩展了蓝牙的规模，可以在家庭局域网中运用。虽然Bluetooth Classic和Bluetooth LE一般用于衔接仅相距数米的设备，但整个家庭都可以经过蓝牙5.0完成互联。运用规模的扩展协助蓝牙成功进军家庭主动化、照明和工业运用范畴。
7 主张
这些衔接办法的首要改变趋势是简化施行进程。Wi-Fi和蓝牙等常用网络一般是评价和探究IoT规划的最简略办法。这些网络无需自行建立网关或向供货商付费。
顾客可以运用多种Wi-Fi和蓝牙原型模块，其间许多都供给开源代码和编程教程。咱们主张运用衔接模块，由于这样会使规划愈加灵敏。当需求针对不同的网络调整规划时，您可以替换模块而不用从头开始。
8 简化规划流程
衔接到互联网仅仅物联网规划流程的一部分。物联网体系应具有3个元素：智能、衔接和安全。
这些元素别离对应于3个电气元件：单片机（MCU）、衔接模块和安全元件。物联网规划的应战在于怎么集成上述三种元件。
1）Microchip的AVR-IoT WG开发板是精简型Wi-Fi开发渠道的一个示例。这款开发板经过预先装备，可以安全衔接到Google Cloud的物联网渠道。经过将安全元件、Wi-Fi控制器和MCU集成在同一块开发板上，您可以省去许多细碎的规划作业，直抵问题中心：以立异和快速的办法将物联网产品推向市场。
2）Arduino Uno WiFi Rev 2相同可以供给智能、衔接和安全元素。Arduino具有一个活泼的原型规划社区，在线供给了许多运用教程和开源代码。
3）MikroElektronika click boards是快速原型规划模块（如图5），可直接衔接到AVR-IoT WG开发板，或经过Arduino Uno WiFi R2的Shield板完成衔接。这款模块供给多个衔接click板（包含各种LoRa和蓝牙模块），是在原型规划阶段向物联网规划中增加衔接的得力助手。
4）Arduino和AVR-IoT WG开发板等用户友爱型东西明显降低了构建物联网设备的难度。不管您是嵌入式规划人员、制造商仍是仅仅一个对此范畴感兴趣的电子博客粉丝，您都可以构建物联网网络。这种强壮的可拜访性以及日益互联互通的国际，保证了衔接将以史无前例的办法持续推进职业前进。
本文来源于科技期刊《电子产品国际》2020年第02期第22页，欢迎您写论文时引证，并注明出处。
