欢迎来到无线产品大杂烩:嵌入式开发人员的射频频段和协议选择,第 1 部分

网友投稿 267 2022-11-26

欢迎来到无线产品大杂烩:嵌入式开发人员的射频频段和协议选择,第 1 部分

编者按: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。

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:

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。

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

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。

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。

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。

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:

Advantech Corp.的EWM-W151H01E802.11b/g/n 1T Mini PCIe 卡

图 3:Advantech EWM-W151H01E 1T 半尺寸 Mini PCIe 卡,采用 IEEE 802.11b/g/n Wi-Fi 标准。(图片来源:Advantech)

总结

设计人员需要不断响应对其嵌入式系统设计的无线连接要求。然而,无线协议的数量不断扩大,造成了一定程度的混淆。

为了消除这种混淆,设计人员必须首先明确设计要求,然后利用上述论述,将这些设计要求与各种无线连接的范围、功率和数据速率规格快速进行匹配。这可以极大地简化并加快了从不断增长的无线产品大杂烩中挑选出合适产品的过程。

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