編者按：本系列文章包括兩部分，第 1 部分討論嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可選擇的各種無線連接，并提供了一些相關(guān)示例。第 2部分將更詳細(xì)地討論無線模塊的特性，并深入了解如何有效地使用這些模塊。

過去，嵌入式設(shè)備和系統(tǒng)一直是獨(dú)立的，采用插入式有線接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和維護(hù)。現(xiàn)在，設(shè)計(jì)人員面臨的壓力越來越大，他們需要增加無線接口以將系統(tǒng)或設(shè)備連接到其他系統(tǒng)或物聯(lián)網(wǎng) (IoT)。

雖然隨著芯片技術(shù)的進(jìn)步和新接口的推出，增加無線連接變得更為實(shí)用和更具成本效益，但缺點(diǎn)是要從一系列不斷擴(kuò)展且容易混淆的可用協(xié)議、傳輸范圍能力和數(shù)據(jù)速率中進(jìn)行選擇。這使得設(shè)計(jì)人員難以為特定應(yīng)用做出正確選擇。

為了幫助設(shè)計(jì)人員更快地鎖定實(shí)際解決方案，本文比較并總結(jié)了嵌入式設(shè)計(jì)的十種無線網(wǎng)絡(luò)選擇，并提供了三種完全不同的無線模塊示例。

無線接口評估標(biāo)準(zhǔn)

對于大多數(shù)嵌入式設(shè)計(jì)而言，傳輸范圍、成本和功耗可能是最重要的標(biāo)準(zhǔn)。在傳輸范圍方面，各無線網(wǎng)路選擇差別很大：

• 近場通信 (NFC) 的傳輸距離僅有幾厘米。

• 藍(lán)牙和 Zigbee 使用的功耗極低，傳輸距離只有幾米。

• 基于 802.11 的 Wi-Fi 無線電可以在數(shù)百米范圍內(nèi)直接接入無處不在的互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施。

• 窄帶物聯(lián)網(wǎng) (NB-IoT) 使用已獲許可的蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施，可跨越數(shù)千米傳輸無線數(shù)據(jù)。

• LoRaWAN 和 Sigfox 是針對物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的低功率、長距離無線選項(xiàng)，傳輸距離同樣可達(dá)數(shù)千米，但是在公共頻帶內(nèi)工作。

圖 1 是一張將幾種此類協(xié)議放置在帶寬/范圍維度上進(jìn)行對比的簡圖。

圖 1：幾種無線協(xié)議的范圍（單位：米到千米）與帶寬（單位：比特每秒到兆位每秒）對比的概念圖。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

除了傳輸范圍、成本和功耗之外，還有兩個(gè)額外標(biāo)準(zhǔn)需要考慮。首先是應(yīng)用是否需要一個(gè)板載應(yīng)用處理器。有些無線模塊能仿真應(yīng)用處理器操作，并使用與像ArduinoUno這樣熱門開發(fā)板一樣的開發(fā)工具。另一些無線模塊有自己的架構(gòu)和開發(fā)生態(tài)系統(tǒng)。還有一些則完全沒有板載處理功能。

如果無線模塊僅實(shí)現(xiàn)主機(jī)處理器的通信，則主機(jī)處理器與無線模塊之間的接口會(huì)成為一個(gè)重要考慮因素。用戶在這方面有很多選擇，包括 I2C、SPI 或 UART 等串行協(xié)議。另一種可能性是 Arduino I/O 針座——很多模塊都可用作 Arduino 盾板。但是，這些串行接口和 Arduino I/O 針座速度較慢，將不支持更高的數(shù)據(jù)速率。更快的數(shù)據(jù)速率要求諸如 PCIe 的更快接口。

以下表格內(nèi)容按字母表排序，列出了適用于嵌入式設(shè)計(jì)的十種常見無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和基本選擇標(biāo)準(zhǔn)。

無線標(biāo)準(zhǔn)功率傳輸范圍（典型）數(shù)據(jù)速率藍(lán)牙中1 至 100 m1 至 3 Mbps低功耗藍(lán)牙較低> 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 米至數(shù)千米（帶增幅器）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：各嵌入式無線通信標(biāo)準(zhǔn)之比較。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

其中一些無線協(xié)議，如 Wi-Fi、藍(lán)牙、低功耗藍(lán)牙 (LE) 和 NFC 已廣泛用于手機(jī)和筆記本電腦。實(shí)現(xiàn)這些協(xié)議所需的 RF IC 和模塊相當(dāng)普及，發(fā)貨數(shù)量以億計(jì)，其成本已變得相對較低。以下是對上表中所列每個(gè)無線標(biāo)準(zhǔn)的簡要概述：

藍(lán)牙：藍(lán)牙最初開發(fā)的目的是，實(shí)現(xiàn)手機(jī)與配套設(shè)備的無線連接?，F(xiàn)在，它已成為一種實(shí)用的無線協(xié)議，適用于需要較短傳輸距離和 1 至 3 兆位每秒 (Mbps) 中等數(shù)據(jù)帶寬的低功耗應(yīng)用。由于已開發(fā)出大量數(shù)據(jù)協(xié)議和規(guī)格，藍(lán)牙射頻模塊可相對容易地集成到嵌入式應(yīng)用中。

低功耗藍(lán)牙：與傳統(tǒng)藍(lán)牙相比，低功耗藍(lán)牙在保持類似通信范圍的同時(shí)，大幅降低了功耗和成本。它面向的是醫(yī)療保健、健身、位置信標(biāo)、安全和家庭娛樂領(lǐng)域的新應(yīng)用。

LoRaWAN：LoRaWAN 適用于區(qū)域性、全國性或全球性網(wǎng)絡(luò)中的電池供電型無線設(shè)備，旨在滿足物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵需求——通過廣泛地域內(nèi)的移動(dòng)和本地化服務(wù)提供安全、低功耗、雙向通信。LoRaWAN 規(guī)范是一個(gè)介質(zhì)訪問控制 (MAC) 層，可覆蓋從像 Globalsat 這樣的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)到地面公共和專用網(wǎng)絡(luò)的各種物理層 (PHY) 協(xié)議。LoRaWAN 無需本地網(wǎng)絡(luò)支持即可在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間提供無縫、長距離的互配性。

窄帶物聯(lián)網(wǎng)：窄帶物聯(lián)網(wǎng) (NB-IoT) 是由第三代合作伙伴計(jì)劃 (3GPP) 標(biāo)準(zhǔn)化的一系列移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng) (MIoT) 技術(shù)之一，旨在連接各種設(shè)備并推動(dòng)采用蜂窩電信頻段的服務(wù)。NB-IoT 使用正常 LTE 載波內(nèi)的資源塊，部署在分配給 4G LTE 蜂窩網(wǎng)絡(luò)的蜂窩頻譜的“頻帶內(nèi)”，或部署在 LTE 載波保護(hù)頻帶內(nèi)的未使用資源塊內(nèi)。

NFC：對于手機(jī)等便攜式設(shè)備，NFC 提供了一套標(biāo)準(zhǔn)化通信協(xié)議，支持兩個(gè)電子設(shè)備近距離通信（通常小于 10 厘米），因此它完全屬于短距離連接。NFC 經(jīng)常用于金融交易，例如非接觸式支付系統(tǒng)和電子移動(dòng)票務(wù)。由于 NFC 的通信距離較短，兩個(gè) NFC 通信設(shè)備中的一個(gè)通常是手持式和便攜式設(shè)備。否則，只需一對電線通常就能提供更便宜、更簡單的通信鏈路。

Sigfox：電表或智能手表等低功耗物件需要間歇性開啟，并且需要采用電池供電數(shù)年甚至數(shù)十年之久，這類器件可使用 Sigfox 專有的遠(yuǎn)程無線接口，偶爾將少量數(shù)據(jù)發(fā)送到云端。

6LoWPAN：6LoWPAN 是“IPv6 低功耗無線個(gè)人局域網(wǎng) (IPv6 over Low-Power Wireless Personal Area Networks)”的縮寫形式，其理論基礎(chǔ)是：互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議 (IP) 可以并應(yīng)該適用于即便是最小的設(shè)備。6LoWPAN 協(xié)議允許處理能力有限的低功耗設(shè)備通過定義各種機(jī)制來參與物聯(lián)網(wǎng)，這些機(jī)制允許通過基于低復(fù)雜度 IEEE 802.15.4 PHY 和 MAC 層的無線電網(wǎng)絡(luò)，發(fā)送和接收 Ipv6 數(shù)據(jù)包（IEEE 802.15.4 也是 Zigbee 低功耗射頻網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)和多種其他協(xié)議的基礎(chǔ)）。

802.11/Wi-Fi：Wi-Fi 無線電無所不在、速度超群，且具備原生 IP 支持，可相對容易地集成到嵌入式設(shè)計(jì)中，將設(shè)備直接連接到物聯(lián)網(wǎng)。

802.15/Zigbee：IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了低數(shù)據(jù)速率無線個(gè)人局域網(wǎng) (WPAN) 的 PHY 和 MAC 層。Zigbee 基于 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建，采用無線協(xié)議，旨在建立鏈接傳感器和控制器的中型或大型網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。目前獲得 Zigbee 認(rèn)證的產(chǎn)品超過 2,500 種，已出貨產(chǎn)品超過 3 億件。

Z-Wave：Z-Wave 是一種易于實(shí)現(xiàn)的低速無線協(xié)議，允許各種家用電子設(shè)備使用可靠的低功耗無線協(xié)議進(jìn)行互通，該協(xié)議可輕松穿過墻壁、地板和機(jī)柜。Z-Wave 是由一家供應(yīng)商開發(fā)的專有協(xié)議，需要使用許可。目前，Z-Wave 聯(lián)盟有 700 多家會(huì)員公司，提供 2400 多種無線連接“智能”產(chǎn)品，如電器、窗簾、恒溫器和家用照明設(shè)備。

目前，這些無線協(xié)議中的大多數(shù)是已通過區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證的即用型模塊，能讓嵌入式設(shè)計(jì)人員更加輕松地為其設(shè)計(jì)增加所需的無線通信。雖然本文第 2 部分會(huì)提供許多此類模塊的示例和說明，但作為預(yù)熱，下面列出三種完全不同的無線協(xié)議模塊：

Adafruit的3320ESP-WROOM-32

ESP-WROOM-32 是一款內(nèi)置處理器的 Wi-Fi/藍(lán)牙/低功耗藍(lán)牙模塊，適用于從低功耗、低數(shù)據(jù)速率傳感器網(wǎng)絡(luò)到以更高數(shù)據(jù)速率運(yùn)行的更嚴(yán)苛任務(wù)的各種應(yīng)用，包括語音編碼、音樂流媒體和 MP3 解碼。該模塊尺寸僅為 25.2 x 18 毫米，但配備 32 位雙核處理器，可在必要時(shí)充當(dāng)主機(jī)控制器。它還可以使用各種接口（包括 SPI 和 I2C）以無線方式啟用另一個(gè)作為從設(shè)備工作的 CPU。

圖 2：Adafruit 的 3320 ESP-WROOM-32 ESP32 Wi-Fi-BT-BLE MCU 模塊，運(yùn)行速度達(dá) 150 Mbps。（圖片來源：Adafruit）

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

半尺寸 EWM-W151H01E 1T Mini PCIe 卡采用 IEEE 802.11b/g/n Wi-Fi 標(biāo)準(zhǔn)，工作數(shù)據(jù)速率高達(dá) 150 Mbps。該卡采用插入式 Mini PCIe 外形尺寸及 Windows 和 Linux 驅(qū)動(dòng)程序，這意味著該卡模塊最適合嵌入式 PC（x86 處理器）設(shè)計(jì)。

圖 3：Advantech EWM-W151H01E 1T 半尺寸 Mini PCIe 卡，采用 IEEE 802.11b/g/n Wi-Fi 標(biāo)準(zhǔn)。（圖片來源：Advantech）

Digi International的XBC-V1-UT-001XBee 蜂窩 LTE Cat 1 模塊

Digi International Xbee 可編程射頻模塊系列的 XBC-V1-UT-001 蜂窩 LTE Cat 1 模塊以每月幾美元的價(jià)格連接到 Verizon 的 LTE 蜂窩網(wǎng)絡(luò)。它可以用作在 MicroPython 中編程的無線嵌入式控制處理器，也可以用作一個(gè)簡單的蜂窩調(diào)制解調(diào)器，并為其他嵌入式 CPU 提供了一個(gè) UART 連接。Digi International 還提供XKC-V1T-UXBee 4G 蜂窩開發(fā)套件，包括蜂窩調(diào)制解調(diào)器、電纜、電源以及將調(diào)制解調(diào)器的端口分接至連接器的載板。

圖 4：Digi International 的 XBC-V1-UT-001 Xbee 蜂窩 LTE Cat 1 無線電模塊，能將一個(gè)嵌入式系統(tǒng)加入 Verizon 的蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)，每月只需幾美元。（圖片來源：Digi International）

總結(jié)

設(shè)計(jì)人員需要不斷響應(yīng)對其嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的無線連接要求。然而，無線協(xié)議的數(shù)量不斷擴(kuò)大，造成了一定程度的混淆。

為了消除這種混淆，設(shè)計(jì)人員必須首先明確設(shè)計(jì)要求，然后利用上述論述，將這些設(shè)計(jì)要求與各種無線連接的范圍、功率和數(shù)據(jù)速率規(guī)格快速進(jìn)行匹配。這可以極大地簡化并加快了從不斷增長的無線產(chǎn)品大雜燴中挑選出合適產(chǎn)品的過程。