編者按：此三部曲系列文章的第 1 部分和第 2 部分介紹了常用無線技術選擇及其關鍵工作屬性和設計基礎。本文為第 3 部分，將介紹因應物聯網需求而興起的新技術。

在低功耗無線技術方面，用戶有很多選擇。但是，對低功耗無線技術的需求仍在持續增長，而行業也在對此進行積極應對。例如，關注各種無線技術的特殊興趣組織、聯盟和論壇目前都在致力于發展各種技術，以便它們更加適應蓬勃發展的物聯網 (IoT) 應用。

本文介紹了物聯網所要求的最重要的協議變更及其對設計項目的影響。請注意，前兩篇文章中介紹的幾種技術，如 IrDA、Nike+ 和 RF4CE，并不是面向物聯網的技術，因此在本文中不再討論。但有些新技術是專為滿足物聯網需求而開發的，特別是 Thread 和 Wi-Fi HaLow，它們在本文討論范圍之內。

建立連接

很多低功耗無線技術是在物聯網概念尚未完全形成之前設計的。例如，低功耗藍牙最初是為了將外圍設備（如心率帶、步程計）連接到中心單元（如運動手表或手機）而開發的。將數據從低功耗藍牙傳感器發送至遠程云服務器，并不是初始規范的目標。

整理并分析來自數千個微型無線傳感器的數據，將會成為物聯網的關鍵優勢，當這種趨勢變得十分明顯時，各種相互競爭的低功耗無線協議開始調整技術，以應對這種需求。

這些變更的關鍵是充分利用網關，將短程無線技術正確連接到互聯網。對于消費應用而言，智能手機可以很好地充當網關，而在商業或工業應用中，則可選擇 Wi-Fi 路由器或專有網關。網關在網絡應用層中工作，對來自低功耗無線網絡的數據進行分解，然后再進行重新組合，以便通過互聯網友好的 TCP/IP 協議棧進行傳輸。同樣，它也對來自互聯網的信息進行重新組合，并中繼到傳感器（圖 1）。

圖 1：ZigBee 網絡使用網關進行互聯網連接。信息可以雙向流動。（圖片來源：ZigBee.org）

或者，有些低功耗無線協議（例如 Thread）包括一個基于 IPv6 的低功耗無線個人區域網 (6LoWPAN) 適配層，介于 IEEE 802.15.4 鏈路層與駐留在節點自身上的 TCP/IP 堆棧之間。有了這樣的適配層，低功耗無線傳感器能夠直接與互聯網上的其他設備進行通信。這樣，更簡單的 IP 層邊緣路由器或網橋就可以取代成本昂貴的復雜網關，將傳感器數據傳送到云。

IP 層路由器也比網絡應用層網關更加靈活，因為連接的傳感器可在其他應用中修改或改進，而無需更改網關。

物聯網傳感器應用的第二個關鍵要求就是網狀網絡支持。有些低功耗無線技術，尤其是 ANT+ 和 ZigBee，從最初發布時就提供網狀網絡支持，而其他一些技術，例如低功耗藍牙，最近才開始提供網狀網絡支持。在網狀網絡上，設備能夠與連接到網絡的任何其他節點進行通信，而無需通過中心“樞紐”設備傳輸信息。網狀網絡擴展了傳輸距離，還提高了靈活性和冗余度，尤其適合物聯網應用。

針對物聯網的功能增強

下面，我們來了解一下每種無線協議是如何針對物聯網應用進行演進的。

近場通訊：初看起來，近場通訊 (NFC) 似乎與我們在此處討論的其他物聯網技術幾乎沒有共同之處。NFC 的傳輸距離和帶寬有限，無法形成網狀網絡。另外，NFC 無法將數據發送至云。

但是，這種技術將在物聯網中扮演關鍵角色，作為更主流的物聯網協議的補充，特別是用于將新設備連接到（“安全引入”）網絡并進行調試。

擴展物聯網的一個挑戰是，目前還沒有將物聯網傳感器連接到網絡并進行調試的行業標準。這導致的結果是專有解決方案迅猛增長。很多物聯網設備是“無頭”單元，沒有用戶界面，這使得調試變得更加混亂。

作為一種基于開放標準的可互操作的無線協議，NFC 提供了解決方案。例如，使用 NFC 可以顯著簡化無頭低功耗藍牙或 ZigBee LED 智能燈具的調試，將這些設備加入智能家庭網狀網絡。如果智能燈具和相關物聯網網關配備了 NFC 標簽，則未加電的智能燈具只需靠近加電的網關，即可交換網絡密鑰。

這樣，當智能燈具插入照明插座并接通電源時，無線 SoC 即可讀取密鑰，使用該密鑰將設備加入網絡。然后，密鑰將從 NFC 標簽上擦除，防止被未經授權的人員讀取，另外還將傳輸網絡參數，建立安全的 AES-128 加密無線連接，以用于今后的通信（圖 2）。

圖 2：可用于連接無頭物聯網設備的 NFC。在本例中，未加電的燈泡通過 NFC 從網關獲取網絡密鑰。然后使用該密鑰在網絡上建立加密通信，再擦除該密鑰。（圖片來源：NFC Forum）

Rigado 的 BMD-300 低功耗藍牙模塊（基于 Nordic Semiconductor 的采用nRF52832 Arm? M4F 處理器的 SoC）是一種無線解決方案，其包含的 NFC 標簽用于調試無頭物聯網設備。

低功耗藍牙：作為低功耗藍牙技術的開發者，藍牙技術聯盟 (SIG) 付出了很大努力，將該技術從面向消費者的個人局域網 (PAN) 遷移到面向物聯網的局域網 (LAN)。

這種技術的關鍵特性包括：

• 能夠讓設備同時充當“外設”和“樞紐”。

• 增加了一種創建可用于 IPv6 通信的專用通道的方法（以上兩種特性均已加入藍牙 4.1）。

• 增加了互聯網協議支持規范 (IPSP)，讓低功耗藍牙設備能夠與其他任何支持 IPv6 的設備通信。

• 更高強度的安全性。

• 更高的最大發射功率。

• 更長的數據包長度（以上所有特性均已加入藍牙 4.2）。

• 更大的吞吐量。

• 更遠的傳輸距離（以上兩種特性已加入藍牙 5）。

有關這些更改的更多詳細信息，請參見 Digi-Key 文庫文章“兼容藍牙 4.1、4.2 和 5 的低功耗藍牙 SoC 和工具可應對物聯網挑戰（第 1 部分）”。

最近，藍牙 SIG 增加了藍牙 mesh 1.0，這種技術規范將網狀拓撲納入了藍牙技術的網絡支持范圍。該網狀規范不僅適用于符合最新版本的藍牙 5 規范的芯片，而且向后兼容所有低功耗藍牙芯片（即藍牙 4.0 以上版本）。

該規范詳細說明了固件的標準低功耗藍牙物理層 (PHY) 頂部的七個層，以及四種類型的節點，包括“低功耗”類型和“代理”類型。后一種類型值得注意，因為它讓當前不直接支持藍牙網狀網絡的低功耗藍牙設備（例如現在的智能手機）能夠連接到藍牙網狀網絡。舉例來說，此類功能讓智能照明制造商能夠推出可直接從當代移動設備控制的網狀網絡系統（圖 3）。

圖 3：藍牙網狀網絡具有代理 (P) 節點，能夠讓當今的智能手機控制像智能照明這樣的應用。（圖片來源：藍牙 SIG）

Nordic Semiconductor 是最早支持藍牙 mesh 1.0 的低功耗藍牙芯片供應商之一，他們提供的 nRF5 軟件開發套件 (SDK) 適用于網狀網絡。據說 Dialog Semiconductor 的 DA14586 藍牙 5 SoC 也支持藍牙網狀網絡。

ANT：由 Dynastream 開發的 ANT 和 ANT+ 一直支持網狀網絡，但他們近期又推出了 ANT BLAZE 增強功能，這種網狀網絡技術適用于處理大型企業環境中的高節點數物聯網應用。

該技術可同時連接最多 500 個節點，在 D52 ANT SoC 模塊上采用，為該模塊的并發 ANT/低功耗藍牙連接功能添加了增強型網狀網絡。ANT BLAZE 的主要優勢之一是：當它在 Wi-Fi 和低功耗藍牙/藍牙環境中工作時，具備相對較高的抗干擾能力。

升級的 D52 ANT SoC 模塊入門套件 (D52DK2) 和新發布的 D52EXT1 Extender 套件（包括四個電池供電型節點），為開發人員提供了創建和驗證物聯網使用案例解決方案所必需的專用開發工具。

ZigBee：ZigBee 聯盟表示，該技術最初是針對云連接設計的，考慮到了網狀拓撲。由于這個原因，與競爭技術相比，ZigBee 近年來進行的與物聯網相關的調整比較少。

ZigBee 最初就針對網狀拓撲進行設計，因而能夠輕松擴展，而且在智能樓宇等物聯網應用中具有很高的容錯性。此外，ZigBee 協議套件包括標準的調試、安全、網絡和設備管理程序。各種設備都可以經過身份驗證加入網絡，并通過可互操作的方式進行出廠重置或退出網絡。

ZigBee 利用 250 KB/s 的吞吐能力來傳輸應用數據以操作設備

（例如開關燈具）以及執行網絡管理程序（例如網狀網絡和路由管理）。

隨著 ZigBee PRO 2017 在今年早些時候發布，單個 ZigBee 網狀網絡在某些特定地區可在 800 至 900 MHz 頻段內工作（增加傳輸距離），在全球范圍則在 2.4 GHz 頻段內工作。PRO 2017 基于早期的 ZigBee PRO 構建，提供更多功能以實現穩健的部署，與 ZigBee 相比，其安全性得到增強。

Digi International 的 XBee ZigBee 網套件為開發人員提供了經濟高效的 ZigBee PRO 網狀網絡入門途徑。該套件帶有開發板和三個 ZigBee 模塊，還提供介紹網狀網絡的基于 Web 的教程。XBee 套件的模塊基于 Silicon Labs 的 EM3587 ZigBee SoC，它提供 250 KB/s 的數據速率和 -101 dBm 的靈敏度，可在 90 m 的室內距離內使用（圖 4）。

圖 4：來自 Silicon Labs 的 EM3587 ZigBee SoC 提供 250 KB/s 的數據速率和 -101 dBm 的靈敏度，可在 90 m 的室內距離內使用。（圖片來源：Silicon Labs）

Thread：雖然采用 6LoWPAN 可以實現節點上的 IP 連接，但由于互操作性問題，它的普及速度比較緩慢。Thread 是一種由 Google、三星和多家芯片供應商開發和推廣的、旨在消除互操作性障礙的協議，用于將低功耗無線節點直接連接到 IP 網絡。

Thread 的優勢在于它是基于 IEEE 802.15.4 2006 規范，集成了 6LoWPAN 和網狀網絡支持（圖 5）。

圖 5：Thread 協議基于 IEEE 802.15.4 PHY 和 MAC，包括 6LoWPAN 適配層。（圖片來源：Thread Group）

Thread 是一種 2.4 GHz 協議，提供高達 250 KB/s 的數據速率，在一個局域網狀網絡中能夠支持多達 250 個設備。最終通過一個或多個“邊界”IP 路由器連接至云。這種路由器實際上是網絡中的 Thread 設備，但帶有額外的 IP 兼容接口（例如 Wi-Fi、以太網或蜂窩網絡），形成從網絡到互聯網的完整路徑。如果主路由器發生故障，則 Thread 網絡中的其他設備可以透明地升級為路由器，從而為網絡提供了互聯網連接冗余。

Thread Group 托管認證計劃實現了 Thread 設備之間的互操作性。很多產品制造商使用 Google 的 OpenThread，它是 Thread 網絡協議的開源版本。例如，Texas Instruments 的 CC2538 是一款基于 ARM M3 處理器的無線 SoC，符合 IEEE 802.15.4 標準，可以運行 OpenThread 協議，且通過了 Thread 認證。同樣，Nordic Semiconductor 的 nRF52840 是一款基于 ARM M4F 處理器的無線 SoC，符合低功耗藍牙、ANT 和 IEEE 802.15.4 標準，它也可以運行 OpenThread 協議，且通過了 Thread 認證。

Wi-Fi HaLow：作為無線局域網 (WLAN) 的標準，Wi-Fi 在消費和工業領域都占據一席之地。但是，由于該技術的功耗相對較高，因此對于電池供電的傳感器缺乏競爭力。Wi-Fi 聯盟計劃改變這種狀況，利用低功耗的 Wi-Fi，在蓬勃發展的物聯網領域占據一席之地，這種名為“HaLow”的技術基于 IEEE 802.11ah 標準。

它充分利用了其他低功耗無線技術使用的超低占空比，最大程度地降低了功耗，據稱其功耗僅為常規 Wi-Fi 芯片的 1% 左右（可與低功耗藍牙相媲美）。

HaLow 在 900 MHz ISM 頻段中工作，其傳輸距離增加至當前 Wi-Fi 的將近兩倍，即便與在 900 MHz 頻段中工作的藍牙 5 相比也毫不遜色。與在 2.4 或 5 GHz 頻段中工作的 Wi-Fi 相比，HaLow 的運行更穩定，因為墻壁或其他固體障礙物導致的衰減較少。

吞吐量取決于空間流數量、調制技術、編碼速率和通道寬度。較高的吞吐量將不可避免地影響功耗。在使用單個空間流、BPSK 調制、1/2 編碼速率、2 MHz 通道寬度的情況下，吞吐量達 650 Kbit/s。在最多使用 4 個空間流、256 QAM 調制、5/6 編碼速率和 16 MHz 通道寬度的情況下，吞吐量為 347 Mbit/s。

Wi-Fi HaLow 將支持網狀網絡，因為它基于現有的 Wi-Fi 協議，而該技術可支持節點上的 IP 協議，另外 HaLow 還將兼容下一代 Wi-Fi 路由器。

由于 HaLow 在近期才推出，因此目前市面上還沒有 Wi-Fi HaLow IC、芯片組或模塊，但有幾家供應商正在開發原型產品。

物聯網無線選擇取決于應用

鑒于每種無線技術都存在細微差別，它們的選擇應該取決于應用需求，因而制定一份比較表格（表 1）是非常有用的。

表 1：適用于物聯網應用的重要協議比較（數據來源：Digi-Key、Texas Instruments）

所有技術都能達到令人滿意的效果，但正如上文所述，有些技術的能耗較低，而有些技術則提供更高的吞吐量。有些技術的傳輸距離長，有些技術的抗干擾能力更強。有些技術提供了智能手機或無線接入點互操作性，有些技術依托大型行業聯盟的支持。每種無線技術都在不斷演進，相互展開競爭，以滿足通常無法預測的新應用的需求。

總結

對于每種應用而言，都有多種成熟的低功耗無線技術可供選擇，而所有這些技術都有出色的設計工具和供應商支持作為后盾。歸根結底，這種選擇要取決于規格要求和應用。

無線技術市場似乎不太可能被單個協議或產業群獨家主導。很可能是各種協議將會越來越多地相互配合，以充分利用它們各自的優勢。我們期待看到這些技術之間的更多協作，例如低功耗藍牙或 ZigBee 與 NFC，以及 Thread、低功耗藍牙或 ZigBee 與 IPv6。我們也期待這些技術繼續演進，以滿足物聯網不斷變化的需求。