在設計電子產品項目或產品時，電子產品經常需要能夠與其他設備進行通信。它們需要傳輸各種各樣的數據，從天氣信息、醫療數據到可操作的控制命令。我們擁有大量的通信標準可供選擇，它們可在使用或不使用線纜的情況下傳輸信息，我們可以利用這些標準，讓設備具備相互通信的能力。我們并不總能輕松在長距離范圍內連接多個設備，因而距離可能成為一個限制因素。在這種情況下，使用線纜連接設備可能昂貴而復雜。相反，無線通信提供了更為靈活的解決方案，能夠降低開發成本并簡化安裝。

無線通信通常指使用無線電波進行通信，從幾米的短距離到數千公里的長距離，而在深入宇宙的無線電通信中，距離甚至達到數百萬公里。無線通信技術還包括光通信、聲波通信和電磁感應方法。

無線通信還涉及到多種拓撲。另外，還有使用藍牙 3.0 及更低版本的點到點設備，它們只與智能手機和藍牙耳機等其他設備進行一對一直接通信。智能手機通常必須與耳機斷開連接，才能與另一部藍牙設備進行通信。還有點到多點的通信，將主設備與多個其他設備連接。Wi-Fi 和藍牙 4.0 及更高版本是點到多點連接的實例。

在選擇無線通信拓撲時，需要考慮多個問題。

認證

與有線通信技術類似，無線技術也必須符合當地標準。由于無線技術的合規條件更為嚴格，因此通過認證的難度更大。無線電合規性基于幾個基本概念。設備只能在分配給該無線電技術的特定頻率下工作。它不應干擾該頻率之外的其他設備，也不應被在其他頻率范圍內工作的其他設備干擾。美國聯邦通信委員會 (FCC) 法規第 15 部分對此做出了詳細規定。另外還有關于最大發射功率 (EIRP) 的規定，每個頻率范圍的這項指標都是唯一的。

FCC 是美國的獨立機構，負責監管產品通信。如果要銷售某種產品，該產品必須符合 FCC 標準，并在產品和包裝上顯示唯一的 FCC ID。這種情況與歐洲略有不同。自行認證 CE 標志表示產品通過了認證，包含多種統合標準。無線電設備指令 (RED) 就是以前的 R&TTE，該歐洲指令對所有產品使用的頻譜做出了規定。與 FCC 合規性類似，CE 標志必須顯示在產品上，作為產品符合歐洲市場標準要求的證據。

FCC 和 CE 只是兩種主要認證標準。加拿大、澳大利亞、新西蘭、中國香港、日本、韓國、亞太區、非洲和南美都有自己的標準，產品必須符合這些標準，才能在這些地區合法銷售。

對于制造商而言，遵守不同的地區標準，讓每種產品獲得我們所說的“型式認可”，會在設計和測試方面產生沉重負擔。要開發一種分立無線收發器設計，就需要專業的無線電設計專業知識，還需要在無線電測試設備方面進行投資，這會大幅增加開發新產品的成本和時間。出于這個原因，很多工程團隊選擇了使用更簡單的方法來提供無線連接，既無需應對高速數字電路帶來的電磁干擾挑戰，也無需滿足嚴格的 EMC 產品法規。

鑒于這一點，在早期產品開發過程中，選擇經過預先認證的無線模塊通常是一種可取的做法。這樣可以確保合理的產品上市速度，不會因為無線電合規性而造成嚴重延遲。市場上提供的模塊可能是可編程的，或者需要外部微控制器/微處理器才能正常工作。很多現成模塊還包括嵌入式或板載天線，從而減少了未知因素和可能出現的認證問題。

在開發后期階段，通常在接近批量生產時，我們才可能嘗試開發定制無線解決方案。雖然開發產品和獲取相關認證的成本可能非常高，但由于產品是大批量生產的，因此成本可以大幅降低。這樣還能確保滿足初始生產期限，并在做出進一步投資之前，在市場上推出和測試產品。

選擇無線技術

市場上有很多不同的無線通信方法。每種方法都有自身的優勢和缺點。在選擇可能的模塊之前，必須分清哪些技術能夠滿足正在開發中的產品的需求。下面列出了在選擇無線標準時必須考慮的要點：

• 帶寬

• 距離

• 安全

• 功率

• 頻率

帶寬

帶寬主要關系到發送多少數據，以及發送數據的頻次。Wi-Fi 提供始終在線連接，數據速率在 11 Mbps (802.11b) 至 1.3 Gbps (802.11ac) 之間。藍牙 3.0 和 4.0 在全功率下提供最高 25 Mbps 的速率，傳輸距離最長達到 60 米，但不是始終連接。相反，Sigfox 和 LoRa 每 10 分鐘僅能傳輸 12 字節數據，從而降低功耗，最大限度提高電池壽命。

距離

距離涉及發射器和接收器之間的最大距離。有些技術在短距離內性能出色，例如智能藍牙（以前的低功耗藍牙）。GPS 等其他技術則可接收數千公里之遙的行星軌道衛星的信號。

安全

在物聯網 (IoT) 和其他任何無線設備中，安全都是一大熱點話題。通過無線方式將數據從一個點發送至另一個點，會產生安全問題。有些無線技術利用強大的加密功能解決了這個問題，但會縮短電池壽命，還可能減少帶寬。監控設備僅捕捉非常基本的數據，例如溫度或濕度，也許不值得進行保護。但是，它們也可能成為無線網絡中的薄弱環節，為入侵其他更安全設備提供可乘之機。敏感數據，例如信用卡信息，需要更強大的加密。要考慮的重要因素包括：數據的敏感度、同一個網絡上的其他設備以及無線標準提供的加密。

功率

在為產品選擇合適的模塊時，功率也是最重要的因素之一。能效要盡可能的高永遠是不二法則，不僅是為了節省電能，還是因為減少發熱而延長產品壽命。電池供電型設備與始終連接墻壁插座的設備之間的差異可以顯著改變設備工作方式。對于始終通過墻壁插座供電的設備，它們的設計要簡單得多。而對于電池供電的無線產品，必須考慮到充電、更換或設計較長使用壽命的電源。最初，更換電池似乎只是舉手之勞，但如果客戶有幾千部設備，例如部署在遠程位置的物聯網傳感器，那么需要的資源和后續成本將是巨大的。

頻率

雖然頻率非常重要，但在選擇無線模塊時，它不一定是主要選擇標準。但是，在某些特定情況下，特定的頻帶可能出現飽和，或者產品在特定頻帶中工作是不合法的。對于本文所述的無線模塊，分配的頻率都已經明確定義。

GSM、GPRS、EDGE、3G、HSDPA、HSPA+ 和 4G LTE

在數字蜂窩網絡中，我們在手機等移動設備上使用過多種不同的名稱和技術。我們應該明白，所有技術都是在其他技術基礎上演變過來的。通用分組無線服務 (GPRS) 和增強型數據速率 GSM 演進 (EDGE) 是第二代技術，也稱為 2G。它們的下載速度分別為 114 Kbps 和 384 Kbps。3G 是第三代無線通信技術，高速下行分組接入 (HSDPA) 則是 3G 的增強技術，3G 的下載速度為 3.1 Mbps，HSDPA 的下載速度為 14 Mbps。增強型高速分組接入 (HSPA+) 是第四代技術，實現高達 168 Mbps 的速度。4G 長期演進 (LTE) 技術支持高清流媒體傳輸，下載速度高達 299.6 Mbps。

在選擇任何 GSM 模塊時，要注意的一個關鍵是它能否確保產品不過時。Sierra Wireless 和 U-blox 都提供了一系列的引腳兼容模塊，支持 2G、3G 和 4G 技術。這意味著開發人員只需設計一個 PCB，然后插入所需的模塊，即可輕松地集成要在任何地區或無線網絡中部署的語音和數據連接。隨著網絡運營商升級基礎設施，他們最終將會決定停止支持 2G 和 3G 等舊技術，只保持像 4G 和即將問世的 5G 這樣的網絡。

U-blox 提供的 LARA-R204 就是一個蜂窩模塊實例。該模塊能夠在 4 和 13 頻段工作，專為在 Verizon LTE 網絡上使用而設計，它只是能夠支持所有 LTE 網絡頻段的 LARA-R2 產品系列的一個成員。它能夠在單模或多模配置下工作，采用緊湊型 LGA 100 引腳外形尺寸封裝，提供多個外設接口選擇。圖 1 是 LARA-R2 系列的功能框圖，其中突出顯示了基帶處理器上的可用接口、收發器、射頻前端和電源管理功能。

圖 1：U-blox LARA-R2 功能框圖

如果要將任何無線模塊集成到產品中時，就必須了解它與主機建立通信的方式，這一點非常重要。UART 和 I2C 是常用的接口方法，但通常需要有額外的可用 IO 端口（例如 GPIO 和 USB），才能添加其他傳感器和設備。應該考慮的其他功能包括模塊是否支持所需的通信協議（FTP、HTTP 等），以及模塊是否具備無線升級固件 (FOTA) 的能力，對于物聯網設計而言，這種功能變得日益重要。安全功能（例如加密身份驗證和加密技術）是搭建安全通信鏈路的關鍵，這一點毋須多言。

這種蜂窩模塊的另一個特點是提供兩個天線插座和專用收發器前端。控制引腳讓主機應用能夠實現天線分集功能，基帶處理器通過這種功能，確定哪個天線可為特定鏈路提供最佳蜂窩信號強度和質量。

所有模塊功能的配置和控制都通過連接的主機進行，使用行業標準“AT”指令集。該模塊還提供一個全面的參考手冊，在這里可以找到在 U-blox 蜂窩模塊上使用“AT”指令的詳細說明。

Wi-Fi 和藍牙模塊

Wi-Fi 和藍牙是目前最常用的兩種無線技術。作為一種將用戶連接到局域網和/或訪問互聯網的方法，Wi-Fi 在幾乎每個家庭和企業中都會使用。藍牙則用于各種各樣的低功耗設備，從免提式耳機到無線揚聲器、鼠標、鍵盤、打印機等眾多設備。Wi-Fi 適用于局域網上的高速通信，藍牙則適用于便攜式設備。它們通常是互為補充的技術，很多模塊同時具備 Wi-Fi 和藍牙功能。

Silicon Labs 的 WF111 系列就是經過認證的符合 802.11 b/g/n 標準的緊湊型 Wi-Fi 模塊的例子，適合廣泛的商業、工業和消費應用。該模塊能夠達到最高 72.2 Mbps 的位數據速率，可為 WEP、WPA 和 WPA2 加密提供硬件支持，還配備了 SDIO 和 CSPI 主機外設接口。該模塊帶有內部芯片天線或用于外部天線的 U.FL 連接器，具備藍牙共存功能，允許藍牙模塊與 Wi-Fi 器件同地協作。此功能可確保每個模塊能夠相互感知，幫助避免同時進行數據傳輸，因為這樣很可能降低鏈路性能。

Texas Instruments 的 WL1831 是另一個將 Wi-Fi 和藍牙連接組合在單個器件中的無線模塊（圖 2）。對于同時需要兩種通信方法的設計，這款節省空間的緊湊型模塊的外形尺寸僅為 13.3 x 13.4 x 2 mm，并集成了射頻收發器、前端濾波器、射頻開關以及全面的電源管理功能。它提供兩個天線插座，其中一個在 Wi-Fi 和藍牙收發器之間切換。

圖 2：組合了 Wi-Fi 和藍牙無線模塊的 Texas Instruments WL1831。

在電池供電型設計中，特別是要使用 Wi-Fi 時，功耗是我們關注的主要問題，WL1831 提供低于 800 μA 的連接待機功耗，從而解決了這個難題。

LoRa/Sigfox 模塊

LoRa 和 Sigfox 是兩種相似的無線技術，同時工作在 868 MHz（歐盟）和 902 - 928 MHz（美國）頻段。它們之間并無激烈競爭關系，但都是在相同的頻率下，以相似的方式工作。它們都作為低功耗廣域網 (LPWAN) 方式工作，適用于數據速率較低的廣泛網絡，這一特點使得它們成為物聯網的理想之選。Sigfox 是作為超窄帶技術設計的，在 30 - 50 公里的距離上，每十分鐘傳輸 12 字節數據，每天能夠接收最多四條消息。相反，LoRa 更多是針對命令和控制場景設計的。它的數據包大小仍然非常小，但可由用戶定義。接收數據不受限制，但范圍減小為 15 - 20 公里。

越來越多的供應商針對這些協議提供收發器模塊。Multi-Tech Systems 的 MultiConnect xDot 模塊就是一個例子。這款 LGA 封裝器件非常適合歐洲地區的很多物聯網應用。它的深度休眠電流小于 2 μA，預期電池壽命能夠達到 10 年甚至更長。此外，通過使用引腳復用，可提供功能全面的外設集（圖 3）。可以通過使用標準“AT”命令集來實現模塊控制，在這種情況下，無需再進行更多編程，或者也可以使用 ARM mbed 開發庫。

圖 3：復用引腳外設功能的 MultiConnect xDot LoRa 模塊。

Sigfox 和 LoRa 同時工作在工業、科研和醫療 (ISM) 無線電頻段，這些頻段通常是為除電信之外的其他用途保留的。也就是說，仍然有一些模塊是為在 ISM 頻段中使用而開發的。這些模塊通常使用它們自身專有的通信協議。這些頻段的最常見頻率為 433 MHz、863 MHz 至 870 MHz (EU)、902 至 928 MHz (US)、2.4 GHz 至 2.5 GHz。

網狀網絡

值得注意的是，某些無線網絡不一定在點到點、點到多點系統上工作。有些無線技術，例如 ZigBee、WiMAX 和 Bluetooth Mesh，在多對多網絡上工作。這意味著設備不一定必須位于與其通信的設備的傳輸范圍之內，而是可以通過由相似設備構成的網絡來傳輸信號，從而到達更遠的最終設備。有些器件非常適合搭建 ZigBee 網狀網絡，例如 Microchip 的 ATSAMR21G18。除了必需的 2.4 GHz 收發器模塊之外，該器件還具備一些全面的加密身份驗證功能，最大工作頻率為 48 MHz，提供最多 17 個外部 GPIO 引腳。

總結

預先合規模塊確定能夠為開發和合規性測試節省可觀的成本。但是，在將新產品投放到市場之前，仍然需要進一步測試，當然這種測試不會到分立設計的程度。雖然模塊本身預先經過了合規性認證，但一旦添加到另一個系統或產品上，它的特性可能受到影響。

為了幫助完成選擇過程，Digi-Key 在其網站上提供了無線開發工具產品選型表、物聯網產品選型指南和無線參考設計庫。