物聯(lián)網(wǎng)的通信連接技術(shù)和設(shè)備

凡是有電視或電腦的人大概都知道，物聯(lián)網(wǎng)是一個不需要人為干預(yù)就能使“物體”相互通信的網(wǎng)絡(luò)。在物聯(lián)網(wǎng)出現(xiàn)之前，聯(lián)網(wǎng)設(shè)備需要人類產(chǎn)生或處理信息。智能手機(jī)、筆記本電腦和臺式機(jī)都屬于個人聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。

物聯(lián)網(wǎng)延伸得很深：有物聯(lián)網(wǎng)功能的設(shè)備，例如，智能個人設(shè)備、智能家居設(shè)備、智能汽車，甚至智能城市設(shè)施，都能感知、處理、存儲數(shù)據(jù)，并采取相應(yīng)操作。智能藥盒可以監(jiān)視病人是否按時吃藥，提醒吃藥，通知患者家屬照顧病人按時服藥，甚至提前購買快用完的藥。 智能鎖可用手機(jī)開門和鎖門，監(jiān)控所有活動，設(shè)置訪問時段，提醒業(yè)主注意非法進(jìn)入。

你可能已有或在用幾個物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，根據(jù)Stastita （1）的研究報告，到2025年物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的總量預(yù)計超過750億臺，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過聯(lián)合國預(yù)測的那一年的81億地球人口 （2）。你會明白為什么物聯(lián)網(wǎng)可能是科技公司的最大增長點。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備將我們的生活變得更安全、更舒適，有助于優(yōu)化資源的利用率。

物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)是這個更長的價值鏈與外部世界交互的窗口。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備也是人機(jī)交互的主要接口，因此，外形尺寸和產(chǎn)品功能是物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品熱賣的要素。

典型的物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)包括設(shè)備、網(wǎng)關(guān)、云服務(wù)和應(yīng)用軟件。在本文中，我們的重點討論通信連接技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，特別是個人可穿戴設(shè)備。

個人物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備規(guī)格

活動檢測

身體活動識別和計步器是可穿戴設(shè)備最常見的功能，這些功能是由一個加速計完成的，加速度計是用途最廣泛的傳感器之一，是幾乎所有個人設(shè)備的標(biāo)配。經(jīng)過多年的發(fā)展，從簡單的加速度檢測，到許多先進(jìn)運(yùn)動檢測，直接輸出傳感數(shù)據(jù)，加速度計已經(jīng)變得非常先進(jìn)。

例如，意法半導(dǎo)體的LIS2DW12加速度計可以檢測6D方向、喚醒、自由落體和點擊功能。該傳感器的檢測噪聲模式可配置，在檢測精度和功耗之間選擇，甚至具有自動睡眠和喚醒功能。

為了提高可穿戴電子設(shè)備的檢測精確度和功能，需要將陀螺儀與加速度計配合使用。陀螺儀是角速度傳感器，以前，陀螺儀耗電量很大，應(yīng)用范圍有限，不適合用在小型電池供電的個人設(shè)備。但是，將陀螺儀和加速度計整合在一個芯片上的IMU慣性測量單元，不僅耗電量小，還有很多先進(jìn)的功能，例如，有限狀態(tài)機(jī)、自定義手勢識別、智能FIFO存儲器和外部傳感器接口，數(shù)據(jù)處理在模塊內(nèi)部完成，不占用微控制器計算資源。意法半導(dǎo)體的LSM6DSO就是一個這樣的IMU產(chǎn)品。

羅盤和方向檢測

羅盤為用戶提供方向檢測功能，幫助無人機(jī)導(dǎo)航。磁力計與加速度計和陀螺儀配合使用，可實現(xiàn)室內(nèi)導(dǎo)航。磁力計還用于一些家庭自動化解決方案，例如，開門或關(guān)門檢測。

高度測量

測高儀可以增強(qiáng)計步器的功能，例如，幫助攀巖者測量離地高度，在室內(nèi)導(dǎo)航中檢測樓層位置?？纱┐鳉鈮簜鞲衅饔糜跈z測大氣壓力，最終也用于測量高度。

氣壓傳感器需要一個通氣孔，以便空氣進(jìn)入薄膜，檢測氣壓，水和化學(xué)物質(zhì)很容易從氣孔進(jìn)入傳感器單元，污染內(nèi)部結(jié)構(gòu)。因此，需要一個既能用于游泳、戶外運(yùn)動和海產(chǎn)業(yè)的氣壓傳感器，又能預(yù)防氯、溴等化學(xué)制品污染的氣壓傳感器。LPS33HW 就是一個符合這些要求的傳感器，具有O 型密封圈和10帕防水（最深90米）能力，防止氯、溴、鹽等化學(xué)制品污染。

環(huán)境感知

環(huán)境感知技術(shù)根據(jù)來自麥克風(fēng)的音頻輸入數(shù)據(jù)檢測識別環(huán)境。通過測量聲音，設(shè)備可以識別用戶是在商場、體育場還是會議室。通過識別環(huán)境，可以直接配置所連手機(jī)的設(shè)置。麥克風(fēng)陣列可實現(xiàn)回波消除、光束形成和聲源定位，提升麥克風(fēng)的檢測精度。麥克風(fēng)的重要參數(shù)包括SNR（信噪比）、AOP（聲過載點）和功耗。麥克風(fēng)分為模擬輸出和數(shù)字輸出兩大類，按照聲孔位置劃分，麥克風(fēng)又分為上聲孔和下聲孔（手機(jī)麥克風(fēng)）。

連接

需要注意的是，是連接技術(shù)將一個設(shè)備變?yōu)槲锫?lián)網(wǎng)設(shè)備。連接技術(shù)使設(shè)備可以通過手機(jī)或網(wǎng)關(guān)連接到物聯(lián)網(wǎng)云端，或者直接連到基礎(chǔ)設(shè)施。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的傳統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)方法是通過 Wi－Fi、藍(lán)牙和蜂窩網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。但是，低功耗射頻技術(shù)的出現(xiàn)擴(kuò)大了物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的范圍和功能。

低功耗藍(lán)牙［BLE］是一種無線個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò) ［WLAN］ 技術(shù)，旨在推進(jìn)醫(yī)療、健康、健身、安保和家庭自動化應(yīng)用創(chuàng)新。與傳統(tǒng)藍(lán)牙和 Wi－Fi技術(shù)相比，BLE的功耗非常低，同時增加了設(shè)備和手機(jī)相連功能。BLE的載波頻率是2．4Ghz，屬于全球免費的ISM頻段。BLE Mesh是一個在Mesh網(wǎng)絡(luò)內(nèi)連接多個 BLE 設(shè)備的軟件解決方案。BLE Mesh解決方案的出現(xiàn)使得即使設(shè)備不在網(wǎng)絡(luò)的直連范圍內(nèi)也可以照常接入網(wǎng)絡(luò)。

意法半導(dǎo)體的BlueNRG－2是一款超低功耗的BLE 5．0 認(rèn)證系統(tǒng)芯片，能夠與傳感器無縫連接，支持藍(lán)牙Privacy 1．2和Secure Connection 4．2，8dbm輸出功率，支持與物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的可靠BLE鏈路。此外，還支持標(biāo)準(zhǔn)的完全兼容的 SIG BLE 網(wǎng)格。

低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）技術(shù)是網(wǎng)絡(luò)連接領(lǐng)域另一個顛覆性技術(shù)，通信連接距離長達(dá)數(shù)公里，功耗非常低，電源是一枚非充電型硬幣電池。Sigfox是一種LPWAN技術(shù)，提供全球云服務(wù)和遠(yuǎn)距離連接，功耗極低。Sigfox 設(shè)備在世界各地免費接入網(wǎng)絡(luò)，無需與網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商簽訂任何單獨的協(xié)議或支付漫游費。LPWAN 技術(shù)工作在1 Ghz 以下的頻段，在全球沒有統(tǒng)一的頻段標(biāo)準(zhǔn)（藍(lán)牙是 2．4Ghz），因此，LPWAN設(shè)備在不同國家／地區(qū)采用不同的頻段。為了解決這個問題，Sigfox 推出了一項叫做Monarch的新功能，用于識別無線電服務(wù)并根據(jù)當(dāng)?shù)胤ㄒ?guī)管理無線電頻率變化。

意法半導(dǎo)體推出了一個市場上獨一無二的解決方案，將BLE和Sigfox射頻S2－LP合并為一。該雙射頻解決方案通過Sigfox和智能手機(jī)BLE建立遠(yuǎn)程連接。智能手機(jī)連接到Sigfox設(shè)備，具有用戶界面［UI］、空中固件更新［OTA］、直接配置和控制功能。

邊緣智能

人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)已經(jīng)演變?yōu)槲锫?lián)網(wǎng)的骨干計算技術(shù)。人工智能利用模擬自然界特點的自然計算方法解決復(fù)雜問題；機(jī)器學(xué)習(xí)是指使機(jī)器能夠識別底層模式，通過分析數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測和提出建議的技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)云計算能夠?qū)崿F(xiàn)這些算法和技術(shù)。

隨著物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的數(shù)量呈指數(shù)級增長，從傳感器送到云端的原始數(shù)據(jù)量大量增加，導(dǎo)致對云連接的數(shù)據(jù)帶寬和云計算能力的需求大幅上升。當(dāng)某些分析過程下移到傳感器節(jié)點附近或邊緣端點時，可以利用人工智能有效地分析處理傳感器數(shù)據(jù)。邊緣計算可以保護(hù)數(shù)據(jù)隱私安全，降低網(wǎng)絡(luò)帶寬和云計算需求。邊緣計算意味著在節(jié)點執(zhí)行智能感測和處理過程，因此選擇這些設(shè)備非常重要。智能節(jié)點分析數(shù)據(jù)，運(yùn)行傳感器算法，推算識別環(huán)境，并將數(shù)據(jù)上傳到云端，進(jìn)行后續(xù)處理。

開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)解決方案

如前所述，典型的物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)是由設(shè)備、網(wǎng)關(guān)、云服務(wù)和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序組成的。

性能強(qiáng)大的物聯(lián)網(wǎng)解決方案不僅包括創(chuàng)新設(shè)備，還包括開源軟硬件參考設(shè)計、垂直應(yīng)用解決方案，以及與云服務(wù)商的合作關(guān)系。成功的物聯(lián)網(wǎng)解決方案還需要平臺上所有利益相關(guān)者協(xié)同開發(fā)。

例如，意法半導(dǎo)體的STM32 ODE 開放式開發(fā)平臺提供可堆疊安裝的硬件和模塊化軟件平臺，超過 131 個軟件包、3個云 SDK工具和幾個第三方電路板。物聯(lián)網(wǎng)用例數(shù)量龐大，種類繁多，初創(chuàng)公司在物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中發(fā)揮的作用不可小覷。開源平臺和強(qiáng)大的生態(tài)系統(tǒng)有助于降低解決方案的開發(fā)、原型設(shè)計和商業(yè)化的難度。

結(jié)論

低功耗智能傳感器、創(chuàng)新的連接技術(shù)和令人驚艷的用例的出現(xiàn)讓物聯(lián)網(wǎng)火爆起來。未來每個人都有多個可穿戴設(shè)備，所以，市場體量很大，機(jī)會很多。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量暴漲既是機(jī)遇也是挑戰(zhàn)，成功的物聯(lián)網(wǎng)解決方案要求合作伙伴同時提供創(chuàng)新的傳感器和連接技術(shù)。