物联网短距离无线通信技术应用与开发，物联网通信技术之短距离无线通信技术的解析

很多朋友对物联网短距离无线通信技术应用与开发，物联网通信技术之短距离无线通信技术的解析不是很了解，每日小编刚好整理了这方面的知识，今天就来带大家一探究竟。

物联网短距离无线通信

物联网（IoT）是指通过信息传感器、射频识别技术、全球定位系统、红外传感器、激光扫描仪等各种设备和技术，实时采集任何需要监控、连接、交互的信息。物体或过程，采集声、光、热、电、力学、化学、生物、位置等各种所需信息，通过各种可能的网络接入，实现物与物、物与人的无所不在的连接，以实现物品和流程的智能感知、识别和管理。物联网是基于互联网、传统电信网络等的信息载体，它让所有可以独立寻址的普通物理对象形成一个互联的网络。

物联网世界中的通信标准简介

根据信号传输范围，物联网通信技术可分为短距离和长距离两大类。短距离传输技术按照主要技术有Wi-Fi、ZigBee、Z-Wave、Thread、Bluetooth、Wi-SUN等，主要应用于当前手机、平板电脑、可穿戴设备等移动设备，或者智能家居、智能工厂、智能照明等领域。过去，长途通信技术主要是2G、3G、4G等移动通信技术。但由于物联网应用与移动通信对大带宽、低时延的传输要求不同，很多物联网应用对数据包的需求很少，并且具有时延容忍性。更大程度上需要覆盖更广的区域或者深入地表等屏蔽严重的区域。针对上述应用，发展了一种长距离、低功耗的通信技术，统称为低功耗广域网技术（Low Power Wide Area Network，LPWAN），其中用户许可频谱通信技术主要是NB-IoT。下图是一个简单的物联网系统架构图。

短距离无线通信技术：物联网世界的最后一英里

如果根据长短距离无线通信技术的特点来选择，与通用微控制器的短距离通信对于终端设备尤其是传感器的数据采集起着重要作用。我们分析了下表中的几个重要的技术采用因素：

在许多短距离通信技术领域，存在以IEEE 802.15.x组为代表的许多不同分支。重要的代表性技术总结如下：

WIFI：基于IEEE 802.11标准的无线局域网，可以看作是有线局域网的短距离无线延伸。设置WIFI只需要一个无线AP或无线路由器，成本较低。

Zigbee：是一种基于IEEE802.15.4标准的低速、短距离、低功耗双向无线通信技术的局域网通信协议，也称为Zigbee协议。其特点是近距离、低复杂度、自组织（自配置、自修复、自管理）、低功耗、低数据速率。 ZigBee协议从下到上分为物理层（PHY）、媒体访问控制层（MAC）、传输层（TL）、网络层（NWK）、应用层（APL），其中物理层和媒体访问层控制层遵循IEEE 802.15.4标准，主要用于传感器控制应用（Sensor and Control）。可工作在2.4GHz（全球流行）、868MHz（欧洲流行）和915 MHz（美国流行）3个频段，最高传输速率为250kbit/s、20kbit/s和40kbit/ZigBee是一种无线数据传输网络平台，可以由1到65535个无线数据传输模块组成。在整个网络范围内，每个ZigBee网络数据传输模块都可以相互通信，从标准的75m距离可以无限延伸。 ZigBee节点非常省电，其电池工作时间可长达6个月至2年，在睡眠模式下可达10年。下图是Zigbee的组网图（此图来自网络）

Z-Wave：是一种基于射频的短距离无线通信技术，成本低、功耗低、可靠性高，适合丹麦公司Zensys主导的网络。工作频段为908.42MHz（美国）~868.42MHz（欧洲），采用FSK（BFSK/GFSK）调制，数据传输速率为9.6kb~40kb/s，信号有效覆盖室内30m，室外100m以上，适合窄带宽带应用。 Z-Wave采用动态路由技术，每个Z-Wave网络都有自己独立的网络地址（HomeID）；网络中每个节点的地址（NodeID）由控制节点（Controller）分配。每个网络最多可容纳232个节点（Slave），其中包括控制节点。 Zensys为Windows开发提供了动态链接库（DLL），开发人员使用DLL中的API函数来设计PC软件。 Z-Wave技术构建的无线网络不仅可以通过该网络设备实现对家电的远程控制，还可以通过Internet网络控制Z-Wave网络中的设备。

Thread:是一种基于IPv6的低功耗网状网络技术，主要为物联网设备提供安全、无缝的通信。 Thread 最初旨在针对智能家居和楼宇自动化应用，例如设备管理、温度控制、能源使用、照明、安全等，现在已扩展其范围以涵盖更广泛的物联网应用。由于Thread 采用6LoWPAN 技术并基于IEEE 802.15.4 网状网络协议，因此Thread 还可进行IP 寻址，不仅可以在低成本、电池供电的设备之间提供高效通信，还支持云和AES 加密。

为了加速Thread协议的普及，Nest Labs（Alphabet/Google子公司）、三星、ARM、高通、NXP半导体/飞思卡尔、Silicon Labs等公司早在2014年7月就组成了“Thread Group”联盟。 Thread成为行业标准，并为会员公司的产品提供Thread认证。

蓝牙（Bluetooth）：2.4-2.485GHz ISM频段的UHF无线电波，基于数据包，一种具有主从架构的无线技术标准，可实现固定设备、移动设备之间的短距离以及构建个人区域网络数据交换。在蓝牙特别兴趣小组(SIG) 的管辖下，IEEE 将蓝牙技术列为IEEE 802.15.1，但该标准已不再维护，并且蓝牙技术拥有一系列专利，这些专利会颁发给符合该标准的设备。蓝牙采用跳频技术将传输的数据分成数据包，通过79个指定的蓝牙通道传输数据包。每个通道的带宽为1 MHz。蓝牙4.0使用2 MHz间隔，可容纳40个通道。质量好的无线蓝牙耳机的电池寿命一般为2-3年，通常为几周。

Wi-SUN（无线智能普适网络）技术基于IEEE 802.15.4g、IEEE 802和IETF IPv6标准的开放规范。 Wi-SUN FAN是一种具有自组织和自愈功能的网状网络协议。网络中的每个设备都可以与相邻设备进行通信，并且可以将消息发送到网络中的每个节点。在很长的距离之间跳跃。 Wi-SUN传输技术的特点是远距离传输、安全、高扩展性、互通、易部署、Mesh网状网络、低功耗（Wi-SUN模块的电池寿命有机会可用于十年），广泛应用于智能电表、家庭智能能源管理（HEMS）控制器等通信设备，也有利于打造广域大规模物联网。

结合之前的安排，我们认为提供一套易于开发且有数据通信安全考虑的短距离参考设计模块对业界有很大帮助。针对ZigBee Pro、Thread、RF4CE等众多符合IEEE 802.15.4标准的标准，我们发现Thread最有发展潜力。原因包括以下几点：（1）得到Google、Arm、三星等各大厂商的支持，苹果也在2018年加入了Thread阵营。（2）基于IP化的协议，非常容易实现软件通信协议的集成。 (3)高标准化、高互操作性、高安全性、适合电池供电的设备。下图是市场发展预测统计表。

从上图来看，基于IEEE 802.15.4的相关协议的应用仍有望增长，主要集中在ZigBee和Thread，尤其是Thread。从应用来看，根据市场调研数据整理，智能家居、医疗器械、汽车计量、智能楼宇和工业是主要应用领域。

NuMicro M2351 的螺纹参考设计

新唐科技与英国Cascoda合作，推出包含MAC（媒体访问控制）层的微控制器加802.15.4收发器的参考设计。由于M2351可以提供TrustZone加XOM功能，因此通信协议层可以根据程序开发计划放置在安全区域或XOM（eXecute-Only Memory）内部，并且因为Cascoda的收发器IC（CA8210、CA8211）都包括MAC 层的预处理（基于ROM 的MAC 固件和MAC 协处理器），因此M2351 的末端负责MAC 层的后处理以及IP 层之上的应用层的处理轻松。包含MAC预处理方案（Low-MAC Transceiver）有以下好处：

1.通讯协议的API受Timing影响较小，响应时间快，更符合标准

2. 减少对特定微控制器和操作系统的依赖

3、纯软件处理MAC层的方法风险较小，协议不易被篡改，因此更安全

从上面的结构图可以看出，基于Cascoda在无线传输收发器方面的创新专利，无线发射功率可提升约3倍，在考虑到其传输和接收距离的同时，较其通用方案可增加一倍。考虑超低功耗的性能。换句话说，配备电池的设备的电池寿命更长。更重要的是，无需添加另一个专用于处理无线通信协议的微控制器。整个参考设计模块所包含的两款主芯片可以完全满足通信和终端产品的设计需求，例如无线抄表、监控、智能家居、智能工厂和智能楼宇等远距离物联网应用。

新唐M2351 MCU资源充足。除了使用TrustZone区域来放置OpenThread通信协议外，还有剩余的内存空间来运行上层应用程序，甚至RTOS。这些上层应用程序或RTOS可以放置在TrustZone之外的非安全区域，以充分利用Armv8-M的特性来实现外部链路网络通信时的软件安全。这样的解决方案可以带来以下市场机会：

1、一倍的接收距离解决了服务范围的稳定性问题。

2. 符合标准的参考设计平台。 Cascoda和Nuvoton完全兼容现有的802.15.4 Thread标准，还提供免费的OpenThread Stack参考设计，方便通信软件协议开发人员进行集成。

3、通信/监控区域覆盖范围广，功耗低。

4、快速跟进市场主流应用。 802.15.4已经存在于Comcast、Amazon Echo+、Google NEST、Cascoda和Nuvoton中，提供了一个开放的通用平台，非常方便各种需要短距离通信的产品的开发和设计。它是一个创新、安全和高性能的802.15.4 Thread终端产品参考设计示例。

弗克

以上知识分享希望能够帮助到大家！