如今，技術領域的變化比以往任何時候都要快，無線應用對新技術的吸收步伐也時刻沒有放緩。物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 創(chuàng)新如火如荼，幾乎涉及我們生活的每一個方面。僅將之前從未連接過的“事物”連接起來就將帶來新的數(shù)據(jù)認知，進而轉(zhuǎn)變成有意義的變革。物聯(lián)網(wǎng)是一個大技術趨勢，它不僅考驗傳統(tǒng)系統(tǒng)的承受能力，還將決定不同行業(yè)大大小小的公司的命運。預計到 2020 年底將有 500 億物聯(lián)網(wǎng)連網(wǎng)設備，到 2025 年這一數(shù)字將達到 1000 億。

隨著傳輸標準的改變，新標準已經(jīng)能夠適應各種物聯(lián)網(wǎng)設備。對于無線愛好者來說，嘗試設計新的調(diào)制方案從未如此容易，并且很多新的傳感器都可以與無線鏈路配對使用。這些技術也比以往任何時候都更容易為人所用。本文將探討該技術的每一項發(fā)展以及大家如何才能立即將這一廉價而普及的技術運用起來。

低功率廣域網(wǎng) （LPWAN） 無線電技術可用于蜂窩基礎設施，并且從出現(xiàn)到現(xiàn)在已有幾年的歷史了。窄帶物聯(lián)網(wǎng) （NB-IoT）、長期演進機器類型連接 （LTE-M 和 LTE-MTC） 以及增強型機器類型通信 （eMTC） 是目前流行的技術。這些技術的優(yōu)勢在于，它們利用現(xiàn)有用于語音和高帶寬通信量的蜂窩發(fā)射塔。然而，只需要不定期報告和控制的設備并不需要高帶寬，而且由于許多設備都采用電池驅(qū)動，因此需要這些技術標準支持更低的功耗和更低的帶寬標準。

其它未利用現(xiàn)有蜂窩網(wǎng)絡且必須重建基礎設施的技術包括 Sigfox、LoRa/LoRaWAN 以及 NB-Fi 等。這樣的缺點是需要將上行鏈路連接到覆蓋范圍更廣的互聯(lián)網(wǎng)。雖然這些非蜂窩網(wǎng)絡運營商提供這種上行鏈路服務，但這又是另一種需要協(xié)商的計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)。

然而，蜂窩網(wǎng)絡運營商都是大公司，要與他們有效競爭并不現(xiàn)實。最好的辦法是采用符合他們標準的調(diào)制解調(diào)器，在他們的網(wǎng)絡上買“時間”，然后按月為使用方案支付費用。

非蜂窩網(wǎng)絡只需適當?shù)馁Y金便可建立起來，但限制是不能實現(xiàn)全球地域范圍覆蓋，除非將它們連接到一個能夠執(zhí)行因特網(wǎng)橋接的服務器。其實許多情況下，網(wǎng)絡并不要求實現(xiàn)全球連接。例如一家組裝和生產(chǎn)傳感器工廠，網(wǎng)絡實際上應該是應用隔離的。

不過好消息是：有蜂窩網(wǎng)絡接入服務，有芯片和模塊可以構建低功耗網(wǎng)絡，并且有的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)流量套餐低到只需 3 美元一個月。全部所需就是一臺蜂窩運營商認證的調(diào)制解調(diào)器，任何設備便可全球“在線”。

模塊化的電子解決方案繼續(xù)快速發(fā)展。設計人員可以獲得預先構建好的且通過認證的無線電，無需芯片層面的專業(yè)設計知識。這不但降低了必要的射頻技術能力要求，還加快了產(chǎn)品上市速度 。在最近一次調(diào)查中，我們對各種模塊中所使用的芯片和所購買客戶的類型進行了分析后，令人驚訝的發(fā)現(xiàn)，具備必要技術能力的企業(yè)不僅購買了這些模塊上使用的相同芯片，還購買了模塊，而且數(shù)量都達到了數(shù)千件，這完全是生產(chǎn)級的需求。這正好支持以下觀點：為了測試新產(chǎn)品的市場，提前推出成本優(yōu)化程度沒那么高的產(chǎn)品可能會比從一開始就設計好一個成本優(yōu)化的產(chǎn)品更好。如果測試市場足夠大，那么就可以將產(chǎn)品成本一直優(yōu)化到芯片級。但是還一個層級甚至比芯片更低，就是本文所稱的波形層級。

通過軟件無線電 （SDR） 技術，開發(fā)人員可以試驗全新的調(diào)制方案。如果有獨特的需求且設計人員有經(jīng)驗設計得出來，那么就可以開發(fā)出一個專屬的無線電標準。即便經(jīng)驗不足，通過用 SDR 進行實驗，也可以教設計人員許多東西，而且還很有趣。例如，本文作者的一位同事就獲得過一項關于解碼 FM 立體聲廣播的專利，這個專利可以在信號等于左右波形的精確時刻對基帶信號的值進行插值，而無需將系統(tǒng)與射頻載波進行時鐘同步。這是一種將信號分解復合的軟件方法，所有這些現(xiàn)在都可以在 SDR 中實現(xiàn)。這個專利已有將近 30 年的歷史，曾經(jīng)是一項開發(fā)挑戰(zhàn)。現(xiàn)在有了現(xiàn)成即用的 SDR 就很簡單。

Analog Devices 的高級學習模塊 PLUTO （ADALM-PLUTO） 就是一個這樣的 SDR，到 2020 年 9 月，該模擬現(xiàn)貨價約為 150 美元。這些模塊通過 USB 鏈路與個人計算機連接，內(nèi)含易于重新配置的 FPGA，廣泛支持編程語言 Python，并且能在 325 MHz 至 3.8 GHz 范圍內(nèi)收發(fā)信號。如果設計人員真的想了解和使用射頻，那么就可以從這個層級開始。

回到具體產(chǎn)品概念層面，采用芯片和模塊形式的傳感器成百上千，數(shù)量激增。各大分銷商實際上提供的傳感器有數(shù)十萬種之多，其中 Digi-Key 就提供了 210，000 多種不同的傳感器。

以下是其中的一些傳感器類型：

接近傳感器

傳感器、變送器，溫度傳感器 – 模擬和數(shù)字輸出

傳感器、變送器，專用傳感器

傳感器、變送器，氣體傳感器

傳感器、變送器，位置傳感器 – 角度、線性位置測量

傳感器、變送器，壓力傳感器，變送器

傳感器、變送器，濕度、濕敏傳感器

傳感器、變送器，電流傳感器

傳感器、變送器，光學傳感器 – 環(huán)境光、紅外線、紫外線傳感器

傳感器、變送器，光學傳感器 - 測距

開發(fā)板、套件、編程器，評估板 – 傳感器

傳感器、變送器，磁傳感器 – 位置、接近、速度

傳感器、變送器，光學傳感器 – 光電、工業(yè)

傳感器、變送器，運動傳感器 - 加速計

傳感器、變送器，圖像傳感器、攝像頭

其中任何一個傳感器或者它們的任意組合都能整合到產(chǎn)品中，并可通過各種無線選件連接到互聯(lián)網(wǎng)。

例如，在 maker.io 的 “Trinamic 的 TMC5161 + Microchip 的 AVR-IoT WG + Digi-Key 的 IoT Studio Temp”（圖 1）頁面可以找到展示“百葉窗控制器”互聯(lián)網(wǎng)連接的在線項目 。

Microchip Technology 的開發(fā)套件針對的是智能物聯(lián)網(wǎng)家庭自動化應用，更多詳細信息見：物聯(lián)網(wǎng)家庭自動化評估套件（圖 2）。

總結(jié)

人人都可以使用物聯(lián)網(wǎng)，本文所討論的開發(fā)套件只是為物聯(lián)網(wǎng)設計人員提供的示例工具。

最后，祝愿各位在這個互聯(lián)的世界中開發(fā)出一個個連接到物聯(lián)網(wǎng)的“好東西”。

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