本文讨论了嵌入式系统设计人员可用的各种无线连接选项，并提供了一些相关示例。
嵌入式设备和系统历来是独立的，具有用于数据交换和维护的插入式有线接口。现在设计人员面临越来越大的压力，需要添加某种无线接口来将他们的系统或设备连接到其他系统或物联网（IoT）。
虽然芯片技术的进步和新的接口使得无线连接的增加更加实用和成本效益，但缺点是存在扩展和混乱的可用协议，范围能力和数据速率的选择。这使设计人员难以为特定的应用做出正确的选择。
为了帮助缩短实际解决方案的领域，本文比较并总结了针对嵌入式设计的十种无线网络选项，并提供了三种完全不同的无线模块的示例。
无线接口评估标准
对于大多数嵌入式设计而言，范围，成本和功耗可能是最重要的标准。在范围方面，无线选项差别很大：
近场通信（NFC）仅携带几厘米。
蓝牙和Zigbee的设计使用极低的功耗可以跨越几米。
基于802.11的Wi-Fi无线电台可以在数百米范围内直接访问无处不在的互联网基础设施。
窄带物联网（NB-IoT）使用许可的蜂窝基础设施在数公里内传输无线数据。
LoRaWAN和Sigfox是物联网设备的低功率，长距离无线选项，也可以覆盖许多公里，但是可以在未经许可的频段运行。
图1是一个简单的图，它将几个这些协议放置在带宽/距离平面上。
图1：几种无线协议的范围（以米到公里）与带宽（以每秒位数到每秒兆位）的概念图。
除了范围，成本和功耗之外，还有两个额外的标准需要考虑。首先是应用程序是否需要一个板载应用程序处理器。一些无线模块模仿Arduino Uno等流行开发板的操作，并使用相同的开发工具。其他有自己的架构和自己的发展生态系统。还有一些人根本没有机上处理。
如果无线模块仅实现主处理器的通信，则主处理器和无线模块之间的接口成为重要因素。这里有很多选择，包括I2C，SPI或UART等串行协议。另一种可能性是Arduino I / O头 - 很多模块都可以作为Arduino屏蔽。但是，这些较慢的串行接口和Arduino I / O接头将不支持更高的数据速率。例如，更快的数据速率要求比PCIe更快的接口。
以下字母表列出了适用于嵌入式设计的各种无线网络协议的十种常见选择和基本选择标准。
表1：嵌入式无线通信的各种标准的比较。
其中一些无线协议，如Wi-Fi，蓝牙，低功耗蓝牙（LE）和NFC已经广泛用于手机和笔记本电脑。数以亿计的运输，实施这些协议所需的RF IC和模块已经变得相对便宜。以下是上表中列出的每种无线标准的简要概述：
蓝牙：最初开发用于将配套设备无线链接到移动电话手持设备，蓝牙已经成为需要相对短距离和适中数据带宽（每秒1到3兆比特每秒）的低功耗应用的有用无线协议。由于已经开发了大量的数据协议和配置文件，蓝牙射频模块相对易于集成到嵌入式应用中。
蓝牙LE：与传统蓝牙相比，蓝牙LE大大降低了功耗和成本，同时保持了类似的通信范围。它针对医疗保健，健身，位置信标，安全和家庭娱乐中的新应用。
LoRaWAN：LoRaWAN旨在用于区域，国家或全球网络中的无线电池供电设备，其目标是通过大范围的移动和本地化服务提供安全，低功耗，双向通信的关键IoT要求。 LoRaWAN规范是一个媒体访问控制（MAC）层，可以覆盖从Globalsat等卫星网络到地面公共和专用网络的各种物理层（PHY）协议。 LoRaWAN无需本地网络支持即可在物联网设备之间提供无缝，长距离的互操作性。
窄带物联网：窄带物联网（NB-IoT）是由第三代合作伙伴计划（3GPP）标准化的一系列移动物联网（MIoT）技术之一，旨在连接各种设备并支持使用蜂窝电信频段的服务。 NB-IoT在分配给4G LTE蜂窝网络的蜂窝频谱内使用正常LTE载波内的资源块或者LTE载波保护频带内的未使用资源块内部署。
NFC：对于移动电话等便携式设备，NFC提供了一套标准化的通信协议，使两个电子设备能够在近距离进行通信（通常小于10厘米（cm）），因此它完全是短距离连接。它经常用于金融交易，例如非接触式支付系统和电子移动票务。由于NFC的短距离，两个NFC通信设备中的一个通常是手持式和便携式的。否则，一对简单的电线通常会提供更便宜，更简单的通信链路。
Sigfox：低功耗对象，如电表或智能手表，需要间歇性开启并需要使用电池供电数年甚至数十年，可以使用Sigfox专有的远程无线电接口偶尔将少量数据发送至云。
6LoWPAN：6LoWPAN是“IPv6低功耗无线个人区域网络”的缩写，其基础是互联网协议（IP）可以并且应该适用于最小的设备。 6LoWPAN协议允许具有有限处理能力的低功耗设备通过定义机制来参与IoT，这些机制允许IPv6数据包通过无线网络进行发送和接收（基于IEEE 802.15.4的不太复杂的PHY层和MAC层）作为Zigbee低功率RF网状网络的基础，以及其他几种）。
802.11 / Wi-Fi：无处不在，速度快，并且通过IP的原生支持，Wi-Fi无线电相对易于集成到嵌入式设计中，从而将设备直接连接到物联网。
802.15 / Zigbee：IEEE 802.15.4标准规定了低数据速率无线个人区域网络（WPAN）的PHY和MAC。 Zigbee以802.15.4标准为基础构建了无线协议，旨在构建链接传感器和控制器的中型或大型网状网络。现在有超过2，500种产品获得了Zigbee认证，并且已经有超过3亿种产品已经发货。
Z-Wave：Z-Wave是一种易于实现的低速无线协议，它允许各种家用电子设备使用可靠，低功耗的无线协议进行互通，该协议可轻松穿过墙壁，地板和机柜。 Z-Wave是一家供应商开发的专有协议，需要使用许可证。目前，Z-Wave联盟有700多家成员公司提供2400多种无线连接的“智能”产品，如电器，窗帘，恒温器和家庭照明。
大多数这些无线协议现在都已经通过了区域标准认证的即用型模块，使需要为其设计添加无线通信的嵌入式设计人员的工作变得更容易。
本文将提供许多此类模块的示例和说明，这里有三种完全不同的无线协议模块来激发用户的兴趣：Adafruit的3320 ESP-WROOM-32 。ESP-WROOM-32是一款Wi-Fi /蓝牙/蓝牙LE模块内置处理器，可用于从低功耗，低数据速率传感器网络到更高数据速率的更苛刻任务（包括语音编码，音乐流和MP3解码）的各种应用。该模块尺寸仅为25.2 x 18毫米，但配备了32位双核处理器，可在必要时充当主控制器。它还可以使用各种接口（包括SPI和I2C）以无线方式启用另一个作为从设备的CPU。
EWM-W151H01E Advantech公司的802.11b / g / n 1T Mini PCIe卡
半尺寸EWM-W151H01E 1T Mini PCIe卡采用IEEE 802.11b / g / n Wi-Fi标准，数据速率高达150 Mbps。 该卡的插入式Mini PCIe外形以及Windows和Linux驱动程序意味着此卡模块最适合嵌入式PC（x86处理器）设计。
Digi International的XBC-V1-UT-001 XBee蜂窝LTE Cat 1模块
来自Digi International的XBee系列可编程RF模块的XBC-V1-UT-001蜂窝LTE Cat 1模块以每月几美元的价格连接到Verizon的LTE蜂窝网络。 它可以用作MicroPython中编程的无线嵌入式控制处理器。 它也可以作为一个简单的蜂窝调制解调器，用于其他嵌入式CPU的UART连接。 Digi International还提供XKC-V1T-U XBee 4G蜂窝移动开发套件，包括移动调制解调器，电缆，电源和将调制解调器的端口分配给连接器的载板。
结论
设计人员继续满足对其嵌入式系统设计的某种形式的无线连接的需求。 然而，无线选项的数量继续扩大，造成一定程度的混乱。
为了消除这种混乱，设计师必须首先明确设计要求。 因此，他们可以使用上述讨论快速将这些要求与范围，功率和数据速率的各种无线连接配置文件进行匹配。 这可以大大简化和加速从不断增长的无线动物园中选择的过程。
本文讨论了嵌入式系统设计人员可用的各种无线连接选项，并提供了一些相关示例。
嵌入式设备和系统历来是独立的，具有用于数据交换和维护的插入式有线接口。现在设计人员面临越来越大的压力，需要添加某种无线接口来将他们的系统或设备连接到其他系统或物联网（IoT）。
虽然芯片技术的进步和新的接口使得无线连接的增加更加实用和成本效益，但缺点是存在扩展和混乱的可用协议，范围能力和数据速率的选择。这使设计人员难以为特定的应用做出正确的选择。
为了帮助缩短实际解决方案的领域，本文比较并总结了针对嵌入式设计的十种无线网络选项，并提供了三种完全不同的无线模块的示例。
无线接口评估标准
对于大多数嵌入式设计而言，范围，成本和功耗可能是最重要的标准。在范围方面，无线选项差别很大：
近场通信（NFC）仅携带几厘米。
蓝牙和Zigbee的设计使用极低的功耗可以跨越几米。
基于802.11的Wi-Fi无线电台可以在数百米范围内直接访问无处不在的互联网基础设施。
窄带物联网（NB-IoT）使用许可的蜂窝基础设施在数公里内传输无线数据。
LoRaWAN和Sigfox是物联网设备的低功率，长距离无线选项，也可以覆盖许多公里，但是可以在未经许可的频段运行。
图1是一个简单的图，它将几个这些协议放置在带宽/距离平面上。
图1：几种无线协议的范围（以米到公里）与带宽（以每秒位数到每秒兆位）的概念图。
除了范围，成本和功耗之外，还有两个额外的标准需要考虑。首先是应用程序是否需要一个板载应用程序处理器。一些无线模块模仿Arduino Uno等流行开发板的操作，并使用相同的开发工具。其他有自己的架构和自己的发展生态系统。还有一些人根本没有机上处理。
如果无线模块仅实现主处理器的通信，则主处理器和无线模块之间的接口成为重要因素。这里有很多选择，包括I2C，SPI或UART等串行协议。另一种可能性是Arduino I / O头 - 很多模块都可以作为Arduino屏蔽。但是，这些较慢的串行接口和Arduino I / O接头将不支持更高的数据速率。例如，更快的数据速率要求比PCIe更快的接口。
以下字母表列出了适用于嵌入式设计的各种无线网络协议的十种常见选择和基本选择标准。
表1：嵌入式无线通信的各种标准的比较。
其中一些无线协议，如Wi-Fi，蓝牙，低功耗蓝牙（LE）和NFC已经广泛用于手机和笔记本电脑。数以亿计的运输，实施这些协议所需的RF IC和模块已经变得相对便宜。以下是上表中列出的每种无线标准的简要概述：
蓝牙：最初开发用于将配套设备无线链接到移动电话手持设备，蓝牙已经成为需要相对短距离和适中数据带宽（每秒1到3兆比特每秒）的低功耗应用的有用无线协议。由于已经开发了大量的数据协议和配置文件，蓝牙射频模块相对易于集成到嵌入式应用中。
蓝牙LE：与传统蓝牙相比，蓝牙LE大大降低了功耗和成本，同时保持了类似的通信范围。它针对医疗保健，健身，位置信标，安全和家庭娱乐中的新应用。
LoRaWAN：LoRaWAN旨在用于区域，国家或全球网络中的无线电池供电设备，其目标是通过大范围的移动和本地化服务提供安全，低功耗，双向通信的关键IoT要求。 LoRaWAN规范是一个媒体访问控制（MAC）层，可以覆盖从Globalsat等卫星网络到地面公共和专用网络的各种物理层（PHY）协议。 LoRaWAN无需本地网络支持即可在物联网设备之间提供无缝，长距离的互操作性。
窄带物联网：窄带物联网（NB-IoT）是由第三代合作伙伴计划（3GPP）标准化的一系列移动物联网（MIoT）技术之一，旨在连接各种设备并支持使用蜂窝电信频段的服务。 NB-IoT在分配给4G LTE蜂窝网络的蜂窝频谱内使用正常LTE载波内的资源块或者LTE载波保护频带内的未使用资源块内部署。
NFC：对于移动电话等便携式设备，NFC提供了一套标准化的通信协议，使两个电子设备能够在近距离进行通信（通常小于10厘米（cm）），因此它完全是短距离连接。它经常用于金融交易，例如非接触式支付系统和电子移动票务。由于NFC的短距离，两个NFC通信设备中的一个通常是手持式和便携式的。否则，一对简单的电线通常会提供更便宜，更简单的通信链路。
Sigfox：低功耗对象，如电表或智能手表，需要间歇性开启并需要使用电池供电数年甚至数十年，可以使用Sigfox专有的远程无线电接口偶尔将少量数据发送至云。
6LoWPAN：6LoWPAN是“IPv6低功耗无线个人区域网络”的缩写，其基础是互联网协议（IP）可以并且应该适用于最小的设备。 6LoWPAN协议允许具有有限处理能力的低功耗设备通过定义机制来参与IoT，这些机制允许IPv6数据包通过无线网络进行发送和接收（基于IEEE 802.15.4的不太复杂的PHY层和MAC层）作为Zigbee低功率RF网状网络的基础，以及其他几种）。
802.11 / Wi-Fi：无处不在，速度快，并且通过IP的原生支持，Wi-Fi无线电相对易于集成到嵌入式设计中，从而将设备直接连接到物联网。
802.15 / Zigbee：IEEE 802.15.4标准规定了低数据速率无线个人区域网络（WPAN）的PHY和MAC。 Zigbee以802.15.4标准为基础构建了无线协议，旨在构建链接传感器和控制器的中型或大型网状网络。现在有超过2，500种产品获得了Zigbee认证，并且已经有超过3亿种产品已经发货。
Z-Wave：Z-Wave是一种易于实现的低速无线协议，它允许各种家用电子设备使用可靠，低功耗的无线协议进行互通，该协议可轻松穿过墙壁，地板和机柜。 Z-Wave是一家供应商开发的专有协议，需要使用许可证。目前，Z-Wave联盟有700多家成员公司提供2400多种无线连接的“智能”产品，如电器，窗帘，恒温器和家庭照明。
大多数这些无线协议现在都已经通过了区域标准认证的即用型模块，使需要为其设计添加无线通信的嵌入式设计人员的工作变得更容易。
本文将提供许多此类模块的示例和说明，这里有三种完全不同的无线协议模块来激发用户的兴趣：Adafruit的3320 ESP-WROOM-32 。ESP-WROOM-32是一款Wi-Fi /蓝牙/蓝牙LE模块内置处理器，可用于从低功耗，低数据速率传感器网络到更高数据速率的更苛刻任务（包括语音编码，音乐流和MP3解码）的各种应用。该模块尺寸仅为25.2 x 18毫米，但配备了32位双核处理器，可在必要时充当主控制器。它还可以使用各种接口（包括SPI和I2C）以无线方式启用另一个作为从设备的CPU。
EWM-W151H01E Advantech公司的802.11b / g / n 1T Mini PCIe卡
半尺寸EWM-W151H01E 1T Mini PCIe卡采用IEEE 802.11b / g / n Wi-Fi标准，数据速率高达150 Mbps。 该卡的插入式Mini PCIe外形以及Windows和Linux驱动程序意味着此卡模块最适合嵌入式PC（x86处理器）设计。
Digi International的XBC-V1-UT-001 XBee蜂窝LTE Cat 1模块
来自Digi International的XBee系列可编程RF模块的XBC-V1-UT-001蜂窝LTE Cat 1模块以每月几美元的价格连接到Verizon的LTE蜂窝网络。 它可以用作MicroPython中编程的无线嵌入式控制处理器。 它也可以作为一个简单的蜂窝调制解调器，用于其他嵌入式CPU的UART连接。 Digi International还提供XKC-V1T-U XBee 4G蜂窝移动开发套件，包括移动调制解调器，电缆，电源和将调制解调器的端口分配给连接器的载板。
结论
设计人员继续满足对其嵌入式系统设计的某种形式的无线连接的需求。 然而，无线选项的数量继续扩大，造成一定程度的混乱。
为了消除这种混乱，设计师必须首先明确设计要求。 因此，他们可以使用上述讨论快速将这些要求与范围，功率和数据速率的各种无线连接配置文件进行匹配。 这可以大大简化和加速从不断增长的无线动物园中选择的过程。
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