物联网人人可用

如今，技术领域的变化比以往任何时候都要快，无线应用对新技术的吸收步伐也时刻没有放缓。物联网 (IoT) 创新如火如荼，几乎涉及我们生活的每一个方面。仅将之前从未连接过的“事物”连接起来就将带来新的数据认知，进而转变成有意义的变革。物联网是一个大技术趋势，它不仅考验传统系统的承受能力，还将决定不同行业大大小小的公司的命运。预计到 2020 年底将有 500 亿物联网连网设备，到 2025 年这一数字将达到 1000 亿。

随着传输标准的改变，新标准已经能够适应各种物联网设备。对于无线爱好者来说，尝试设计新的调制方案从未如此容易，并且很多新的传感器都可以与无线链路配对使用。这些技术也比以往任何时候都更容易为人所用。本文将探讨该技术的每一项发展以及大家如何才能立即将这一廉价而普及的技术运用起来。

低功率广域网 (LPWAN) 无线电技术可用于蜂窝基础设施，并且从出现到现在已有几年的历史了。窄带物联网 (NB-IoT)、长期演进机器类型连接 (LTE-M 和 LTE-MTC) 以及增强型机器类型通信 (eMTC) 是目前流行的技术。这些技术的优势在于，它们利用现有用于语音和高带宽通信量的蜂窝发射塔。然而，只需要不定期报告和控制的设备并不需要高带宽，而且由于许多设备都采用电池驱动，因此需要这些技术标准支持更低的功耗和更低的带宽标准。

其它未利用现有蜂窝网络且必须重建基础设施的技术包括 Sigfox、LoRa/LoRaWAN 以及 NB-Fi 等。这样的缺点是需要将上行链路连接到覆盖范围更广的互联网。虽然这些非蜂窝网络运营商提供这种上行链路服务，但这又是另一种需要协商的计算机网络系统。

然而，蜂窝网络运营商都是大公司，要与他们有效竞争并不现实。最好的办法是采用符合他们标准的调制解调器，在他们的网络上买“时间”，然后按月为使用方案支付费用。

非蜂窝网络只需适当的资金便可建立起来，但限制是不能实现全球地域范围覆盖，除非将它们连接到一个能够执行因特网桥接的服务器。其实许多情况下，网络并不要求实现全球连接。例如一家组装和生产传感器工厂，网络实际上应该是应用隔离的。

不过好消息是：有蜂窝网络接入服务，有芯片和模块可以构建低功耗网络，并且有的网络数据流量套餐低到只需 3 美元一个月。全部所需就是一台蜂窝运营商认证的调制解调器，任何设备便可全球“在线”。

模块化的电子解决方案继续快速发展。设计人员可以获得预先构建好的且通过认证的无线电，无需芯片层面的专业设计知识。这不但降低了必要的射频技术能力要求，还加快了产品上市速度 。在最近一次调查中，我们对各种模块中所使用的芯片和所购买客户的类型进行了分析后，令人惊讶的发现，具备必要技术能力的企业不仅购买了这些模块上使用的相同芯片，还购买了模块，而且数量都达到了数千件，这完全是生产级的需求。这正好支持以下观点：为了测试新产品的市场，提前推出成本优化程度没那么高的产品可能会比从一开始就设计好一个成本优化的产品更好。如果测试市场足够大，那么就可以将产品成本一直优化到芯片级。但是还一个层级甚至比芯片更低，就是本文所称的波形层级。

通过软件无线电 (SDR) 技术，开发人员可以试验全新的调制方案。如果有独特的需求且设计人员有经验设计得出来，那么就可以开发出一个专属的无线电标准。即便经验不足，通过用 SDR 进行实验，也可以教设计人员许多东西，而且还很有趣。例如，本文作者的一位同事就获得过一项关于解码 FM 立体声广播的专利，这个专利可以在信号等于左右波形的精确时刻对基带信号的值进行插值，而无需将系统与射频载波进行时钟同步。这是一种将信号分解复合的软件方法，所有这些现在都可以在 SDR 中实现。这个专利已有将近 30 年的历史，曾经是一项开发挑战。现在有了现成即用的 SDR 就很简单。

Analog Devices 的高级学习模块 PLUTO (ADALM-PLUTO) 就是一个这样的 SDR，到 2020 年 9 月，该模拟现货价约为 150 美元。这些模块通过 USB 链路与个人计算机连接，内含易于重新配置的 FPGA，广泛支持编程语言 Python，并且能在 325 MHz 至 3.8 GHz 范围内收发信号。如果设计人员真的想了解和使用射频，那么就可以从这个层级开始。

回到具体产品概念层面，采用芯片和模块形式的传感器成百上千，数量激增。各大分销商实际上提供的传感器有数十万种之多，其中 DigiKey 就提供了 210,000 多种不同的传感器。

以下是其中的一些传感器类型：

• 接近传感器
• 传感器、变送器，温度传感器 – 模拟和数字输出
• 传感器、变送器，专用传感器
• 传感器、变送器，气体传感器
• 传感器、变送器，位置传感器 – 角度、线性位置测量
• 传感器、变送器，压力传感器，变送器
• 传感器、变送器，湿度、湿敏传感器
• 传感器、变送器，电流传感器
• 传感器、变送器，光学传感器 – 环境光、红外线、紫外线传感器
• 传感器、变送器，光学传感器 - 测距
• 开发板、套件、编程器，评估板 – 传感器
• 传感器、变送器，磁传感器 – 位置、接近、速度
• 传感器、变送器，光学传感器 – 光电、工业
• 传感器、变送器，运动传感器 - 加速计
• 传感器、变送器，图像传感器、摄像头

其中任何一个传感器或者它们的任意组合都能整合到产品中，并可通过各种无线选件连接到互联网。

例如，在 maker.io 的 “Trinamic 的 TMC5161 + Microchip 的 AVR-IoT WG + DigiKey 的 IoT Studio Temp”（图 1）页面可以找到展示“百叶窗控制器”互联网连接的在线项目 。

图 1：maker.io 项目 “Kickstart and Innovate your blinds control design” 中所述的遥控百叶窗项目 。（图片来源：maker.io）

Microchip Technology 的开发套件针对的是智能物联网家庭自动化应用，更多详细信息见：物联网家庭自动化评估套件（图 2）。

图 2：Microchip 的物联网家庭自动化评估套件。（图片来源：Microchip）

总结

人人都可以使用物联网，本文所讨论的开发套件只是为物联网设计人员提供的示例工具。

最后，祝愿各位在这个互联的世界中开发出一个个连接到物联网的“好东西”。