在物聯網中添加【物】的六種方法
【作者： R. Beddor】 2020年07月09日 星期四
物聯網解決方案通常連接成百上千個邊緣設備，隨著更多邊緣設備的加入，成本和電源管理等常見的設計限制也越來越多。本文將概述物聯網應用中最常用的連接方法類型，並可從中權衡選擇及確定如何在物聯網設計時添加「物」。
如果您正在線上閱讀本文，則很可能是透過蜂巢網路、Wi-Fi或乙太網實現網路連接的，儘管這些連接方法在消費性電子產品中應用廣泛，但與物聯網（IoT）邊緣節點並無太多關聯。與消費性產品不同，大多數的邊緣設備不用檢查電子郵件（很幸運）或播放串流電影，因此這些設備無需具備這些產品所使用的高資料速率。
物聯網解決方案通常連接成百上千個邊緣設備，隨著更多邊緣設備的加入，成本和電源管理等常見的設計限制也越來越多。在這種規模下，產品與互聯網的連接方式將決定該解決方案的成功與否。
本文將概述物聯網應用中最常用的連接方法類型。請按照本文權衡選擇及確定如何在物聯網設計中來添加「物」。
[1] 乙太網
乙太網是一種將「物」連接到「網」的快速可靠的方法。乙太網常見於工業和建築自動化行業，尤其適用於在同一網路中包含許多節點的系統。
由於乙太網採用實體接線方式，因此本質上也是一種非常安全的連接方法。還可以使用乙太網電纜，透過乙太網供電（PoE）方式為設備供電，這樣便無需再使用單獨的電源模組來為終端設備供電。
但是，實體接線確實也帶來了巨大的設計挑戰，而且並非適用於所有應用。透過乙太網連接的節點必須靠近路由器，即使在家庭和建築自動化等短距離應用中，乙太網電纜的規模也同樣龐大，如何管理和隱藏纜線是一項重大挑戰。在現代建築中，自動照明系統在施工時使用實體接線方式，但是在未採用相關設計的建築中安裝乙太網物聯網系統通常是不可行的。
[2] Wi-Fi連接
作為網際網路連接的必備工具，Wi-Fi的無線特性極具吸引力。Wi-Fi受到主流設備的廣泛支援，並且不像乙太網一樣存在實體接線限制。
儘管具備普遍性，但是將Wi-Fi功能添加到嵌入式設計中通常很複雜。Wi-Fi之所以有吸引力是因為其無需接線且速度很快，但這種方法也存在安全性漏洞和功耗問題。因此，進行基於Wi-Fi的物聯網設計時，工程師需要在安全性、功耗和成本方面做審慎的權衡。
幸運的是，現在已經有解決方案能夠幫助工程師克服這些障礙。使用針對物聯網優化的Wi-Fi模組，有助於簡化設計並節省開發時間。諸如WINC1500等模組經過全面認證，支援安全協議，而且針對電池供電設備進行了優化，可在不影響成本和功耗的前提下實現Wi-Fi連接。
[3] LPWAN
低功耗廣域網路(LPWAN)在消費性產品中不太常見，因此可能不為人熟悉。物聯網應用的很大一部分是廣域應用，例如環境監控。
使用物聯網進行環境監控的優勢，在於我們可以監控鄉村、近海和通常無法進入的區域，而問題就在於這些地點位於鄉村、近海和通常無法進入的區域，例如無法給漂浮在馬里亞納海溝中的設備快速充電，也無法在撒哈拉沙漠裡連接到Wi-Fi。
典型的LPWAN使用範圍約為10公里左右。資料傳輸速度非常慢，但是，除非物聯網解決方案在檢查電子郵件或播放流媒體視頻，否則不太可能需要高速連接。
儘管常用於農業和偏遠地區，但LPWAN並不局限於此。LPWAN在城市中的利用率正不斷增長，例如用於跟蹤拍賣場中車輛的LPWAN應用，已成為北美最大的商用物聯網部署之一。
有兩種常用的LPWAN協議：LoRaWAN（源自長距離，也稱為LoRa）和Sigfox。兩者之間的一大差異是成本，Sigfox是一項基於訂閱式的服務，其工作方式與蜂巢式網路類似。如果Sigfox在所在的地區可用，則可以透過訂閱本地供應商的服務實現連接。而使用LoRaWAN時，開發人員可以透過創建「自助式」網路省去訂閱費用，但是大多數人仍會選擇使用本地網路供應商的LoRa閘道基礎架構，並且按照使用量付費。
[4] 蜂巢式網路
除了農村深處和偏遠地區，蜂巢式網路可以覆蓋其餘所有地方。對於需要此類覆蓋範圍的嵌入式系統，蜂巢式網路是唯一的選擇。但是蜂巢式網路十分昂貴，必須先選擇網路供應商，而且只有在透過政府監管部門批准後，才能建立自己的網路。對於每個節點來說，嵌入式元件和供應商訂閱的高昂成本，通常會抵消蜂巢式網路廣泛的覆蓋範圍所帶來的優勢。
也就是說，需要權衡使用蜂巢式網路連接「物」和每月為手機服務付費的利弊。物聯網專用的蜂巢式網路正如雨後春筍般興起，與LPWAN形成競爭之勢。LTE CAT-M是一種快速發展的物聯網蜂巢式網路。其中「M」代表「機器」，該網路針對物聯網進行了優化，是一種速度、成本和功耗更低的解決方案。不過，這樣可能會讓手機費用很高，CAT-M計畫的收費標準約為每月7美元，僅提供5 MB的資料。蜂巢式網路物聯網連接的其他選項，還包括CAT-0、CAT-1和新推出的NB-IoT（NB表示「窄頻帶」）。
5G的推出有望推動物聯網領域的創新。儘管5G的價格要比針對物聯網的網路更高，但其更快的速度可以進一步推動尖端物聯網應用（例如自動駕駛汽車）的發展，5G的覆蓋範圍遠遠不及LTE或3G，但仍在不斷擴展。一些行業分析師預測，在未來五年內，5G的使用量將占到全球人口的20%。
[5] 衛星
蜂巢式網路可以覆蓋大多數人口稠密的地區，但是，要如何在偏遠荒涼的地區實現網路連接呢？
衛星連接可用於物聯網應用，例如蜂巢式服務無法覆蓋的地球偏遠地區的運輸物流。雖然隨著衛星技術的發展，情況有望發生變化，但是開發衛星物聯網應用並不像開發其他連接選項那樣容易，許多衛星服務會留作國防用途。
[6] Bluetooth連接
對於藍牙(Bluetooth)，您可能並不陌生。Bluetooth Classic和Bluetooth Low Energy (BLE) 的最大範圍均在100公尺以上，但通常用於相距不超過幾公尺的設備。日常生活中，藍牙在手機和電腦配件中隨處可見，廣泛應用於耳機、鍵盤和顯示技術。
得益於低功耗（BLE的功耗尤其低）、廣受支援並且可以快速配對的特性，藍牙非常適合消費性電子產品。與Wi-Fi不同，藍牙不會直接連接到互聯網，需要設置閘道才能接入互聯網，雖然自行設置閘道聽起來很麻煩，但通常操作起來就像使用手機連接Wi-Fi一樣容易。
最近更新的藍牙5.0版本擴展了藍牙的範圍，可以在家庭網路中使用，儘管Bluetooth Classic和Bluetooth LE通常用於連接僅相距數公尺的設備，但整個家庭都可以透過藍牙5.0實現互聯，應用範圍的擴展幫助藍牙成功進軍家庭自動化、照明和工業應用領域。
建議
這些連接方法的主要變化趨勢是簡化實施過程，Wi-Fi和藍牙等常用網路通常是評估和探索IoT設計的最簡單方法，這些網路無需自行搭建閘道或向供應商付費。
消費者可以使用多種Wi-Fi和藍牙原型模組，其中很多都提供開放原始程式碼和程式設計教程，我們建議使用連接模組，因為這樣會使設計更加靈活，當需要針對不同的網路調整設計時，可以更換模組，而不必從頭開始。
簡化設計流程
連接到網際網路只是物聯網設計流程的一部分，物聯網系統應具備以下三個元素：智慧、連接和安全，這些元素分別對應於三個電子元件：微控制器（MCU）、連接模組和安全元件，物聯網設計的挑戰在於如何整合上述三種元件。
Microchip的AVR-IoT WG開發板是精簡型Wi-Fi開發平台的一個範例，這款開發板經過預先的配置，可以安全連接到Google Cloud的物聯網平台，透過將安全元件、Wi-Fi控制器和MCU整合在同一塊開發板上，可以省去許多瑣碎的設計工作，直抵問題核心：以創新和快速的方式將物聯網產品推向市場。
Arduino Uno WiFi Rev 2同樣能夠提供智慧、連接和安全元素，Arduino擁有一個活躍的原型設計社群，線上提供了許多使用教程和開放的原始程式碼。
MikroElektronika click boards是快速原型設計模組，可直接連接到AVR-IoT WG開發板，或透過Arduino Uno WiFi R2的Shield板實現連接，這款模組提供多個連接click板（包括各種LoRa和藍牙模組），可在原型設計階段向物聯網設計中添加連接。
Arduino和AVR-IoT WG開發板等用戶友好型工具，顯著降低了構建物聯網設備的難度。無論是一位嵌入式設計人員、製造商，或只是一個對此領域感興趣的網路粉絲，都可以建立一個物聯網的網路。這種強大的無障礙性再加上日益緊密的網路世界，確保了連接將持續以前所未有的方式，推動網路世界的進步。
附圖：圖一 : 物聯網（IoT）由連接到同一網路的成百上千個設備組成
圖二 : 作為消費性電子產品優先考慮的互聯網連接選項，Wi-Fi具備高速和無需接線等優勢。
圖三 : LPWAN能夠完美應用於農業領域，因為這些網路能夠以極低的功耗覆蓋大面積區域。
圖四 : 雖然衛星適用於蜂巢式網路服務無法覆蓋的偏遠地區，但目前商用物聯網很少選用。
圖五 : AVR-IoT WG開發板經過預先配置，可以安全連接到Google Cloud。
圖六 : MikroElektronika BLE2 click板可輕鬆整合到許多通用開發平台中。
資料來源：http://www.ctimes.com.tw/DispArt-tw.asp?O=HK4797B951MARASTDC&fbclid=IwAR3_OtyFVmk5i0ZfxLYXWDZUkEiA-BiVsDSQmv9B4LcZnntfyUARsRBeXUI
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