編者按：本系列文章包括兩部分，第 1 部分討論嵌入式系統設計人員可選擇的各種無線連接，并提供了一些相關示例。第 2部分將更詳細地討論無線模塊的特性，并深入了解如何有效地使用這些模塊。

過去，嵌入式設備和系統一直是獨立的，采用插入式有線接口進行數據交換和維護。現在，設計人員面臨的壓力越來越大，他們需要增加無線接口以將系統或設備連接到其他系統或物聯網 (IoT)。

雖然隨著芯片技術的進步和新接口的推出，增加無線連接變得更為實用和更具成本效益，但缺點是要從一系列不斷擴展且容易混淆的可用協議、傳輸范圍能力和數據速率中進行選擇。這使得設計人員難以為特定應用做出正確選擇。

為了幫助設計人員更快地鎖定實際解決方案，本文比較并總結了嵌入式設計的十種無線網絡選擇，并提供了三種完全不同的無線模塊示例。

無線接口評估標準

對于大多數嵌入式設計而言，傳輸范圍、成本和功耗可能是最重要的標準。在傳輸范圍方面，各無線網路選擇差別很大：

• 近場通信 (NFC) 的傳輸距離僅有幾厘米。

• 藍牙和 Zigbee 使用的功耗極低，傳輸距離只有幾米。

• 基于 802.11 的 Wi-Fi 無線電可以在數百米范圍內直接接入無處不在的互聯網基礎設施。

• 窄帶物聯網 (NB-IoT) 使用已獲許可的蜂窩基礎設施，可跨越數千米傳輸無線數據。

• LoRaWAN 和 Sigfox 是針對物聯網設備的低功率、長距離無線選項，傳輸距離同樣可達數千米，但是在公共頻帶內工作。

圖 1 是一張將幾種此類協議放置在帶寬/范圍維度上進行對比的簡圖。

圖 1：幾種無線協議的范圍（單位：米到千米）與帶寬（單位：比特每秒到兆位每秒）對比的概念圖。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

除了傳輸范圍、成本和功耗之外，還有兩個額外標準需要考慮。首先是應用是否需要一個板載應用處理器。有些無線模塊能仿真應用處理器操作，并使用與像ArduinoUno這樣熱門開發板一樣的開發工具。另一些無線模塊有自己的架構和開發生態系統。還有一些則完全沒有板載處理功能。

如果無線模塊僅實現主機處理器的通信，則主機處理器與無線模塊之間的接口會成為一個重要考慮因素。用戶在這方面有很多選擇，包括 I2C、SPI 或 UART 等串行協議。另一種可能性是 Arduino I/O 針座——很多模塊都可用作 Arduino 盾板。但是，這些串行接口和 Arduino I/O 針座速度較慢，將不支持更高的數據速率。更快的數據速率要求諸如 PCIe 的更快接口。

以下表格內容按字母表排序，列出了適用于嵌入式設計的十種常見無線網絡協議和基本選擇標準。

無線標準功率傳輸范圍（典型）數據速率藍牙中1 至 100 m1 至 3 Mbps低功耗藍牙較低> 100 m125 kbps 至 2 MbpsLoRaWAN低10 km0.3 至 50 kbpsNB-IoT低< 35 km20 kbps 至 5 MbpsNFC低< 10 cm106 至 424 kbpsSigfox低3 至 50 km100 至 600 bps6LoWPAN低100 m0 至 250 kbps802.11/Wi-Fi中100 米至數千米（帶增幅器）10 至 100+ Mbps802.15.4/Zigbee低10 至 100 m20 至 250 kbpsZ-Wave低15 至 150 m9.6 至 40 kbps

表 1：各嵌入式無線通信標準之比較。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

其中一些無線協議，如 Wi-Fi、藍牙、低功耗藍牙 (LE) 和 NFC 已廣泛用于手機和筆記本電腦。實現這些協議所需的 RF IC 和模塊相當普及，發貨數量以億計，其成本已變得相對較低。以下是對上表中所列每個無線標準的簡要概述：

藍牙：藍牙最初開發的目的是，實現手機與配套設備的無線連接。現在，它已成為一種實用的無線協議，適用于需要較短傳輸距離和 1 至 3 兆位每秒 (Mbps) 中等數據帶寬的低功耗應用。由于已開發出大量數據協議和規格，藍牙射頻模塊可相對容易地集成到嵌入式應用中。

低功耗藍牙：與傳統藍牙相比，低功耗藍牙在保持類似通信范圍的同時，大幅降低了功耗和成本。它面向的是醫療保健、健身、位置信標、安全和家庭娛樂領域的新應用。

LoRaWAN：LoRaWAN 適用于區域性、全國性或全球性網絡中的電池供電型無線設備，旨在滿足物聯網關鍵需求——通過廣泛地域內的移動和本地化服務提供安全、低功耗、雙向通信。LoRaWAN 規范是一個介質訪問控制 (MAC) 層，可覆蓋從像 Globalsat 這樣的衛星網絡到地面公共和專用網絡的各種物理層 (PHY) 協議。LoRaWAN 無需本地網絡支持即可在物聯網設備之間提供無縫、長距離的互配性。

窄帶物聯網：窄帶物聯網 (NB-IoT) 是由第三代合作伙伴計劃 (3GPP) 標準化的一系列移動物聯網 (MIoT) 技術之一，旨在連接各種設備并推動采用蜂窩電信頻段的服務。NB-IoT 使用正常 LTE 載波內的資源塊，部署在分配給 4G LTE 蜂窩網絡的蜂窩頻譜的“頻帶內”，或部署在 LTE 載波保護頻帶內的未使用資源塊內。

NFC：對于手機等便攜式設備，NFC 提供了一套標準化通信協議，支持兩個電子設備近距離通信（通常小于 10 厘米），因此它完全屬于短距離連接。NFC 經常用于金融交易，例如非接觸式支付系統和電子移動票務。由于 NFC 的通信距離較短，兩個 NFC 通信設備中的一個通常是手持式和便攜式設備。否則，只需一對電線通常就能提供更便宜、更簡單的通信鏈路。

Sigfox：電表或智能手表等低功耗物件需要間歇性開啟，并且需要采用電池供電數年甚至數十年之久，這類器件可使用 Sigfox 專有的遠程無線接口，偶爾將少量數據發送到云端。

6LoWPAN：6LoWPAN 是“IPv6 低功耗無線個人局域網 (IPv6 over Low-Power Wireless Personal Area Networks)”的縮寫形式，其理論基礎是：互聯網協議 (IP) 可以并應該適用于即便是最小的設備。6LoWPAN 協議允許處理能力有限的低功耗設備通過定義各種機制來參與物聯網，這些機制允許通過基于低復雜度 IEEE 802.15.4 PHY 和 MAC 層的無線電網絡，發送和接收 Ipv6 數據包（IEEE 802.15.4 也是 Zigbee 低功耗射頻網狀網絡和多種其他協議的基礎）。

802.11/Wi-Fi：Wi-Fi 無線電無所不在、速度超群，且具備原生 IP 支持，可相對容易地集成到嵌入式設計中，將設備直接連接到物聯網。

802.15/Zigbee：IEEE 802.15.4 標準規定了低數據速率無線個人局域網 (WPAN) 的 PHY 和 MAC 層。Zigbee 基于 802.15.4 標準構建，采用無線協議，旨在建立鏈接傳感器和控制器的中型或大型網狀網絡。目前獲得 Zigbee 認證的產品超過 2,500 種，已出貨產品超過 3 億件。

Z-Wave：Z-Wave 是一種易于實現的低速無線協議，允許各種家用電子設備使用可靠的低功耗無線協議進行互通，該協議可輕松穿過墻壁、地板和機柜。Z-Wave 是由一家供應商開發的專有協議，需要使用許可。目前，Z-Wave 聯盟有 700 多家會員公司，提供 2400 多種無線連接“智能”產品，如電器、窗簾、恒溫器和家用照明設備。

目前，這些無線協議中的大多數是已通過區域標準認證的即用型模塊，能讓嵌入式設計人員更加輕松地為其設計增加所需的無線通信。雖然本文第 2 部分會提供許多此類模塊的示例和說明，但作為預熱，下面列出三種完全不同的無線協議模塊：

Adafruit的3320ESP-WROOM-32

ESP-WROOM-32 是一款內置處理器的 Wi-Fi/藍牙/低功耗藍牙模塊，適用于從低功耗、低數據速率傳感器網絡到以更高數據速率運行的更嚴苛任務的各種應用，包括語音編碼、音樂流媒體和 MP3 解碼。該模塊尺寸僅為 25.2 x 18 毫米，但配備 32 位雙核處理器，可在必要時充當主機控制器。它還可以使用各種接口（包括 SPI 和 I2C）以無線方式啟用另一個作為從設備工作的 CPU。

圖 2：Adafruit 的 3320 ESP-WROOM-32 ESP32 Wi-Fi-BT-BLE MCU 模塊，運行速度達 150 Mbps。（圖片來源：Adafruit）

Advantech Corp.的EWM-W151H01E802.11b/g/n 1T Mini PCIe 卡

半尺寸 EWM-W151H01E 1T Mini PCIe 卡采用 IEEE 802.11b/g/n Wi-Fi 標準，工作數據速率高達 150 Mbps。該卡采用插入式 Mini PCIe 外形尺寸及 Windows 和 Linux 驅動程序，這意味著該卡模塊最適合嵌入式 PC（x86 處理器）設計。

圖 3：Advantech EWM-W151H01E 1T 半尺寸 Mini PCIe 卡，采用 IEEE 802.11b/g/n Wi-Fi 標準。（圖片來源：Advantech）

Digi International的XBC-V1-UT-001XBee 蜂窩 LTE Cat 1 模塊

Digi International Xbee 可編程射頻模塊系列的 XBC-V1-UT-001 蜂窩 LTE Cat 1 模塊以每月幾美元的價格連接到 Verizon 的 LTE 蜂窩網絡。它可以用作在 MicroPython 中編程的無線嵌入式控制處理器，也可以用作一個簡單的蜂窩調制解調器，并為其他嵌入式 CPU 提供了一個 UART 連接。Digi International 還提供XKC-V1T-UXBee 4G 蜂窩開發套件，包括蜂窩調制解調器、電纜、電源以及將調制解調器的端口分接至連接器的載板。

圖 4：Digi International 的 XBC-V1-UT-001 Xbee 蜂窩 LTE Cat 1 無線電模塊，能將一個嵌入式系統加入 Verizon 的蜂窩通信網絡，每月只需幾美元。（圖片來源：Digi International）

總結

設計人員需要不斷響應對其嵌入式系統設計的無線連接要求。然而，無線協議的數量不斷擴大，造成了一定程度的混淆。

為了消除這種混淆，設計人員必須首先明確設計要求，然后利用上述論述，將這些設計要求與各種無線連接的范圍、功率和數據速率規格快速進行匹配。這可以極大地簡化并加快了從不斷增長的無線產品大雜燴中挑選出合適產品的過程。