物联网中的连接:系统和标准

2023年1月4日

Cadence PCB解决方案

关键的外卖

物联网网络可以通过三个性能支柱来表征。
物联网系统的不同需求导致了一系列协议标准。
这些标准不断增长和变化，以满足新的物联网设计范式。

云的痕迹和通孔说明物联网的连接性

物联网中的连接性是由平衡相关系统的网络性能来驱动的。

互联网让世界变得更小了;当地的故事已经国际化，新闻周期已经扩大到全球范围。即时通信推动了信息时代的到来，这在40年前是难以想象的。此外，电子产品的小型化已经将这些工具带到世界的每个角落，随时随地地研究和展示事件。

技术进步和规模经济推动了物联网的高连通性，并继续推动网络改进，以提高专业和私人空间的自主权。随着物联网设备数量和功能的持续增长，设计师需要对他们的理解有信心塑造这些网络的力量，以及该领域当前和不断发展的协议的形式。

物联网中三个基准的合格连接

从概念上讲，物联网的核心目标是实现设备之间的自主通信，以改善对刺激的反应。用于定义流程图或行动决策树的算法已经发展到巨大的比例，以反映网络的总体互连性。虽然这种范围的增加使全新的计算模型方法成为可能，但与之同时出现的是系统复杂性的显著上升。

当然，物联网并不是一刀切;实现必须考虑到网络的物理安排、通信速度、瓶颈、设计协议等等。有几种方法来分析网络，但最直接的是评估三个基本性能特征:

范围- - - - - -一个网络的范围被分类为短或长，即使在同一范围指定的协议之间可能有很大的区域覆盖差异。近距距离约为100米或更短，而远程距离可以跨越数公里。
数据速率-每次传输(或单位时间)需要发送的数据量根据系统中传输的信息量有很大差异。具有较大数据包的技术设备可能会消耗更多的电力，反之亦然。即使是传输模式也会对整体性能产生影响，因为连续通信操作需要比备用/确认、接收和发送模式更大的带宽。
延迟,延迟与数据速率正相关，尽管也会出现异常。这应该与数据大小有关:交换大文件大小将在高延迟速度下变得难以忍受，而较小的数据包可能不需要异常快速的传输。虽然低延迟通常是可取的，但不需要高速率的传感器轮询/实现或云处理的系统可以通过使用较慢的速度来减少系统需求。

识别优势和用例

常见的物联网协议会权衡这些特征的重要性，并构建相应的系统以利用其特定的优势。协议的设计是为了最大限度地提高前面提到的一个或两个标准的性能，但由于这三个方面的冲突性质，实现范围、速率和延迟的三要素是不可能的(提醒大家，在工程中没有免费的午餐)。然而，只要在特定协议的类别中表现得“足够好”(由每个协议的设计范围定义)，就可以确保系统满足设计人员设定的物联网连接目标。一些最常见的物联网协议包括:

无线个域网-ZigBee是一种用于无线个人区域网络的短距离技术，它的网络设备有三种分类:协调器、路由器和终端设备。协调器保持整个网络(和其他互连网络)的操作平稳运行，而路由器处理数据包交换。终端设备与协调器或路由器对话，但绝不是直接对话。该协议适用于星形和网状拓扑结构，可以为协调器提供一定程度的集中，也可以为路由器提供密集的通信网络。
蓝牙/祝福-香草蓝牙在物联网领域的规模不大，因为它的连续数据流耗电量很大。幸运的是，蓝牙低能耗(BLE)切换到一种更有效的传输方式，同时仍然享受许多蓝牙的好处例如网络可伸缩性(设备数量以10,000计)和速度。BLE可以利用网格拓扑中的大量设备，并使用洪泛路由等方法，将消息发送到接收消息的每个连接节点，而不包括接收信号的节点。其他网络支持特性(如消息缓存)有助于进一步帮助路由和防止循环逻辑循环。
无线网络,如果说BLE和ZigBee反映了传感器端的网络结构，那么WiFi就是将这些设备网络连接到互联网的桥梁。它速度快，具有高数据速率以防止瓶颈，但相对于其他协议，它存在功耗问题。面向物联网的WiFi标准已经出台，其特点是显著降低数据速率和速度，但功耗也相应降低。
油水界面,通过使用不同于无线电波段的电磁波段(特别是红外到紫外)，OWC可以在短距离内以低功耗实现高速传输速率。OWC是一项新兴技术，旨在为偏远或具有挑战性的地区提供网络解决方案，这些地区无法使用WiFi和其他协议。
LTE -这是移动通信网络的行业标准，尽管5G正在推出作为其替代品。
5克,相对于LTE, 5G的目标是提高数据速率、延迟和更大的网络规模。某些应用程序也希望提高协议的可靠性，但是平衡可靠性和降低延迟通常是相互矛盾的两个目标。
低功耗广域网(LPWAN)- LPWAN是考虑到物联网需求而构建的标准:它结合了广域、多设备和低功耗。既有未授权的也有授权的衍生产品，前者缺乏一些相关的测试成本，后者能够享受LTE移动网络的基础设施。