无线技术比较:蓝牙、WiFi、BLE、Zigbee、Z-Wave、6LoWPAN、NFC、WiFi Direct、GSM、LTE、LoRa、NB-IoT 和 LTE-M

本文将帮助您为您的特定新产品选择最佳无线技术。根据功能、数据速度、工作范围和成本对各种无线技术进行了审查。

决定您的新产品应该使用哪种类型的无线技术可能是一项艰巨的任务。

当前不仅有大量可用的无线技术,而且随着新技术的不断推出,它也是一个不断变化的目标。

根据您产品的预期功能,您应该相对简单地立即确定需要考虑哪组技术。

例如,如果您需要两个相隔 20米的设备来传输少量数据,那么使用任何长距离或高速无线技术都是没有意义的。

话虽如此,我建议您阅读整篇文章,无论您的产品有什么特定需求,因为您可以大致了解所有可用的无线技术。

点对点技术

点对点只是意味着当两个设备连接在一起进行直接通信时。通常只有两个设备可以参与对等连接。

在下一节中,我将讨论所谓的网状网络技术,它允许许多设备全部互连。

经典蓝牙

最著名的点对点无线技术是蓝牙

当您将手机连接到蓝牙扬声器时,蓝牙扬声器是手机和扬声器之间的点对点无线连接。

蓝牙主导了对等流音频应用,例如这款蓝牙耳机。

由于工作范围相对较短,蓝牙的功耗相当低。

它的功耗比 WiFi 少得多,也比蜂窝技术少得多,但仍远高于蓝牙低功耗或 Zigbee 等技术。

然而,2016 年推出的蓝牙 5 现在基本上将蓝牙经典 (4.0) 与蓝牙低功耗合并,允许音频流和网状网络都在低功耗规范下。

WiFi直连

WiFi大家都知道,但很少有人听说过WiFi直连

尽管几乎所有手机和平板电脑都支持它,但这是真的。

与蓝牙类似,但与传统 WiFi 不同的是,WiFi Direct 是一种点对点无线技术。

您可能已经知道,传统的 WiFi 设置了一个接入点,允许许多设备连接到它。

但是,如果您想将数据直接从一台设备传输到另一台设备,而不需要接入点的开销,该怎么办?这就是 WiFi Direct 发挥作用的地方。

WiFi Direct 使用与传统 WiFi 相同的基本技术。它使用相同的频率并提供相似的带宽和速度。

但是,它不需要接入点,允许两个设备进行类似于蓝牙的直接连接。

WiFi Direct 优于蓝牙的优势主要是传输速度更快。

事实上,WiFi Direct 比蓝牙快一百多倍。不过,这种速度是有代价的,而这个代价主要是更高的功耗。

近场通信NFC

近场通信 (NFC) 与本文讨论的其他无线技术有着根本的不同。

NFC 使用两个线圈之间共享的电磁场进行通信,而所有其他无线技术都会发射无线电波。

因为 NFC 通过两个电磁耦合在一起的线圈进行通信,所以工作范围只有大约一英寸或两英寸。两个耦合线圈实质上形成了一个带有空心的变压器。

NFC最常见的用途是在非接触式支付系统中。

虽然支付数据当然是加密的,但 NFC 极短的操作范围也有助于消除附近其他人入侵交易的可能性。

NFC 允许使用无源 NFC 标签。

在这种情况下,被动意味着没有电源。相反,无源标签由 NFC 读取器设备的电磁场供电。通信和电力传输都发生在两个耦合线圈之间。

无源标签的优点是它们简单、便宜、体积小,并且几乎可以无限期使用,因为没有电池。也可以使用包含电池的有源标签。

附带说明一下,无线充电(通过将设备放在充电垫上为设备充电)也利用了两个耦合线圈之间相同的电力传输现象。

低功耗/短距离/低数据网状技术

创建低功耗、低数据网络的常用技术有四种:低功耗蓝牙、Zigbee、Z-Wave 和 6LoWPAN。

如果您的产品是电池供电的,并且需要在短距离内发送相对少量的数据,那么这四种技术中的一种可能是最佳解决方案。

所有这四种技术都支持的一个关键特性称为网状网络,有时也称为多对多网络

通常,要将数据从设备 A 发送到设备 C,您必须在设备 A 和设备 C 之间建立直接链接。蓝牙和 WiFi Direct 等点对点技术就是这种情况。

但是使用网状网络,您可以改为通过设备 B 将数据从设备 A 发送到设备 C。数据从设备 A 发送到设备 B,然后设备 B 将数据中继到设备 C。

这使您可以创建一个巨大的互连设备网络,该网络可以以极低的功率覆盖大面积。

例如,假设您有 26 个标记为 A 到 Z 的设备,这些设备以 100 英尺的距离排成一行。

通常,如果您想将数据从设备 A 一直发送到 2,500 英尺外的设备 Z,您将需要一个具有相当大功率的发射器。这需要具有大电池的产品。

但是通过网状网络,您可以将数据从设备 A 中继到设备 B、设备 C,以此类推,一直到设备 Z。

没有单个设备必须传输超过一百英尺的数据,因此每个设备所需的功率要小得多。

网状网络可以打开很多非常有趣的应用程序。

低功耗蓝牙 (BLE) / 蓝牙 5

蓝牙低功耗最初是蓝牙经典的一个单独的低功耗版本,严格用于低数据速率应用,例如物联网传感器。

自 2016 年以来,Classic 和 LE 都包含在蓝牙 5 规范中。

蓝牙 5 为您提供两全其美的体验。您可以获得经典蓝牙的音频流和更高的数据速度,同时还可以获得 BLE 的低能耗和网状网络功能。

BLE 有许多应用,但最常见的应用之一是传输传感器数据。每分钟测量一次温度的传感器设备,或每 10 分钟记录和传输其位置的 GPS 设备就是一些例子。

在许多情况下,低功耗蓝牙产品仅由小型纽扣电池供电。如果数据只是不经常发送,则使用纽扣电池运行的 BLE 设备可能具有一年或更长时间的电池寿命。

蓝牙 LE/5 受到手机和平板电脑的广泛支持,使其成为将您的产品连接到移动应用程序的理想解决方案。

蓝牙 5 提供高达 2Mbps 的传输速度,而最初的 BLE 规范仅为 1Mbps。

与本节讨论的所有技术一样,蓝牙 5 支持网状网络。事实上,它允许使用多达 32,767 个设备的网状网络!

除非您有充分的理由选择我在本节中讨论的其他技术之一(Zigbee、Z-Wave 和 6LoWPAN),否则我强烈建议您使用蓝牙 5。

它是最容易实现的无线技术,功耗极低,并且得到最广泛的支持。

用于智能家居自动化的平板电脑

蓝牙 LE/5、Zigbee、Z-Wave 和 6LoWPAN 都是智能家居应用的潜在解决方案。

Zigbee

Zigbee 是另一种短距离网络技术,在许多方面与蓝牙 LE 相似,但应用也很相似。

它使用相同的 2.4 GHz 载波频率,功耗极低,工作范围相似,并提供网状网络。

事实上,一个 Zigbee 网状网络可以包含多达 65,000 个设备,这是蓝牙 LE 可以支持的两倍。但是,我还没有看到一个应用程序可以突破这两个限制。

Zigbee 主要用于智能照明、智能恒温器和家庭能源监控等家庭自动化应用。它也常用于工业自动化、智能电表和安全系统。

Z-Wave

Z-Wave 是一种专有无线技术(2018 年被 Silicon Labs 收购),主要在家庭自动化市场与 Zigbee 和 BLE 竞争。

与使用流行的 2.4 GHz 频段的 BLE 和 Zigbee 不同,Z-Wave 使用的是低于 1GHz 的频段。确切的乐队在许多国家/地区有所不同,如果您希望在全球范围内销售您的产品,这可能会导致并发症。

在美国,Z-Wave 以 908 MHz 运行,而在欧洲则使用 868 MHz。其他国家和地区使用从 865 MHz 到 921 MHz 的所有频率。

较低的载波频率有两个显着优势:增加范围和减少干扰。低频无线电波传播得更远。

蓝牙和 Zigbee 使用的 2.4 GHz 频段也用于 WiFi,甚至您的微波炉,因此存在很大的潜在干扰。

Z-Wave 使用的频段往往不那么拥挤。较低载波频率的缺点是数据传输较低,比蓝牙 5 慢很多倍。

Z-Wave支持多达 232 个设备的小型网状网络,这对于大多数应用程序来说绰绰有余。

6LoWPAN

6LoWPAN 是一种名称奇怪的技术,它结合了两个不同的首字母缩略词。6 指的是 Internet 协议 (IP) 版本 6,LoWPAN 指的是低功耗无线个人局域网。好听的名字,我知道。

6LoWPAN 本质上是 Zigbee 的新竞争对手。主要区别在于 6LoWPAN 是基于 IP 的网络,如 WiFi。

与 Zigbee 和 Z-Wave 一样,6LoWPAN 主要用于家庭自动化应用和智能电表。

局域网 (LAN) 技术

WiFi,也许比蓝牙更重要,可能需要很少的介绍。如果您的产品需要访问互联网,并且总是在 WiFi 接入点附近使用,那么 WiFi 就是答案。

WiFi因其适度的覆盖范围而被称为局域网(LAN)技术。

WiFi 速度快、价格便宜、易于实施、具有良好的工作范围,并且应用广泛。

WiFi的最大缺点,至少对于移动产品来说,是功耗。

由于功耗较高如果您真的不需要 WiFi 提供的性能,通常最好使用其他无线技术。

长距离蜂窝技术

如果您的产品需要访问云,但它不会始终位于 WiFi 接入点附近,那么您的产品可能需要蜂窝无线电来进行长距离通信。

您的产品所需的确切蜂窝技术类型取决于您需要多快传输数据,并在较小程度上取决于您的产品的销售地点。

GSM / GPRS

长期以来,GSM(全球移动通信系统)与 GPRS(通用分组无线电服务)相结合用于数据传输一直是不需要大量数据传输的产品最常用的蜂窝技术。

这主要是由于GSM/GPRS硬件的广泛可用性和相对较低的硬件成本。

然而,GSM 即将结束。

全球大部分蜂窝运营商已经淘汰或即将淘汰 GSM,因此他们可以为需要大量数据传输的 4G 和 5G 智能手机腾出更多带宽。

对于大多数产品而言,LTE-M(见下文)是 GSM 的最佳现代替代方案,适用于数据速率要求适中的应用。

而对于需要高数据速率的产品,常规 LTE 可能是最好的技术。

LTE

LTE 是一种 4G 蜂窝技术,支持比 GSM 更快的数据速度。如果您的产品需要非常快的蜂窝数据传输速度,那么 LTE 可能是最佳选择。

但是,如果您的产品并不真正需要那种级别的数据速度,那么您将为根本不需要的硬件付费。

一个嵌入式 GSM 模块只需几美元就可以从中国购买,而 LTE 模块的价格则超过 20 美元。

LTE 的运营商服务成本也将显着高于 GSM。

随着物联网 (IoT) 设备的巨大普及这种技术选择上的差距变得更加明显。

不过,我将在下一节讨论几种不同的新无线技术,正在填补这一空白。

低功耗远程技术

如果您像许多物联网产品一样需要长距离、低数据通信,那么您的技术选择就不像其他应用程序那样明确。这种类型的网络通常被称为 LPWAN 或低功耗广域网。

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例如,如果您的产品在远程位置收集天气数据并自动将该数据上传到云端,则可能需要 LPWAN 技术。

正如我已经指出的,GSM 或 LTE 蜂窝技术都不适用于低数据速率应用。

还有其他可用的无线技术可以很好地解决这个问题,包括 LoRa、NB-IOT 和 LTE-M。

Lora/LoraWan

LoRa(Long-Range 的缩写)可以在某些区域实现超过 6 英里的超远距离通信,同时消耗很少的电量。它是 Semtech 于 2012 年收购的专有无线技术。

LoRa 使用不同的频段,具体取决于操作区域。

北美使用 915 MHz,欧洲使用 868 MHz。其他地区也可能使用 169 MHz 和 433 MHz。

LoRa指的是底层技术,可以直接用于点对点通信。LoRaWAN 指的是上层网络协议。

如果您正在寻找低功耗、远距离、点对点的解决方案,那么 LoRa 是一个不错的选择。您通常可以比 LoRaWAN 模块更便宜地购买 LoRa 模块。

如果您希望您的产品连接到现有的 LoRaWAN 网络,则需要包含网络层的更昂贵的 LoRaWAN 模块。

LoRaWAN 网络最初仅在欧洲部分地区可用,但后来扩展到其他地区,包括美国的部分地区。

然而,与蜂窝技术相比, LoRaWAN 的覆盖范围仍然非常有限。

尽管 LoRa 旨在在大范围内运行,但它并不是一种可以连接到移动网络的蜂窝技术。这使得它不那么复杂,实现起来也更便宜,但它的应用程序是有限的。

例如,如果您的产品需要远程访问云,那么您还需要提供一个 LoRa 网关设备来连接到互联网。

网关设备连接到互联网,并与任何远程 LoRa 设备通信。

假设操作范围内没有 LoRa 网关,LoRa 不提供任何单个远程设备远程访问云的方法。

NB-IOT

与 LoRa/LoRaWAN 不同,NB-IOT 是一种蜂窝技术。这意味着它更复杂,实施起来更昂贵,并且消耗更多功率。

但是,它提供了更高质量的蜂窝连接和对互联网的直接访问。

NB-IOT 仅用于传输非常少量的数据。尽管最初NB-IOT的可用性非常有限,但现在它在包括美国和欧洲在内的许多国家得到了更广泛的应用。

现在在您的产品中实施这项技术可能没有意义,但在未来几年内它将变得更加实用。

LTE-M

如果您的产品需要比 LoRa 或 NB-IOT 支持的数据速率更高的长距离蜂窝接入,那么 LTE-M 可能是您的最佳选择。

LTE-M是 LTE(长期演进)Cat-M1 的缩写。该技术适用于需要直接连接到 4G 移动网络的物联网设备。

它是 LTE 蜂窝技术的子集,针对使用小型电池运行的低数据速率设备进行了优化。

LTE-M 在几个关键方面与标准 LTE 不同。首先,由于带宽更有限,可以使用更简单的芯片,因此实现起来更便宜。

其次,它针对降低功耗进行了优化,以免快速耗尽小型电池。

最后,蜂窝服务成本显着降低,因为您没有使用接近标准 LTE 所需带宽的任何地方。

结论

选择无线技术的关键是缩小您的要求,以便您可以专注于可行的技术。

所需的工作范围、数据传输速度、功耗和成本是选择无线技术的主要标准。

当然,就像工程中的所有事情一样,您不可能拥有一切。

例如,较大的工作范围需要增加功耗。

对于更快的数据速率也是如此。在这些标准之间总会有一些让步。从来没有完美的解决方案。

如果您正在寻找一种能够提供长距离、低功耗、高数据速度和低成本的技术,那么您将永远找不到切实可行的解决方案。

相反,我建议您优先考虑您的设计标准,并从那里开始缩小您的选择范围。