物联网基础知识科普
发布时间：2021-09-17 18:53:24
来源：RF技术社区 (https://rf.eefocus.com)
来自Qorvo半导体
物联网 (IoT) 正在创造一个新的世界，一个可量化、可测量的世界。在这个世界里，人们可以更好地管理自己的生活，城市可以更好地管理其基础设施，公司可以更好地管理其业务。这个新的智能互连世界将从根本上改变社会和消费者，并使整个行业发生深刻变革。物联网的兴起将为我们提供及时且质量更高的信息，帮助我们更快地作出更好的决策，从而大幅改善我们的世界和日常生活。
本章介绍物联网 (IoT) 的一些基础知识及其应用、主要市场趋势和一些重要的物联网技术。还为大家展示这些标准如何使用，以及市场如何转向更高的互操作性。
什么是物联网？
快速追溯互联网作为一个整体是如何演变的，可以帮助我们了解物联网。
互联网最初只是一些少量通过有线连接的军用和政府计算机。随着时间推移，互联网不断扩大，全世界数以百万计的人都可以使用，而万维网让任何人都可以发布供公众使用的信息。而无线连接的快速普及又带来了第二次飞跃式发展。在 Wi-Fi 和蜂窝通信技术的发展推动下，网络开始急速扩张。智能手机和其他联网移动设备使互联网连接不再受具体的地理位置束缚，能够在几乎任何地方使用。
而且，已经不止是计算机使用互联网。许多其他类型的设备开始包含简单的计算和联网功能。物联网一词源于 21 世纪早期，用于描述越来越广泛的联网对象及其用途。2005 年，国际电信联盟 (ITU) 正式确认了这个术语。国际电信联盟将物联网定义为“由连接到互联网并在需要最少或不需要人工干预的情况下相互通信的智能对象组成”。这些对象通常通过网关连接到物联网平台，该平台由从传感器、控制器和其他设备收集数据的软件工具和服务组成。
如今，物联网就是将许多不同类型的对象连接到互联网，例如传感器、感应式控制器和远程监控设备。根据思科公司的说法，我们连接到互联网的“物”或对象的数量已超过全球人口数，实际上，10 年前就超过了。
图 1-1 总结了这些变化。在感知和连接层，该平台将物联网硬件连接到执行数据处理和存储的网络应用。中间是平台层，用于存储、保护、处理和分析数据。在最终用户层，它连接至最终用户应用，通过这些应用监控并解读来自物联网设备的数据，并发送指令，要求设备执行诸如锁好前门或打开车库门等操作。
物联网平台通常提供以下这些类型的服务：
可适应：物联网系统可以根据运行条件、用户输入或感知到的信息动态适应不断变化的环境。
唯一可确定身份：每个物联网设备都有一个唯一的身份，比如一个互联网协议 (IP) 地址。通过这些物联网设备地址，用户可以远程查询、监视和控制设备。
可自动配置：网络中的物联网设备可以自动配置，使许多支持物联网的设备能够相互协作，提供完整的系统功能。
网络集成：物联网设备可集成到物联网网络中，以实现节点、网关和基础设施之间的通信。
做出明智决策：物联网设备可以做出决策，从而适应不断变化的环境条件。
物联网市场和趋势调研
消费者、企业和政府都在快速采用物联网。主要市场包括家用电子产品（例如电视和其他家庭娱乐系统）、家用电器（例如洗衣机和烘干机）、汽车部件和驾驶员接口以及安全系统。物联网还在智能手表、体能监测器和健康监测器等可穿戴设备中发挥着重要作用。在城市中，地方政府通过部署物联网来提高效率和减少开支。甚至军方也在利用物联网，将机器人用于监视，将可穿戴生物识别技术用于战场。
据研究技术发展趋势的调研公司表示，未来看起来更加光明。以下的一些预测能够说明物联网非凡的增长潜力：
Statista 预计，到 2025 年，全球物联网市场预计将增长到 1.6 万亿美元。
Frost & Sullivan 预计，到 2025 年，全球前 600 个智慧城市的国内生产总值 (GDP) 将占全球国内生产总值的 60%。到 2025 年，智慧城市将代表 2 万亿美元的技术市场价值，人工智能 (AI) 和物联网将成为主要驱动力。
据 Strategy Analytics 称，到 2023 年，智能家居设备的购买量预计将超过 19.4 亿，届时，设备销售额也将超过 780 亿美元。
据 Grand View Research 称，到 2025 年，医疗物联网预计价值 5343 亿美元。
据 Grand View Research 称，到 2025 年，精准农业（利用物联网技术尽可能简化每个农业生产流程，并提高其效率）行业预计将价值 430 亿美元。
确定推动实现物联网的无线标准
目前，我们使用多种无线技术标准连接物联网设备。其中一些是我们熟悉的技术，例如蓝牙、Wi-Fi 和 Zigbee，另一些则是不太常见的专有解决方案。图 1-2 总结了当前的状况。根据范围，可以分为三个部分。如图 1-2 所示，从用户的角度来看，由于使用了多种标准，整个物联网生态系统变得混乱、难以管理。
物联网产品生产公司通常根据范围和数据类型来选择使用的标准。例如，他们可能需要传输媒体内容或传感-控制数据。面对一系列标准技术和专有技术，系统设计人员可以从中选择最适合优化其最终用户设备性能的技术。但对最终用户来说，未必始终会这么简单。
目标：互操作性
互操作性是指一个产品或系统在当前和未来不受任何限制地与其他产品或系统协同工作的能力。
消费者希望他们所有的无线家庭设备都能以即插即用的方式进行通信。他们不希望浪费心力来确认他们想要购买的新物联网设备能否与当前的网络兼容。他们希望购买的无线产品能够自动工作。但是，如今，这还不可能。购买可联网的门锁或灯泡是一项复杂工作，因为您需要考虑它如何与您的其他家庭设备通信，包括使用 Alexa、Google Assistant 或 Siri 的设备。
一些制造商采用无线标准来实现基本连接，但会添加他们自己的专有解决方案来控制物联网设备并与之交互。但是，这种做法也需要付出代价，特别是对于那些必须经历复杂的购买和安装过程的用户来说，因为他们购买的新设备并不像他们预期的一样，能够轻松融入现有网络。
Matter，前来解决问题
为了帮助提高消费类产品的互操作性并降低整体复杂性，Amazon、Apple、Google 和 Samsung 等行业领导企业共同协作，以支持一种名为 Matter 的新标准。如图 1-3 所示，如果生态系统使用更少的标准和 Matter 这样的协议，它会变得更简单。Matter 会使物联网设备变得更易于使用，同时统一协议格局Matter 还处在发展初期，但它体现了向正确方向迈出的一步。Matter 的总体目标是为互联家居提供即插即用的消费类物联网设备。它将在互联网协议 (IP) 之上提供一个层，其中包括一组适用于所有 Matter 连接设备的预定义方案。这将使设备能够了解它们正在与什么类型的对象进行通信，以及这些对象可以做什么。
例如，恒温器可以共享有关温度和风扇运行的数据。新 Matter 标准将支持这两种应用，采用一种通用方式与恒温器和风扇通信。
Matter 将支持终端设备或节点，即物联网中的“物”，这些“物”将与许多 Wi-Fi 网络 pod 通信。
Pod 安放在网络（例如住宅）中的适当位置，并且会自动连接至主路由器。然后主路由器连接至互联网。这样就可以消除无线死区，也无需靠近路由器或中继器，从而扩展了网络信号。
综上所述，Matter 可将物联网的几个要素融合在一起，例如 Wi-Fi、Zigbee、蓝牙和蓝牙低功耗。将这些单个物联网标准集成于一体，有助于物联网进一步提高互操作性，使整个生态系统轻松实现即插即用。
最终，Matter 允许普通的非技术型消费者随意选择喜欢的物联网设备，不再局限于不支持互操作的专有生态系统。
超宽带
图 1-2 还显示了另一种正在兴起的技术，称为超宽带 (UWB)。超宽带广泛用于精准微定位物联网解决方案。它可以在室内和室外精准可靠地测量设备距离和位置，且功耗极低。
超宽带是一种基于 IEEE 802.15.4a 和 802.15.4z 标准的无线电技术，能够更精确地测量无线电信号的飞行时间，从而实现厘米级精度的距离/位置测量。它可以提供高达 27 Mbps 的数据通信能力，仅耗用极少电能，因此设备可以使用纽扣电池连续工作多年，中途无需重新充电或更换。超宽带还提供了一种新的无线安全通信方式，为各种新型安全交易模式打开了大门。
这项技术标准将在智能家居、汽车安全无钥门禁、安全支付处理和工业 4.0 等领域开创新的物联网用例。您可以阅读 Qorvo 的另一本书《超宽带 For Dummies》Qorvo 专版，进一步了解超宽带技术。这本书可在 Qorvo 设计中心找到（链接：www.qorvo.com/design-hub/ebooks）。
超宽带可以很好地融入物联网生态系统。它安全、准确、由电池供电，适合物联网中的许多应用。尽管超宽带适合许多应用，其中一些还有待探索，但它最开始是针对感应式门禁、定位服务和点对点应用中的用例。它成为新型智能手机中的射频 (RF) 链之一，支持实现智能汽车门禁、安全楼宇门禁和智能家居设备连接。
无论是个人还是企业，都希望能够实时定位任何东西，无论其大小如何。对于物联网和智能家居应用，超宽带资产标签比以前使用的蓝牙或 Wi-Fi 更精准。使用蓝牙和 Wi-Fi，通过资产标签只能定位到大致位置，而使用超宽带，可以实现准确定位。例如，蓝牙标签会显示您的钥匙在房间或客厅的某个区域，但超宽带会显示资产标签或钥匙掉在沙发垫子下面。
超宽带还开启了使用手势的新世界，这意味着语音命令有时可作为启动应用的第二种选择。例如，当您进入房间时，灯会自动打开，或者当您坐到办公桌前时，计算机会自动开启。超宽带使此类应用成为现实，开启了许多全新的变革性使用案例。
为了确保在使用超宽带时保持互操作性，Fine Ranging (FiRa) 联盟将半导体、汽车、基础设施和消费领域的 50 多家公司重新分组，积极致力于确定协议定义，以保证其互操作性。因此开发人员能够将超宽带用于许多新应用，例如增强现实、智能家居应用和移动支付。
5G 和 Wi-Fi 6/6E
5G 和 Wi-Fi 6/6E 是推动物联网普及的两项关键技术，全球各地的企业、住宅和城市都在向着无线和有线生态系统数字化迈进。这两项技术将推动集成、封装和性能方面实现更大进步。
Wi-Fi 6/6E 是最新的 Wi-Fi 标准，提供比以前版本更高的数据速率和覆盖范围。这个新版本还扩展了安全协议，增加了破解设备密码的难度。
Wi-Fi 6 提供更快的速度、更大的容量（数据速率和连接用户或设备两方面）、更低的功耗和更高的安全性。Wi-Fi 6E 可以提供 Wi-Fi 6 的功能和容量（包括更高的性能、更低的延迟和更快的数据速率），同时将 Wi-Fi 扩展至 6 GHz 频段范围。它还提供超过 Wi-Fi 6 两倍以上的频谱，额外提供 7 个非重叠带宽 160 MHz 信道。这些额外的信道将减少拥塞、提高性能并减少延迟。
Wi-Fi 6/6E 覆盖支持物联网设备（例如智能恒温器和安保摄像头）的小规模网络。与之相比，5G 等蜂窝网络为移动设备提供全球网络覆盖。5G 和 Wi-Fi 6/6E 协同作用，帮助物联网发挥其全部潜力。
5G 网络通过配置，可以满足多种不同应用的需求，每种都支持不同类型的用户设备。这些应用大致可分为三类：
增强型移动宽带 (eMMB)
超可靠的低延迟 (uRLLC)
大规模机器类型通信 (mMTC)
物联网涵盖 mMTC 和 uRLLC 应用。
这些 5G 应用未来将可以支持更多的物联网设备和数据。此外，5G 将增加边缘计算的采用，以更快处理操作点附近的数据，这将为进一步在无线和有线生态系统中推行物联网提供跳板。但是，Wi-Fi 是一项未许可频带技术，而蜂窝 5G 是一项许可频带服务，所以部署新设备连接可能需要支付额外费用。
有关 5G 的更多信息，请访问 www.qorvo.com/design-hub/ebooks/5g-rf-for-dummies。
关于 WI-FI 6/6E 的更多信息
Wi-Fi 6E 可以提供 Wi-Fi 6 的功能和容量（包括更高的性能、更低的延迟和更快的数据速率），但将 Wi-Fi 6 扩展至 6 GHz 频段范围。
这个额外的 6 GHz 频谱是从首次提供 Wi-Fi 以来具有里程碑意义的扩增。6 GHz Wi-Fi 6E 频谱提供额外的非重叠信道，提供超出现有 Wi-Fi 6 频谱两倍的容量。
Wi-Fi 6 采用 2.4 GHz 和 5 GHz 频段（高达 5835 MHz）。Wi-Fi 联盟允许 Wi-Fi 6E 提供 14 个 80 MHz 信道和 7 个 160 MHz 信道。Wi-Fi 6E 在 5,925 至 7,125 MHz 频率范围内增加了 7 个 160 MHz 信道。
Wi-Fi 6E 是 Wi-Fi 6 标准的一种实现方案。这个 6 GHz 新频谱也用于增强和扩展 Wi-Fi 6 在 5 GHz 频段以外的功能，以提供额外的非重叠信道。这些额外的信道可以减少拥堵，尤其是在多个网络同时运行的区域。通过提供 7 个额外的 160 MHz 信道，可以在所在频率范围内提升性能和降低延迟，但对于其他高频范围，在发送和接收信号时，还是会受距离和障碍因素影响造成信号衰减，这与 2.4 GHz Wi-Fi 信道范围不同。
Wi-Fi 6E 提高了性能，使用多输入多输出 (MIMO) 和开放频谱来克服高频信道本身造成的覆盖范围挑战，确保实现住宅或建筑的全面覆盖，并提供最佳吞吐量/容量。
Wi-Fi 6/6E 还可以为同一网络上的更多用户提供相同的体验。此外，Wi-Fi 6 将实现 1.2 Gbps 网速，而 Wi-Fi 6E 将实现 5.4 Gbps 至 10 Gbps 的理论速度，较之 Wi-Fi 5 和 Wi-Fi 6 是一个巨大进步。
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随着科技的飞速进步，我们迎来了智能物联2.0时代的崭新篇章。2024年，作为这一新时代的开启之年，标志着智能物联网已从单纯的基础设施建设迈向了更高层次的智能化与价值提升阶段。在这一变革的浪潮中，物联网操作系统作为核心引擎，正在发挥着越来越重要的作用。
