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无线连接技术主导下物联网:化繁为简

本文作者:徐俊毅       点击: 2024-03-26 10:28
前言:
物联网不仅是现在以及未来科技的重要驱动引擎,同时融合了云计算、大数据、人工智能、5G等新兴技术共同参与创新,其中蕴含的机遇将远超传统的互联网,而且,物联网的话题在这些年各式科技热榜中从未缺席过。

家庭自动化、联网汽车、互联城市、工业4.0以及医疗物联网是成长最为迅速的几个应用领域。

据Statista统计资料,2022年全球物联网市场规模达超过了9700亿美元规模。全球物联网市场规模预计将在2024年达到1.5万亿美元左右,预计到2028年,全球物联网市场规模将增长至2.2万亿美元。

Gartner报告称,物联网终端电子产品2022年产值超过了4600亿美元,预计2023年会突破9500亿美元,综合CAGR达到7.5%.
 
    综合IoT Analytics、爱立信、ABI Research等机构数据,全球物联网连接以无线连接为主,Wi-Fi、蓝牙、Matter、Thread、Zigbee、LPWAN等技术支撑物联网连接数占约8成的市场份额。因此,这些技术每前进小步,都可能会让物联网向前迈出一大步……

Matter技术:改变消费端的物联网应用
    在Matter技术没有诞生之前,物联网的连接问题不仅让设计人员头痛,而且也会让用户抓狂。因为双方都要面临不同种类设备,各式各样的接入联网问题,更不要说试图让不同设备统一管理、协同工作这样极具挑战性的任务。在认识到则中技术的碎片化会影响市场的耐心以后,科技公司率先进行了变革。
 
 
    2019年,Apple、Amazon、Goolge、CSA(Connectivity StandardsAlliance原Zigbee联盟)等诸多科技公司和组织联合发起了智能家居互联协议 CHIP (Connected Home over IP),致力于打造一个基于开源生态的新智能家居协议,打破平台间的割裂和开发路径的差异。2021年5月11日,Zigbee联盟宣布改名为CSA联盟,同时将CHIP项目更名为Matter,并发布了一个正式版本的协议规范。新规范版本基于现有的网络技术,以太网 (IEEE 802.3)、Wi-Fi (IEEE 802.11) 和 Thread,可应用低功耗无线连接技术,如蓝牙协议简化设备接入和调试。

     Matter协议是一种基于IPv6的开源标准,设计初衷是解决智慧家居设备间的互操作性问题。不同厂商、不同协议的设备能够使用同一种语言,实现设备的互联互通。

    如今,亚马逊已在 1 亿多台 Echo 和 Eero 设备中添加了 Matter。

    需要指出的是,Matter协议并不是用来替代现有的其他无线连接协议,其底层连接协议依然沿用WiFi、BlueTooth、ZigBee、Thread这样的通信协议。从这个角度来看,对于消费者来来说,Matter的确做到了化繁为简。而对设计人员来说,仍然需要对各种底层协议进行认真研究。
 
图说:Matter协议结构 图片来源:csa-iot.org

     2023年10月份,Matter协议1.2版公布,这是Matter协议首次更新,扩大了针对智能家居产品的支持范围。包括纳入大型家用电器(空调、冰箱、洗衣机、洗碗机)、风扇、机器人吸尘器和空气质量控制等等。借助 Matter 1.2 的支持,制造商可以简化用户体验(包括调试),同时实现与关键智能家居生态系统的集成。

    除了新的设备类型外,Matter 1.2 还增加了新的功能,可改善调试方面的用户体验,从而更好地描述产品或其组件。例如,在 Matter Controller 的 UI 中,门锁可以被描述为具有镀铬饰面,以帮助用户验证与其交互的是同一个门锁,或者具有多个灯泡的灯具可以在控制器 UI 中描述地点或位置,以明确哪个灯泡被绑定到智慧开关上。

Silicon Labs首席产品经理Rob Alexander表示:随着 Wi-Fi 的无处不在及其最新版本和安全产品的推出,Matter over Wi-Fi 的组合为用户提供了实实在在的益处,确保他们可在各种产品类型和应用程序中获得更无缝的体验,无论设备供货商如何,都可以提高易用性。开发人员不久将能够使用 Silicon Labs 最新的物联网优化 Wi-Fi 产品 SiWx917,其将最新 Wi-Fi 6 协议与蓝牙 LE 网络和 Matter 相结合,并具有超低功耗功能,可在单个 SoC 中实现较长电池寿命、出色的安全性和 AI/ML 加速器,使开发人员能够设计出可支持各种细分市场(包括智慧家居、商业、智慧城市、工业或健康等)众多应用的 Matter 产品。

康普RUCKUS大中华区总监 程俊邦认为:Matter™ 和 Thread 协议正在智能家居领域掀起波澜,并在 2024 年将目光投向企业级市场,新技术正在使零接触物联网设备连接和互操作性成为现实,并为更广泛的物联网采用消除了巨大障碍。互联设备可以为企业释放关键的效率,使企业能够将 IT (信息技术)和 OT(运营技术) 资源重新分配到利润更高的增长型优先事项上。

2023年11月,康普的PKIWorks™物联网安全平台与意法半导体广为采用的STM32WB系列微控制器(MCU)实现了集成。该集成解决方案为设备制造商提供了一个交钥匙解决方案,助力开发符合连接标准联盟(CSA) Matter安全标准的物联网设备。该解决方案不仅能够降低物联网设备制造商的成本和时间,还能简化具备制造安全性的 Matter 设备凭证的开发和配置。
 
Matter协议的在智能家居中的应用 图片来源:st.com

蓝牙5.4:小版本 大野心
 

   蓝牙技术在音讯无线连接市场的地位已经没有竞争对手,但是蓝牙技术联盟(SIG)显然并不满足于在音讯市场“躺赢”,他们一直致力于将蓝牙的能力扩展到更多领域。从蓝牙5.0开始,蓝牙开始提升传输数据的速率,传输距离,还加入了Mesh网络的支持,增加连接设备的数量,很明显,这些都已经超出了音讯应用的需求,它开始与WiFi、Thread、ZigBee这些技术在物联网市场展开正面竞争。包括位置服务、健康监测、可穿戴追踪器之类的更多设备都已经开始采用蓝牙技术,根据ABI Research的报告,预计2027年蓝牙设备的出货量将达到76亿件,成为物联网市场中举足轻重的力量。

2023年1月,蓝牙技术联盟公布了5.4版的技术规范,除了继续在传输速度、传输距离、功耗和高质量音频规格上进行升级,还极具针对性的引入了4项新特性,支持带回应的周期性广播(PAwR)、支持加密的广播数据(EAD)、LE GATT 安全级别特征、动态广播编码选择(CSSA ),早期目标直指电子货架卷标(ESL)应用,为蓝牙向更广泛领域拓展打下基础。

“带有响应的定期广告(PAwR)和加密广告资料,作为蓝牙®核心规范5.4版本的一部分发布。这些功能将解锁曾经依赖专有实现的应用程序,并将其迁移到标准实现,为客户提供更多的灵活性和易用性。电子货架卷标(ESL)、太阳能农场、工业传感器等应用是我们看到的最大受益者。”英飞凌蓝牙工程高级总监Patrick Cruise

电子货架卷标(ESL:Electronic shelf label, ESL)是一种由电池供电的小型电子纸(e-paper)显示器,用于在货架边缘显示产品和价格信息,以取代纸质标签。ESL使用无线技术与中央集线器通信,以此来组成一个动态的定价自动化网络。可算是资产追踪技术的零售升级版本。

借助ESL,实时价格更新使零售商可以在不同管道上调整价格策略,提升全通路订单管理。此外,资产追踪功能不仅可通过了解客户购物行为提升使用者体验,同时达成强化库存管理效率与优化人员配置。更重要的作用是,客户将能够在智能手机上使用 NFC 或者其他数字交互技术了解到详细产品信息,透过与零售商应用程序互动,激发购物意愿。

ESL解决方案供货商益登科技认为:物联网安全性正在不断增强,让ESL在医疗领域产生更多的应用实例,为医院管理人员提供一项重要的工具来简化工作流程,可为患者提供更高标准的服务。其他领域应用诸如:仓储管理系统、展会场地、医疗领域的电子床头卡和药物调配台的灯号显示、电子化行李卷标等,都可大幅提升人们的工作效率,未来电子卷标多元的应用也为传统的生活模式带来巨大的改变。
 
益登科技的ESL方案

“2023年看到的关键例子之一是蓝牙电子货架卷标(ESL)应用正在迅速扩大。与ESL类似,蓝牙网络照明控制(NLC)配置文件一起采用的蓝牙网格增强功能,非常适合的商业照明,同样受益于蓝牙标准化的推动。我们看到的另一个趋势是蓝牙技术在个人健康设备中的加速采用,例如连续血糖监测仪(CGM),胰岛素泵和其他产品“Silicon Labs蓝牙技术产品经理Parker Dorris表示。

   定位与无线通信技术u-blox锦旗也宣布了最新一代支持蓝牙5.4版本规格的解决方案。的MAYA- W3 系列支持点对点语音通讯和语音广播的蓝牙 LE 音频功能,这些模块还支持 Wi-Fi 6/E,专为包括医疗、工业自动化和监控、资产追踪和管理,以及智慧家庭等严苛工业应用所设计。新模块还考虑了设计人员对于扩展解决方案以因应目前和未来市场趋势的需求,维持与前代产品相同的精巧尺寸(10 x 14 x 1.9 mm),简化了产品升级至新世代的开发工作。 
 
未来,不断增强和使用更见便捷的蓝牙技术将在数据传输,位置服务,设备自组网和音讯流四个方向在物联网市场攻城略地。

WiFi 7:物联网流量之王
 
数据显示,在物联网的连接中,WiFi占总连接数的三成以上,家庭物联网设备、IP 摄像头、智慧可穿戴设备和工业自动化中,WiFi技术被广泛使用。在高可靠性、低延迟通信的特定工业物联网用例(如工厂机器人自动化和 AGV)和汽车中,相比其他无线连接技术,WiFi连接具有巨大优势。2022年,全球已有超过一半的WiFi设备基于最新的WiFi 6和WiFi 6E技术,而在接下来的5年中,WiFi7设备将开始逐步替代前代设备
 
WiFi7 logo 图片来源:wi-fi.org

2024年1月Wi-Fi CERTIFIED 7™ 推出新功能,可大幅提升Wi-Fi® 性能并改善各种环境中的连接性。Wi-Fi CERTIFIED 7 的尖端功能可借助高吞吐量,确定性延迟及更可靠的关键流量来推动创新。这些改变进步将推动新用例的发展– 包括多用户AR/VR/XR,沉浸式三维培训,在线游戏,混合工作,工业物联网以及汽车用例。

 
WiFi7的新特性 图片来源wi-fi.org

新功能在提升传输效率的同时,减少了资源消耗。比如,512 压缩块提升效率减少开销;多个 RUs 至单个 STA,提高频谱效率;触发式上行链路接入,优化 Wi-Fi 6 所定义的触发式上行链路接入,调整并适应对延迟敏感的数据流;
应急准备通信服务 (EPCS):为用户提供无缝的国家安全级&应急准备 (NSEP) 服务体验,同时保持 Wi-Fi 接入网络的优先级和服务质量

Intel Corporation副总裁兼无线解决方案事业部总经理Eric A. McLaughlin表示:“Wi-Fi CERTIFIED 7™ 驱动个人计算机和物联网产品实现多千兆位元的速度、有线网络般的响应速度以及全新的极高连接可靠性。生态系统协作和互操作性对于说明实现这些期望至关重要。”

除此之外,Wi-Fi联盟还有专为物联网制定的IoT Wi-Fi标准 —— WiFi HaLow,IEEE代号是802.11ah。这一新的Wi-Fi标准的优势在于功耗低,传输距离可超过1公里,作为小尺寸、电池供电的可穿戴设备,以及工业互联网远程部署的补充。

摩尔斯微电子(Morse Micro)的联合创始人兼CEO迈克尔·德尼尔(Michael De Nil) 表示:“Wi-Fi HaLow 技术突破了传统 Wi-Fi有限的覆盖范围,同时提供了其他远距离无线技术无法比拟的吞吐量。随着Wi-Fi联盟采取重大举措推广该协议在物联网领域的优势,Wi-Fi HaLow正在逐步发展。我们的Wi-Fi HaLow设备提供的连接范围是传统Wi-Fi解决方案的10倍,覆盖面积是100倍,容量是1000倍。”
 
图:采用WiFi Halow技术的致伸科技Buzz-HaLow 门铃  图片来源:morsemicro.com

借助WiFi Halow,Wi-Fi技术得以在以往并不擅长的低功耗领域争取市场

ABI Research预测,到 2028 年,支持 Wi-Fi的芯片组产品的年出货量将超过 51 亿,其中支持 Wi-Fi 7 标准的芯片组将超过 17 亿。随着支持 Wi-Fi的设备出货量持续增长,越来越多半导体企业和OEM厂商选择在芯片设计中集成 Wi-Fi 连接.,曾经被认为无法通过 Wi-Fi 实现的用例终于成为可能,Wi-Fi也将在更多数物联网环境中发挥作用。

把握物联网技术趋势
在物联网技术领域的领先公司,在紧跟市场脚步的同时,引领技术的创新,其策略和产品不仅务实且具前瞻性。
 
低功耗蓝牙、Thread和Zigbee、安全Wi-Fi完善整合
Nordic在工业市场中,看到了云里物里公司的电子货架卷标和SwipBox Infinity智能包装储物柜的推出;在医疗保健市场中,Movesense Medical传感器使用低功耗蓝牙直接将心电图、心率(HR)、心率变异性(HRV)和运动数据传输到配戴者的智慧手机上。电池寿命的优化对于此类应用最为关键。在蜂巢式物联网产品方面,Velavu公司推出了资产管理生态系统,用于包括GNSS车辆追踪、精确定位监控和环境监控等众多应用。
 
Nordic推出nRF7001 Wi-Fi 6 IC产品,扩大了公司的Wi-Fi产品组合,同系列的另一款芯片nRF7002 IC已于本季度上市,这款产品标示了Nordic致力于物联网创新的决心,并充分展现出低功耗与低功耗蓝牙、Thread和Zigbee等安全Wi-Fi通讯技术的完善整合。
 
市政基础设、施互联健康市场持续成长
Silicon Labs看见互联健康市场在新冠疫情后的成长趋势,消费者期望对自身个人健康,包括身体和精神健康进行更精细的观察和管控。例如,用于糖尿病患者的装置能够监测患者的血糖、需要时注射药物,及能帮助患者控制其对有害刺激的反应的家庭生物回馈治疗,都使得互联健康市场将持续成长。
 
越来越多的公营事业正希望在市政基础设施中透过智慧电表和其他设备来监测其性能,而随着电动车市场快速成长,电力公司同样也需要这类的设备来确保不会因充电需求激增而造成停电的威胁。
 
Silicon Labs技术长暨技术与产品开发资深副总裁Daniel Cooley表示,2023年第四季,Silicon Labs发布的下一代物联网开发平台 (Series 3),代表了下一代物联网无线产品开发趋势,具有安全性、性能、能效和低成本特性。22nm 无线平台将是采用通用代码库和内存选项构建的罕见的多无线电解决方案,符合未来需求,并向后兼容 2 系列。
 
Wi-Fi 6大显身手取代Wi-Fi 4
Ceva公司VP Market Intelligence Richard Kingston认为因为Wi-Fi 6、Wi-Fi 7、5G-Advanced和蜂巢式物联网将推动客户建置新的芯片和解决方案,现在有越来越多的设备也希望采用多种连接标准(例如蓝牙加上Wi-Fi,或是UWB加上蓝牙),以应对这些技术在多个终端市场带来的巨大商机。
 
     Wi-Fi 6大显身手,尤其是用于物联网领域,在家庭终端设备和智能穿戴式装置等领域取代Wi-Fi 4。UWB通讯技术则在数字车用钥匙和车内安全的应用,也展现了绝佳的前景。