嵌入式无线网络应用与开发介绍
无线网络是指通过无线电磁波进行数据传输的网络。其实我们每天都生活在各种电磁波的覆盖下，但是我们却很少能够感知到它。
嵌入式是一个很泛的专业，如果不是专门做底层通信开发或是通信专业人士，基本上也很少嵌入式开发人员会去关注无线通信的原理和机制。
前言
无线网络是指通过无线电磁波进行数据传输的网络。其实我们每天都生活在各种电磁波的覆盖下，但是我们却很少能够感知到它。
嵌入式是一个很泛的专业，如果不是专门做底层通信开发或是通信专业人士，基本上也很少嵌入式开发人员会去关注无线通信的原理和机制。
出现这一现象，我觉得主要的原因有：
- 技术复杂：通信涉及复杂的协议，标准，和底层技术，入门较难
- 抽象层增加：高级语言和框架的出现，开发者已不再需要详细了解底层通信原理
- 专业化的需求：通信与硬件，网络，底层系统之间交互密切，通信开发需要特定背景和经验
(一)无线网络介绍
(1)生活中的无线网络应用
生活中我们接触到的多数是消费级无线产品，比如广播，电视，手机，平板电脑，无线鼠标、无线键盘、无线耳机、家用遥控等等。
在工业或是特殊行业使用比较多的有：应急与救援中的对讲，智慧停车中的地磁车位状态检测，智能抄表，环境检测与监控，汽车胎压检测等等。
(2)按覆盖范围分类
按照覆盖范围，无线网络可以分为广域网，城域网，局域网和个域网。
它们中间有些是重叠的。比如无线城域网中的WiMAX,它与LTE和5G有重叠部分，目前它只在韩国，俄罗斯，巴西等地方使用，随着LTE和5G的不断部署，WiMAX可能还会逐渐地减少。
(3)按频率分布分类
无线频率是一种稀缺资源，每个国家和地区允许使用的频段会存在一些差异。同样是4G模块，每个地方所使用的通信信道也存在一些差异。
我们的设备如果要出口到国外，都需要符合国外当地的无线规范。
常见的认证有：
- 美国的FCC认证
- 欧洲的CE认证(RED认证)
- 中国的3C认证
无线网络信号，按频率高低可以划分为：
| 类型 | 频率范围 | 主要应用 |
|---|---|---|
| 超低频（ULF） | 300 Hz - 3 kHz | 地球与潜艇通信，地震监测，科学研究等 |
| 极低频（ELF） | 3 Hz - 30 Hz | 海底通信，地球与潜艇通信，科学研究等 |
| 低频（LF） | 30 kHz - 300 kHz | 无线电频率标准，感应式识别，军事通信等 |
| 中频（MF） | 300 kHz - 3 MHz | AM广播，无线电导航，航空通信等 |
| 高频（HF） | 3 MHz - 30 MHz | 短波广播，海事通信，航空通信等 |
| 超高频（UHF） | 300 MHz - 3 GHz | 无线电广播，电视广播，手机通信等 |
| 极高频（VHF） | 30 MHz - 300 MHz | 航空通信，无线电广播，卫星通信等 |
| 甚高频（SHF） | 3 GHz - 30 GHz | 雷达，卫星通信，无线局域网（Wi-Fi）等 |
| 特高频（EHF） | 30 GHz - 300 GHz | 微波通信，无线电天文学，科学实验等 |
| 毫米波（Millimeter Wave） | 30 GHz 及以上 | 5G移动通信，无线数据传输等 |
(4)频率与波长的关系
无线通信，实际是通过电磁波进行信息交互的通信，其中频率与波长的关系为：
速度 = 频率 × 波长
c = f × λ
c 是光速，f 是电磁波的频率， λ 是电磁波的波长;
光速不变，频率与波长成反比。
在实际应用中，频率越高，穿透能力就越弱，传输距离就越短，但可以提供更大的带宽。传输距离与传输带宽之间存在较大制约。
比较直观的体验是家里的无线路由器，有些路由器它可以支持2.4G和5G频段。当只使用5G频段时，会发现WiFi的信号比使用2.4G频段较弱一些。
(二)以太网与无线网的区别
这里的以太网是指Ethernet，也就是有线网络。
(1)无线网的优点
与以太网相比较，无线网的优点有：
- 移动性好，不受物理连接的限制
- 安装灵活便捷
- 可节省布线成本
(2)无线网的难点
与以太网相比较，无线网需要面对的难点：
- 信号强度和覆盖范围:需要考虑距离，障碍物，电磁干扰等情况
- 干扰和频段拥塞：同频，多经干扰，电磁，天气等干扰
- 数据传输速率限制：难以同时兼顾距离和带宽
- 设备兼容性：需要适配不同的无线标准
- 能耗和电池寿命:低功耗物联网设备对能耗非常敏感
(3)在开发上的区别
这里主要描述以太网和无线Wifi网络在开发上的区别。
以太网和无线Wifi网络，它们都是使用TCP/IP协议栈，它们主要的区别在于物理层和数据链路层。
它们在协议栈的网络层，传输层，应用层是一样的，如果你是做应用软件开发，那么基本上也感知不到它们有什么区别。
从应用软件开发的角度看，主要是需要注意网络延迟与带宽限制上的区别。
(三)在嵌入式系统中的应用
无线电磁波除了可以作为通信使用，还可以在其它领域使用，比如激光，雷达测距测速等领域
在测距领域的应用，可以参考文章《超声波、毫米波、ToF激光雷达——在低功耗场景的应用选型》
这里我们主要介绍在无线网络通信上的使用。
(1)移动蜂窝网络
这里说的移动蜂窝网络，指的是目前我们手机上使用的4G/5G网络，它属于广域无线网络。
4G是指第四代移动通信技术，LTE(Long-Term Evolution)是4G的一种实现方式，4G的另外一种实现方式是WiMAX。
目前使用比较广泛的还是LTE(4G)网络。除了在手机上使用，在物联网领域的使用也在逐渐的增加，比如4G摄像机，这里选择使用4G 模块进行通信，主要原因是需要传视频数据，需要的带宽比较大，另外是安装方便，不需要拉网线。
4G摄像机，根据所传输图像的码流大小，也可以选择不同的4G模块，常用的有CAT1 和CAT4。它们的带宽如下：
| 类型 | 上行带宽 | 下行带宽 |
|---|---|---|
| CAT1 | 1.4Mbps左右 | 10Mbps左右 |
| CAT4 | 5Mbps左右 | 150Mbps左右 |
| CAT6 | 50Mbps左右 | 300Mbps左右 |
| CAT12 | 100Mbps左右 | 600Mbps左右 |
| CAT16 | 100Mbps左右 | 1Gbps左右 |
之所以称移动网络为蜂窝网络，是因为它的网络覆盖区域被划分为许多小区，每个小区之间彼此不重叠，类似于蜂窝状。
它主要的特点有：
- 小区划分：每个小区由一个基站负责服务
- 支持移动性：用户在移动中可以保持通信连接，自动连接新基站。
- 频谱复用：将频谱划分为多个子载波，在不同小区间分配，相邻小区使用不同频段，以降低同频干扰。
- 多代网络兼容：一般同时支持2G 的GSM，3G的UMTS和CDMA2000，4G的LTE和WiMAX，以及5G 的NR（New Radio）
(2)NB-IoT物联网应用
NB-IoT(Narrowband Internet of Things)是一种低功耗广域物联网技术。
它是LTE(4G)标准的一部分，它的主要技术特点是：
- 低功耗，PSM模式下一节电池可以做到用5年
- 覆盖面积广：能实现比 GSM 高20db的覆盖增益
- 窄带宽：标准带宽为180KHz
- 支持大规模连接:理论一个网络小区可以同时连接10万个设备
- 与现有网络兼容:LTE标准的一部分，可以利用已有的LTE网络基础设施进行部署。
基于它低带宽，高覆盖面，低功耗的特点，目前它主要的应用有：
- 智能水、电表:通过无线连接，发送水表，电表数值
- 智能停车场：实时监测车位状态，比如地磁停车监测
- 智能农业：用于土壤温湿度等数值监测
- 智能物流: 追踪货物位置，温度，震动等状态
- 智慧城市：灯光控制，环境检测等
(3)zigbee 技术
zigbee 是运行在2.4GHz频段的一种通信技术，它与我们2.4G Wifi属于同一个频段，同时它也还可以运行在868 MHz和915 MHz频段。它使用的标准是IEEE 802.15.4。它的带宽只有250kbps。
它与NB-IOT的应用有些重叠，区别在于NB-IOT是属于广域无线网，zigbee是属于局域无线网，zigbee的覆盖范围一般在1~2000米。
优点是：低功耗，低成本，短延时，高容量，免执照频段，低复杂度
缺点是：低速率，近距离
目前比较多的是应用在智能家居中的智能灯具、智能插座、智能开关、智能门锁等等。
因为zigbee与蓝牙，Wifi属于同一个工作频段，所以它们之间容易相互干扰。
(4)无线Wifi网络
无线Wifi属于局域网上的一个技术，它使用的是802.11标准。它是在以前以太网基础上发展出来的一个技术。
802.11 是Wifi技术的一个系列标准，常用的有802.11b、802.11g、802.11n、802.11ac和802.11ax等，后面为了更好的推广，将原来的标准直接改成了wifi名字。
| 名称 | 对应标准 | 发布年份 | 最大传输速率 | 频段 |
|---|---|---|---|---|
| Wi-Fi 1 | 802.11b | 1999年 | 11 Mbps | 2.4 GHz |
| Wi-Fi 2 | 802.11a | 1999年 | 54 Mbps | 2.4 GHz |
| Wi-Fi 3 | 802.11g | 2003年 | 54 Mbps | 2.4 GHz |
| Wi-Fi 4 | 802.11n | 2009年 | 600 Mbps | 2.4 GHz和5 GHz |
| Wi-Fi 5 | 802.11ac | 2014年 | 1.3 Gbps | 5 GHz |
| Wi-Fi 6 | 802.11ax | 2019年 | 10 Gbps | 2.4 GHz和5 GHz |
wifi在家庭，办公室，公共产所，智能家居等领域都有广泛的应用。
在嵌入式开发中，如果使用wifi无线网络，需要考虑的是路由器网络兼容性，以及在低功耗产品中的功耗控制等问题。
具体查看文章《嵌入式低功耗WiFi设备保活功耗分析》
(5)Bluetooth 蓝牙网络
蓝牙属于个域网中的一个应用，适用于短距离间通信，一般距离在1~10m。相比比较于zigbee,蓝牙的功耗要高一些。
蓝牙又分为经典蓝牙(Classic Bluetooth) 和 低功耗蓝牙(Bluetooth Low Energy，BLE)
| 名称 | 带宽 | 频道 | 带宽 | 从设备数 |
|---|---|---|---|---|
| 经典蓝牙 | 1 Mbps左右 | 79个 | 1 MHz | 7 个 |
| 低能耗蓝牙 | 1 Mbps以下 | 40个 | 2 MHz | 几十个 |
相比较于其它无线技术，蓝牙有下面几点区别：
- 从设备只能与主设备通信
- 经典蓝牙只能连接7个从设备
(6)各技术综合对比
在实际开发设计的时候，我们选择通信模块主要考虑的参数有:传输带宽，传输距离，功耗以及成本。
根据上面介绍的几种无线通信技术和标准，我们做个简单的对比。
其中蜂窝网络我们以4G为代表
| 类型 | 覆盖范围 | 工作频率 | 速率 | 功耗 | 成本 |
|---|---|---|---|---|---|
| 蜂窝网络(4G) | 广泛覆盖整个 城市和城镇 |
FDD-LTE： 上行1.8-2.1 GHz 下行2.1-2.6 GHz |
5-80Mbps | 高 | 高 |
| NB-IOT | 大于4G网络 | LTE Band 8： 上行:880 MHz-915 MHz 下行:925 MHz-960 MHz |
180Kbps | 低 | 低 |
| Zigbee | 1-2000m | 2.4GHz | 11Mbps | 低 | 低 |
| wifi | 1-100m | 2.4GHz | 11M-10Gbps | 高 | 中 |
| Bluetooth | 1-10m | 2.4GHz | 1M-2Mbps | 较低 | 低 |
(四)问题与分析
这里主要介绍无线wifi设备在开发中遇到的问题，比如wifi摄像机以及同技术类型的可视门铃，可视猫眼，baby monitor等设备，它们使用的都是wifi网络进行数据通信。
(1)问题现象
- 在距离路由器比较远或是有障碍物遮挡(如墙体)的情况，wifi信号会比较弱，在传输视频数据的时候，经常会出现卡顿或是离线的问题。
- 有些设备在距离路由器比较近的情况下，网络状态也不好。
(2)原因分析
可能存在的原因：
- 设备wifi天线与设备结构未进行匹配。
- 设备所在的空间，有其它的同频率无线信号干扰。
- 传输的视频流码流较大，导致网络拥塞。
(3)解决方案
主要的问题解决方向有：
- 测试天线与设备的匹配情况，比如传导，增益，阻抗等。
- 使用跳频技术，尽量选择干扰较少的信道进行通信。
- 使用压缩比更高的视频压缩技术，比如H.265,以降低视频码流。
结尾
所有的技术和标准都在不断地更新与迭代，无线通信技术也不例外。
以上内容，如有错误，欢迎批评指正~
