无线通信———比较射频和蜂窝电话

在设计一个IoT 系统时，你的首要选择之一是它将如何进行通信。虽然有些项目可以使用以太网或串行协议进行硬接线，但大多数项目需要无线通信所带来的移动性和敏捷性。

IoT 终端设备通常位于不可能铺设电源或通信电缆的地方，而且许多设备是完全移动的，因此任何种类的有线解决方案都是不可行的。在这些情况下，选择一个无线通信协议是不费吹灰之力的。但哪种无线解决方案适合你的项目？

在这篇文章中，我们比较了蜂窝通信和射频通信（射频协议），研究了关键的考虑因素，以帮助您做出最佳选择。我们的例子将侧重于Digi XBee®模块，但无论你在项目中实施何种品牌和型号的无线通信，考虑因素都是一样的。

带我去XBEE射频和蜂窝式调制解调器的生态系统

对于蜂窝网络，我们将看看Digi XBee 蜂窝网络产品线所支持的低带宽协议，包括LTE Cat 1、LTE-M和NB-IoT 。 Digi还提供多种非蜂窝式射频解决方案。我们将其称为 "RF "系列的Digi XBee 模块，包括：XBee 3 Zigbee、XBee 3 DigiMesh和XBee 3 802.15.4；XBee-PRO Zigbee和XBee-PRO DigiMesh；XBee SX 900和XBee 868MHz；以及XBee-PRO 900HP。

请参考《XBee购买指南》，比较Digi XBee 生态系统中不同模块的能力。

比较射频与蜂窝式无线通信

任何IoT 系统的最佳无线通信解决方案总是取决于环境。对于一些项目来说，蜂窝网络是最适合的。对于其他项目来说，蜂窝电话的功率要求和成本可能过高，而像Digi XBee 3 Zigbee这样的短距离射频解决方案将是理想的匹配。之所以有这么多不同的IoT 协议，是因为有这么多不同类型的项目，每个都有独特的要求。考虑到这一点，让我们看看每种类型的解决方案的注意事项。

蜂窝通信。优势和权衡

与每一种无线通信方案一样，对于蜂窝电话，从成本和复杂性到设计和构建解决方案所需的时间，以及你或你的终端客户如何最终管理设备，都有一些考虑。例如，你需要确保你的产品的固件可以定期更新安全或功能更新，并确保你的无线通信设备在线并正常运行。 

蜂窝式解决方案需要外部基础设施。两个蜂窝模块从不直接对话；它们必须通过无线运营商的网络，利用其庞大的通信塔和大量的后端基础设施进行连接。当我们说一个蜂窝模块与 "塔 "对话时，我们实际上是指该运营商的整个网络，如一个单一的蜂窝塔所代表的。因为手机需要基础设施，所以几乎总是需要无线运营商的付费数据计划。即使是低带宽的IoT 设备的降价计划，总费用也是相当可观的，对于一些项目来说，是无法承受的。

蜂窝通信的优势

蜂窝通信模块直接与范围内的任何塔台对话，并使用该连接直接通信，通常是与在线云应用程序通信。选择蜂窝网络作为你的无线通信方式的一个关键优势是，不需要其他设备；你只需要模块和它的天线。 

蜂窝式解决方案具有极高的移动性。它们的连接可以在塔与塔之间高速交接。有了正确的模块和数据计划，你的IoT 设备可以在全球范围内无缝移动而不失去连接。请记住，每个模块必须在塔台的无线电范围内进行通信。如果一个无线运营商没有覆盖某个地区，那里将无法进行蜂窝通信。

蜂窝数据是IP原生的，这意味着具有实时连接的蜂窝模块可以直接用其原生语言与互联网进行对话。这减少了开发工作，简化了IoT 网络架构。它还使空中更新变得相对直接，因为固件可以直接从云端传到设备上，简化了错误修复和改进的途径。

此外，OEM和终端客户可以使用Digi基于云的设备管理和通信平台Digi Remote Manager®来完成一系列关键任务。Digi Remote Manager (Digi RM)提供一整套管理功能，如在你的整个部署中自动进行固件更新、监控配置设置以检测安全漏洞、状态和设备健康监测、指定条件的报警和通知等等。而且Digi RM提供了通过安全的VPN隧道来管理你的全套连接的IoT 设备--包括非Digi串行设备。

 蜂窝通信的权衡

其中一个权衡因素是，蜂窝系统必须定期升级，以跟上运营商要求的更新，有时还需要更换基础硬件的协议日落。

大多数IoT 设备是靠电池运行的。蜂窝通信具有相对较高的功率需求，因为它们需要大量的电流来与可能在1/4英里以外或更远的塔台进行通信。新的IoT 蜂窝协议提供了减少的电流，甚至一些睡眠模式，然而它们仍然比射频通信模块更快地消耗电池。

蜂窝电话的硬件相当复杂，所以通常成本较高，而且物理上有些大，特别是考虑到需要更大的天线来接受所有不同的蜂窝电话频段。

非细胞射频通信。优点和权衡

我们在这里要介绍的射频通信解决方案具有与蜂窝电话不同的能力。它们可以直接相互通信，在使用网状协议时，甚至可以通过其他中间模块跳接信息。如果网络需要将信息发送到本地以外的地方，它将需要一个网关设备，如Digi IX15IoT 网关，它可以将数据翻译并转发到其他地方，通常是通过互联网。射频网关很常见，但肯定是可选的，而且不是所有的解决方案都使用它们的情况。

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 请注意，虽然我们在这篇博文中没有涉及这些内容，但Digi也提供出色的LoRaWAN®、Wi-Fi和蓝牙解决方案。

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射频通信系统可以无限期地部署和运行，不需要第三方收取月费。这可以使一个具有成本效益的IoT 解决方案和一个不经济的解决方案之间产生差异，即使它在技术上是合理的。一个射频网络几乎可以建立在任何地方，而不考虑任何第三方的覆盖范围，但他们通常会被限制在一个预定的区域，每个模块至少可以看到另一个模块，以维持其网络。

通过射频解决方案，你提供自己的覆盖，不受任何供应商影响。你还必须提供你自己的数据回程，将信息从网络边缘转移到它需要的地方。在大多数情况下，这需要某种网关设备，将来自本地射频网络的传入数据汇总，并将其传递到互联网。网关也可以接受互联网数据并将其转发到射频网络。

 在802.15.4这样的点对点协议中，每个无线电都必须在网关的范围内。然而，像Zigbee和DigiMesh这样的网状协议允许信息在到达网关的路上自动 "跳 "过中间模块，所以网络可以比网关本身的范围大得多。因为射频解决方案是独立的，所以不需要按照别人的时间表升级任何东西。一旦你的系统开始工作，理论上它可以几十年不变地运行，有助于保持低成本。

射频模块通常使用IP以外的协议进行通信。这不是疏忽，而是因为TCP/IP在设计时没有考虑到IoT ，为经常处于睡眠和离线状态的低功率、低带宽设备带来了重大技术挑战。虽然像Matter这样即将到来的协议最终应该改变这种情况，但目前像802.15.4、Zigbee和DigiMesh这样广泛部署的协议如果需要到达互联网，必须在网关处进行翻译。

请注意，像Digi提供的高级网关支持无线固件分发，但请记住，其他品牌可能不会。此外，Digi XCTU®可以对部署的XBee射频模块进行本地配置和管理。

用射频模块进行无线通信的优势

我们已经介绍了射频通信的几个巨大优势，特别是在节省蜂窝电话计划方面。射频还有其他成本因素。IoT 设备往往需要非常便宜，以确保整个系统的成本效益。这就是射频解决方案真正可以发光的地方。 

以下是射频通信设备的另外几个关键优势，所有这些都会影响到总的拥有成本。

• 他们的协议和硬件都经过了严格的优化，以节省开支。
• 它们使用的电流非常小，可以在长时间不活动的情况下休眠，因此电池可以存活数月甚至数年而无需更换。
• 这些设备本身比较简单，这意味着它们可以在物理上更小，而且价格更低。
• 他们的天线通常只需要支持一个单一的频段，创造了进一步的尺寸和成本优势，可以为盈利铺平道路。

无线通信的应用。射频和蜂窝电话选择

让我们看看无线通信在IoT 用例中的一些不同应用，看看这些选择在现实世界中是如何发挥的。这些无线通信的例子共同说明了许多类型的应用和开发者团队的一些考虑。

用于高尔夫球场的机器人割草机的监测和控制

割草机会移动，所以我们马上就会想到手机的移动性。割草机需要大量的机载电源，而且它们相当大和昂贵，所以Digi XBee 蜂窝网络也是一个很好的匹配。直接访问IP协议也使得开发支持系统架构更加简单。值得注意的是，像Digi XBee SX这样的长距离射频通信模块也可以完成这项工作，然而，如果球场很大，有森林或丘陵，可能需要多个网关和中继器，有可能使系统的经济性和稳定性降低。

请阅读我们与Renu机器人公司的客户案例研究，看看他们是如何为其太阳能田间机器人割草机选择无线通信方式的!

建筑物机械室的漏水监测

机械室是一个室内场所，有时位于地下，可能不存在手机覆盖。将需要多个传感器，以确保无论在哪里发生泄漏，都会有一个传感器来检测它。我们希望保持低成本，因为成本将被传感器的数量所乘以。如果房间足够紧凑，所有设备都在网关的无线电范围内，那么像Digi XBee 3 802.15.4模块这样的点对点解决方案就非常合适，以低成本和低复杂性提供可靠的无载体覆盖。

阅读我们与Enolgas水安全系统的客户案例研究，了解他们如何为其智能家居漏水检测解决方案选择无线通信方式。

市政道路照明

一个城市的路灯通常间隔100英尺左右，一个城市可能有数万个路灯。任何市政工程都会对成本敏感，所以我们的路灯监测和控制系统需要在紧张的预算下工作。

在这里，像Digi XBee 3 Zigbee这样的解决方案可以创建一个网状网络，将信息从一个灯杆传到下一个灯杆，直到它们到达目的地。某些路灯将承载一个网关，也许每个街区一个，用于通过互联网或该城市的私人IP网络来回传递控制和状态信息。路灯有充足的电力，所以所有的路灯都可以成为Zigbee路由器节点，这意味着如果任何单元出现故障，无线网络可以很容易地绕过问题，创造一个低成本的强大解决方案。

阅读我们与Sicom电子公司的客户案例研究，了解他们如何为其智能城市照明解决方案选择无线通信方式。

健身房的运动器械监测

签到、记录锻炼和监测维护为会员提供了额外的价值，同时确保设备在他们需要时能正常工作。由于健身器材一般都很接近，而且在室内，这是另一个网状网络机会。负重机通常不提供空调电源，所以我们的无线模块将依靠电池运行，他们需要节约电池。

从技术上讲，蜂窝式通讯可能是可行的，但频繁更换电池和蜂窝式通讯的成本普遍较高，意味着它在经济上可能是不可行的。像Digi XBee 3 DigiMesh这样的省电解决方案应该在这里大放异彩。成本会很低，而且DigiMesh提供的协调睡眠周期可以帮助电池持续许多个月，同时维持一个没有布线的自我修复网络，而且可能只有一个网关。

家庭血压监测

医院提供的在家测量血压的系统可能听起来像一个Zigbee或甚至Wi-Fi项目--这些协议广泛用于家庭自动化。然而，如果考虑到物流问题，事情就会变得更加复杂。老年人或不健康的病人可能不愿意或甚至没有能力将新设备加入他们的家庭网络。理想情况下，我们的解决方案将从任何地方进行通信，不需要设置。

如果你在这里想的是蜂窝电话，我们也是。较高的成本将被零设置和完全移动的好处所抵消。血压的测量不经常在短时间内进行，所以蜂窝网络的高耗电量并不是一个问题。在日常测量之外，该设备通常会被关闭。最后，由于家庭监测减少了昂贵的住院时间，蜂窝网络的边际附加成本相对来说是微不足道的。这是一个很好的例子，说明在选择IoT 通信解决方案时，环境是多么重要。

需要工程支持以使您的XBee蜂窝或射频设计原型化、测试和准备制造？Digi的专家们随时准备提供帮助。请联系我们的无线设计服务团队进行咨询。