面向物联网的无线通信技术对比

随着智能家居、智能表计、智能交通、智能安防，以及工业物联网的发展，针对物联网应用的无线通信技术也得到了快速发展。适合物联网的无线通信技术主要有两类：一是WiFi、ZigBee和蓝牙等短距离通信；另一类是低功耗广域网（LPWAN）通信技术，LPWAN又可细分为两类：工作于未授权频谱的LoRa、SigFox等技术；以及工作于授权频谱下，3GPP支持的2/3/4G蜂窝通信技术，比如EC-GSM、LTE Cat-m、NB-IoT等。

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物联网无线通信技术对比。（来源：EDN）

不同的无线技术在组网、功耗、通讯距离、传输速度和安全性等方面各有优缺点，因此各有不同的适用场景。例如，Sub-1GHz技术适用于传输距离远、电池供电的应用环境；蓝牙适合高速、传输更多信息及通过手机操控的场景。

WiFi HaLow值得期待

WiFi在物联网应用中也比较普遍，但连接不稳、效率不高和时断时续等一直是WiFi技术让人头疼的问题。为了让WiFi在万物互联的时代更加普及和持续为社会和人们创造价值，WiFi联盟专门制定了IoT WiFi标准 – WiFi HaLow，其IEEE代号是802.11ah。这一新的WiFi标准的优势在于功耗低，传输距离长，特别适合小尺寸、电池供电的可穿戴设备，以及工业互联网部署。

WiFi HaLow的特性和优势。（来源：WiFi联盟）

Wi-Fi HaLow（包含IEEE 802.11ah技术的产品名称）通过在低于1 GHz的频谱下运行来增强Wi-Fi功能，以提供更大的传输范围和更低的功耗。Wi-Fi HaLow可满足物联网（IoT）的独特要求，适合工业、农业、智能建筑和智慧城市环境中的各种应用。Wi-Fi HaLow可实现传感器网络和可穿戴设备等应用所需的低功耗连接，其有效传输范围比许多其他物联网技术更长，并且在干扰严重的恶劣环境下仍可提供稳定的连接，其中穿透墙壁或其他障碍的能力是一个特别的优点。

Wi-Fi联盟制定的最新技术标准HaLow及其它WiFi标准组合。（来源：WiF联盟）

作为Wi-Fi标准组合的一部分，Wi-Fi HaLow实现了WiFi通信更全面的无线连接。Wi-Fi HaLow可以提供用户期望从Wi-Fi获得的许多好处，比如多供应商互操作性，易于设置且不会破坏现有Wi-Fi网络，以及最新的Wi-Fi安全性。

HaLow运行在900MHz频段上，而非现在流行的2.4GHz和5GHz频段，这一频段更适合小量数据负荷以及低功耗设备，尤其适合智能手表和智能家居设备。美国使用902MHz至928MHz的免许可频段，其它国家也使用1GHz以下的类似频段。虽然大多数WiFi设备在理想条件下最大只能达到100m的覆盖范围，但HaLow在使用合适天线的前提下可以远达1km，信号更强，且不容易被干扰。HaLow号称传输距离是标准2.4GHz WiFi的两倍，而且穿墙能力更强。

选择IoT WiFi芯片和模块时需要考虑哪些因素？

WiFi芯片厂商和模块开发商通常会按各种参数列出模块产品组合，包括RF频段、数据速率、传输范围和认证等。因此，需要根据满足所需应用规范的参数来过滤WiFi模块。

在为设计项目选择最佳的IoT WiFi模块时，需要考虑以下一些最重要的因素。

• 物联网架构：首先要做出的重要决定是 “单芯片”解决方案，还是“主处理器+ WiFi模块”解决方案。IoT MCU在一个芯片中运行WiFi堆栈和主机应用程序，这是一种“单芯片”解决方案。这种配置非常适合对尺寸要求比较严格的嵌入式设备，因为可以减少器件数量，有助于简化PCB布线和布局。在软件方面，这种配置非常适合中小型RF协议栈，可在物理层和顶层应用之间平均分配内存。一些WiFi模块（例如乐鑫ESP32，TI CC3200和Microchip SAMW25）非常适合此类IoT架构。基于这种架构构建的一些物联网应用包括远程监控和智能安全系统、资产跟踪和可穿戴式设备监控等。

“主处理器+ WiFi模块”解决方案是包含Wi​​Fi堆栈，并且有单独的处理器运行主机应用程序。这种架构非常适合定义明确且不经常更改的WiFi技术。开发人员可以依赖打包的WiFi堆栈，因此它可将MCU上的WiFi开销降至最低，从而简化代码开发工作。WiFi堆栈和应用程序层的分离使得MCU可以在IoT应用上投入最大的硬件资源和带宽。家庭自动化、智能电器、智能电表等物联网应用就是使用这种架构的一些示例。

• WiFi协议支持：IEEE 802.11有一系列无线LAN标准，包括802.11 a / b / g / j / n / p / ac / ad / ah，并且每个标准都有不同的规格要求。选择这些协议时，需要权衡三个关键因素：数据速率、传输范围和功率要求。例如，802.11n、802.11ac和802.11ah协议具有IoT多媒体应用所需更得高数据速率优势，而像802.11b / g这样的协议在功耗要求方面具有优势。因此，根据项目要求，最适合的IoT WiFi芯片和模块取决于IoT应用的需求和用途。
• 工作频率：IEEE 802.11标准在不同的指定频率范围内工作，并分为多个通道。各国有自己的规则来确定在这些频带内使用的允许信道、用户和最大功率水平。现在，许多WiFi模块都在5GHz和2.4GHz上提供双频支持，并为部署和管理移动IoT设备提供了很大灵活性。
• WiFi安全性：在允许物联网设备使用WiFi连接到互联网之前，确保WiFi支持所需的安全标准非常重要。所有主流的IoT WiFi模块至少支持多种WiFi安全标准之一，例如WPA、WPA2、WPA3、WPS等。每个安全标准都有其优点和缺点，因此选择最适合的安全需求很重要。
• 硬件接口：通常，WiFi模块与许多I / O和外围接口支持捆绑在一起，以适应不同的需求。首选USB、SPI或SDIO接口来支持高数据吞吐量应用。典型的接口还有UART、I2C、I2S和其他接口。
• 认证：各个国家/地区都有自己的无线通信法规认证，要使IoT设备进入这些市场就需要合规认证。因此，对于商业应用，必须选择具有RF认证屏蔽功能的WiFi模块（例如FCC）。

ASPENCORE《电子工程专辑》分析师团队从众多国际和本土厂商中挑选10家面向物联网应用的WiFi芯片/模块，并按照WiFi 6、WiFi+BLE、智能家居、白色家电和智能灯具等细分类别进行了划分，供工程师做IoT应用设计时参考。请在文末对这10家厂商的WiFi芯片进行投票评选。

WiFi 6 IoT芯片

• 乐鑫科技ESP32-C6

ESP32-C6 是乐鑫科技首款集成 Wi-Fi 6 + Bluetooth 5 (LE) 的 32 位 RISC-V SoC，具有极低功耗和高性价比，能够大幅提升物联网设备的 Wi-Fi 传输效率，提供安全可靠的连接性能。目前，ESP32-C6 已通过 Wi-Fi 联盟认证。ESP32-C6搭载 RISC-V 32 位单核处理器，时钟频率高达 160 MHz，内置 400 KB SRAM，384 KB ROM，并支持多个外部 SPI、Dual SPI、Quad SPI、QPI flash。ESP32-C6 具有 22 个可编程 GPIO 管脚，支持 ADC、SPI、UART、I2C、I2S、RMT、TWAI 和 PWM。

ESP32-C6 功能框图。（来源：乐鑫科技）

ESP32-C6 的独特之处在于提供了对 2.4 GHz Wi-Fi 6 协议 (802.11ax) 的支持，并向下兼容 802.11 b/g/n。为优化和提升物联网设备性能，ESP32-C6 支持 802.11ax 的仅 20 MHz 信道带宽工作模式，以及 802.11b/g/n 协议的 20/40 MHz 带宽。此外，802.11ax 还支持 Station 工作模式，为设备提供更高的传输速率和更低的功耗。Bluetooth 5 (LE) 可基于广播扩展 (Advertising Extensions) 和 Coded PHY 实现远距离通信。它还支持 2 Mbps PHY，用于提高传输速率和数据吞吐量。

ESP32-C6 支持上行、下行正交频分多址 (OFDMA) 接入和下行多用户多输出多输入 (MU-MIMO) 接入机制，均能实现在拥堵的无线网络环境中，进行高效率、低延迟的工作。802.11ax 协议的另一个重要功能是目标唤醒时间 (Target Wake Time, TWT)，使设备在支持 802.11ax 的 Wi-Fi 接入点协助下延长睡眠时间。这一特性将允许 ESP32-C6 用户构建由电池供电的物联网设备，设备可以基于电池电量使用数年，并始终保持连接状态。

ESP32-C6 支持基于 RSA-3072 算法的安全启动、基于AES-128-XTS 算法的 flash 加密、用于保护设备身份安全的数字签名和 HMAC 模块，以及用于提高性能的加密加速器。这些安全机制确保了由 ESP32-C6 构建的设备具有高标准的安全级别。

ESP32-C6 依旧沿用乐鑫的物联网开发框架 ESP-IDF，ESP 用户可以基于熟悉的开发平台，轻松构建 ESP32-C6 应用。用户如果想将 ESP32-C6 用作外部主机的协处理器，可选择乐鑫 ESP-Hosted 和 ESP-AT 固件。

• 高通Immersive Home 318平台

Home 318是一个8流Wi-Fi 6E网络平台，支持高通Tri-Band Wi-Fi 6，同时支持在2.4和5GHz频带上的差异化Wi-Fi 6功能组合，其中多达4个专用于支持6GHz频带的流，160MHz信道可用于提供角落到角落的千兆级连接。Home 318平台采用4×4 Wi-Fi 6E配置，可提供更高的性能，范围和/或客户数量，通过支持将性能限制回程流量迁移至Tri-Band Wi-Fi 6E，为应用提供了极大的灵活性。

其功能特性如下：在2.4、5和6GHz频段（包括160MHz信道）之间提供同步操作；可将网状Wi-Fi节点之间的流量迁移到6GHz频段；多用户流量管理提供了先进的调度算法和缓冲，并具有通用的上行链路数据支持；安全套件提供最全面的WPA3支持，以及先进的嵌入式加密加速器；带有开放API移植的电信级增强功能，可用于多源开发；Mesh Wi-Fi选项包括Wi-Fi SON，Wi-Fi Alliance的Wi-Fi CERTIFIED EasyMesh标准以及OpenSync开源软件；使用双核A53处理器和网络加速器以支持高性能本地计算。

WiFi + BLE IoT芯片

• 博流智能 BL602/BL604

BL602/BL604芯片的无线子系统包含2.4G无线电、Wi-Fi 802.11b / g / n和Bluetooth LE 5.0基带/MAC设计。其微控制器子系统包含低功耗32位RISC-V CPU、高速缓存和存储器。电源管理单元可控制低功耗模式。其外围接口包括SDIO，SPI，UART，I2C，IR远程，PWM，ADC，DAC，ACOMP，PIR等，支持灵活的GPIO配置。 BL602共有16个GPIO，而BL604共有23个GPIO。

该系列芯片的无线功能包括：Wi-Fi 802.11 b / g / n；低功耗蓝牙5.0，具有BLE协助的Wi-Fi快速连接，Wi-Fi和BLE共存；Wi-Fi安全WPS / WEP / WPA / WPA2 / WPA3；STA，SoftAP和嗅探模式；多云连接；2.4 GHz射频收发器；集成射频巴伦，PA / LNA。

其安全功能包括：安全启动；安全调试；XIP QSPI即时AES解密（OTFAD）；AES 128/192/256；SHA-1 / 224/256；TRNG（真随机数生成器）；PKA（公钥加速器）。

应用领域：低功耗物联网应用、Wi-Fi连接、BLE连接、家用电子产品、遥控器等。

• 博通集成 BK7231U Wi-Fi SOC芯片

符合802.11b/g/n 1×1协议  2. 17dBm 输出功率；支持20/40 MHz带宽和STBC；支持Wi-Fi STA、AP、Direct模式；支持蓝牙5.1协议，-90dB灵敏度和20dBm输出功率  ；片内MCU；最高频率120MHz；片内256Kbyte数据RAM；内置2MB FLASH，支持透明下载 ； 6路32位 PWM；多路程序下载与JTAG接口；全速USB主机和设备； 50MHz SDIO和SPI接口，并支持主从模式；支持两路I2C接口；支持两路高速UART；6路32位PWM；麦克风信号放大；内置多通道ADC；支持8位DVP 图像传感器；32字节eFUSE。

智能灯具

• Silicon Labs WGM160 WiFi模块

关键 RF 特性：1×1 802.11n，具有全面的 802.11 b/g 兼容性，72.2 Mbps；Greenfield Tx/Rx 实现最优 802.11n 性能；Short Guard Interval (SGI) 实现 802.11n 最优吞吐量；A-MPDU Rx 和 Tx 实现高 MAC 吞吐量；面向多个帧的块确认；Rx 碎片整理；支持漫游；支持客户端、SoftAP 模式；支持同时 AP + STA；TX 功耗：+16 dBm；RX 灵敏度：-95.5 dBm；2 块 2.4 GHz 天线板，实现全面天线多样性支持；2.4 GHz 共存性；2、3 和 4 线 PTA 支持；

认证：FCC、CE、ISED/IC、KCC 和 MIC/TELEC 认证。

MCU 功能和主机接口：72 MHz 的 ARM Cortex-M4；板载闪存：2048 kB；板载 RAM：512kB；超低能耗操作；80 μA/MHz（能耗模式 0 (EM0)）；2.1 μA EM2 深度睡眠电流（RTCC 运行及状态和 RAM 保留）；硬件加密引擎支持 AES、ECC、SHA 和 TRNG；UART 和 USB 串行接口。

• NXP 88MW320/322 Wi-Fi SoC

88MW320/322 Wi-Fi片上系统（SoC）是内置Arm Cortex-M4F内核和802.11 b / g / n Wi-Fi功能的微控制器芯片。该SoC专为家庭、企业和工业自动化的智能设备以及智能配件而设计，具有以下优化特性：支持Amazon Alexa语音服务（AVS）；高度集成的SoC，只需很少的外部组件即可实现完整的系统运行；多种低功耗模式和快速唤醒时间；单流802.11n / g / b WLAN；低功耗（10 dB）模式的高效功率放大器；Cortex-M4F内核，集成了512KB SRAM和128KB掩码ROM；具有嵌入式32 KB SRAM缓存的闪存控制器，可支持来自外部SPI闪存的XIP；安全启动；独特的硬件位可通过芯片组对SDK进行身份验证；全套数字和模拟I / O接口。

智能家居

• 紫光展锐V5663

V5663是支持Wi-Fi 5+蓝牙 5+MCU的 AIoT解决方案，具有技术领先、算力强大、安全可靠、应用丰富、易于开发五大特性，可广泛应用于智能家居、医疗、儿童教育、美容保健、仓储物流等多个应用场景。

功能特性如下：支持PSA-M安全认证；采用RTOS完成双麦VAD/语音唤醒打断音频处理功能；支持Wi-Fi 5 / 蓝牙5.0 / MCU高集成单芯片；支持ARM CM33 Combo连接芯片，采用ARM Cortex M33 ARMv8-M架构，支持TrustZone；外围接口包括USB2.0/3.0，eMMC, PWM, PDM, IIS等接口；Wi-Fi 2.4/5G双频，MU-MIMO；支持蓝牙AOA AOD+Wi-Fi RTT融合定位；BT5.0: 双模，长距离，Mesh，AoD；支持802.11ac 1X1 2X2等丰富的产品组合。

• 联盛德W800

联盛德W800 芯片是一款安全 IoT Wi-Fi/蓝牙双模 SoC 芯片。支持 2.4G IEEE802.11b/g/n Wi-Fi 通讯协议；支持 BT/BLE 双模工作模式，支持 BT/BLE4.2 协议。该芯片集成 32 位 CPU 处理器，内置 UART、GPIO、SPI、I2C、I2S、7816 等数字接口；支持TEE安全引擎，支持多种硬件加解密算法，内置 DSP、浮点运算单元，支持代码安全权限设置，内置 2MBFlash 存储器，支持固件加密存储、固件签名、安全调试、安全升级等多项安全措施，保证产品安全特性。适用于智能家电、智能家居、智能玩具、无线音视频、工业控制、医疗监护等广泛的物联网领域。

• 亮牛半导体LN882X

LN882X芯片是亮牛半导体推出的新一代超高集成度WIFI芯片，集成了​片上匹配网络、WIFI射频、CMOS PA、LNA、基带、电源管理模块，以及主控MCU ARM Cortex-M4F，极大降低外围电路的复杂度和成本，具有极低的功耗和优秀的射频性能。

功能特性如下：支持WiFi 2.4GHz 802.11 b/g/n，支持STA/AP/STA+AP操作模式，支持WPA/WPA2；支持宽电压供电；SPI/SDIO/UART接口；主SPI/I2C；I2S, PWM和GPIO；多通道ADC；QSPI FLASH带高速缓存；MCU时钟速率80/160MHz；用户代码可用空间高达4MB Flash；开放灵活的SWD调试接口。

• 南方硅谷M169

M169模组是南方硅谷与AliOS Things 联合开发的高性价比板载天线嵌入式WIFI模组。该模组硬件上集成了WLAN MAC、Baseband、RF，最高主频160MHz,内置192KB SRAM，2MB flash。整个模组用3.3V单电源供电，采用邮票孔SMT安装方式。

这一IoT WIFI方案已经通过AliOS Things认证，支持终端设备连接到阿里云，具有超低功耗和超低内存的特点，适用于各种小型IoT设备，可广泛应用在智能家居、智能城市、新出行等领域。

其WI-FI 相关特性包括：支持802.11 b/g/n 无线标准；支持WEP、WPA/WPA2 安全模式；支持Station 模式。该模组处理器采用Andes N10 处理器，128K ROM 和192KB SRAM，集成16Mbit SPI flash。可提供的外设端口包括：2X UART、5XPWM、4X ADC、1XI2C、1XSPI_M、14XGPIO(复用UART,PWM,ADC,I2C,SPI_M)。

该WIFI模组已经获得的认证：WI-FI 联盟、FCC、CE和SRRC。其适用产品和应用场景包括：智能插座、智能灯控、智能交通、智能家电、智能安防、工业自动化等。