選擇無線技術的五大考量

十月 20, 2016
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你的新專題需要使用短距離無線通訊嗎?如果要的話,你有好幾種無線技術可以選擇。每種技術都各有優缺點,而最佳的選擇取決於你要應用的形式。
在本文中,我們會比較四種新電子產品最常用的無線技術,包括傳統藍牙、藍牙低功耗(亦稱Bluetooth Smart)、Wi-Fi和Wi-Fi Direct。

資料傳輸速度

如果高速傳輸資料是你的產品最重要的規格,Wi-Fi或Wi-Fi Direct最可能是首選。每個人都知道Wi-Fi是什麼,但多數人沒聽過WiFi Direct,這種情況正在緩慢轉變中。
傳統Wi-Fi需要存取點(通常是路由器),所以資料在裝置之間的傳輸必須經過存取點。
Wi-Fi Direct和傳統Wi-Fi一樣快速,但沒有存取點的需求。Wi-Fi Direct讓裝置之間可以像藍牙一樣直接通訊。
無線通訊標準 傳輸速度
藍牙低功耗 1 Mbps
傳統藍牙 2-3 Mbps
Wi-Fi/Wi-Fi Direct 100-250 Mbps
表1 傳輸速度比較
Wi-Fi和Wi-Fi Direct的最高資料傳輸速度可達傳統藍牙極限的十倍。舉例來說,如果你的應用需要視訊串流,就需要非常高速的無線傳輸。目前的藍牙技術都不夠用(除非用在解析度非常低的影片上),因此你需要的是Wi-Fi或Wi-Fi Direct的功能。
在速度光譜的另一端則是藍牙低功耗(BLE),速度只有傳統藍牙的一半。BLE通常適合傳輸小量的間斷資料,例如溫度、濕度、動作資料、GPS座標等。
一般而言,如果你的應用需要持續傳輸資料,例如要串流音訊,則傳統藍牙是最好的選擇。傳統藍牙和適合間斷資料波而非簡單數據的BLE相比,尤其適合資料串流。
雖說如此,我們還是可以用BLE來串流音訊,只是無法取得傳統藍牙的音訊品質。然而,它需要特製的BLE韌體。藍牙韌體供應商Searan就提供了允許音訊串流的客製化BLE堆疊。如果產品的電池壽命比音訊的寫實度來得重要,這可能是個不錯的方案。

運作範圍

Wi-Fi和Wi-Fi Direct最大的傳輸範圍約為200英尺(60公尺)。傳統藍牙和BLE的最大範圍一般只有60英尺(20公尺)。
Wi-Fi的傳輸範圍較廣是因為傳輸功率較高,而這樣的範圍是用電池壽命換來的。Wi-Fi耗電比藍牙快很多,又比BLE快更多。
無線通訊標準 傳輸範圍
藍牙低功耗 一般是50英尺(採用範圍延伸器可達1,500英尺)
傳統藍牙 一般是50英尺(採用範圍延伸器可達3,000英尺)
Wi-Fi/Wi-Fi Direct 一般是200英尺
表2 運作範圍比較
藍牙傳輸器有不同等級。多數藍牙產品採用第2級傳輸器,運作範圍約為50英尺。但使用第1級傳輸器的話可以接近300英尺(100公尺)。然而與Wi-Fi Direct相同,輸出功率越大,電池壽命就越短。
我們其實可以用範圍延伸器電路來增加藍牙的傳輸範圍;延伸器主要的作用是增加接收器的敏感度。舉例來說,Silicon Labs提供了一款名為BLE112LR的遠距離BLE模組,最大範圍可達1,500英尺(450公尺)。他們也提供遠距離傳統藍牙模組,具有超過半英里(1公里)的更大範圍。請注意,這些範圍的距離都有直視性。

功耗與電池壽命/尺寸

增加傳輸範圍和提高傳輸速度代表電力的使用量增加,也就會縮短電池的壽命。如果產品的重要特色是電池壽命或電池尺寸,那功耗的問題就很重要。
對超低功耗的應用而言,最適合的無線技術非BLE莫屬。BLE主要是為了通常只用手錶電池來運作的物聯網(IoT)應用而開發。
設計完善的BLE裝置只要一顆小小的手錶電池就能運作好幾年,因為多數的BLE裝置只會偶爾傳輸資料。
舉例來說,可以把裝置設計成每分鐘只傳送資料1秒,這樣裝置只有1/60 = 1.7%的時間在傳送資料,剩餘的時間即處於超低功率的睡眠模式。

和智慧型手機的相容性

如果你的產品的關鍵是和舊型智慧型手機的相容性,則傳統藍牙或標準Wi-Fi可能是最佳選擇。所有智慧型手機都支援傳統藍牙和Wi-Fi,但只有較新的手機支援BLE和Wi-Fi Direct。
無線通訊標準 Google Android Apple iOS
傳統藍牙 所有版本 所有版本
藍牙低功耗 4.3+版本 4S+版本
Wi-Fi 所有版本 所有版本
Wi-Fi Direct 4.0+版本 5S+版本
表3 智慧型手機相容性比較

安全性

這四種無線通訊技術都提供高安全性,然而Wi-Fi和Wi-Fi Direct採用256位元加密,而傳統藍牙和BLE僅使用128位元加密。
對多數應用而言,藍牙提供了充分的安全性防護,但如果安全性對你的產品而言是非常重要的規格,則Wi-Fi或Wi-Fi Direct是更好的選擇。

開發成本和複雜度

無線通訊功能需要兩個硬體功能:RF收發器(同時有發射和接收的功能),和執行無線通訊協定韌體的微控制器或微處理器(又稱為堆疊)。
如果你採用整合收發器和微控制器的系統單晶片(SoC)解決方案,事情會簡單很多。
使用單晶片SoC可以把出問題的可能性降到最低,以及納入無線通訊協定堆疊,由此大幅降低開發成本。否則的話,堆疊需要另外購買,讓你花上一大筆錢。每單位的授權費用至少10,000美元。
藍牙低功耗是應用在新產品最容易也最便宜的無線供訊技術,而且所有BLE晶片的選項都是單晶片SoC的解決方案。
提供BLE SoC解決方案的晶片製造商有很多家,像是Cypress、CSR、Nordic、Dialog和德州儀器。幾千件大量購買的BLE晶片每個只要1到2美元。
在多數情況下,最好的做法是採用模組來提供無線功能,如此可以降低FCC認證的成本和開發風險。

單位製造成本

另一個關鍵成本是單位製造成本,這會決定你的利潤。對採用無線模組的初期產品而言,單位成本會相當高,所以初期產品的售出可能會沒有利潤。
規劃新產品時,首要的原則應該是降低開發成本(和風險),而非降低單位製造成本。應該等到吸引了客戶,並準備好進行量產時,再研究降低生產成本。
設計新產品時,要記得每種無線技術都各有優缺點,沒有一種技術是所有應用的萬靈丹。你必須先決定產品規格重要性的順序。為產品選擇無線技術可以很簡單,也可以很複雜,如果產品最重要的規格是傳輸速度,那選擇就很簡單:Wi-Fi或Wi-Fi Direct;如果電池壽命或電池尺寸是最關鍵的規格,答案也很單純:藍牙低功耗;如果首要原則是降低開發和製造成本,那最佳選項依然是BLE。
如果傳輸速度、電池壽命和成本都同等重要,那這個選擇就變得比較複雜了。歡迎來到產品開發的現實世界!
想要深入瞭解開發新電子產品的過程嗎?可以參考電子產品開發終極指南
(譯:屠建明)
原文
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