工業無線通信如何工作？
選擇無線模組解決方案應該很容易。在一個完美的世界中，你只需選擇射程最長的那個。這樣，無論你的設備佈署距離多遠，它們始終能夠通信。但是，這不是那麼簡單。幸運的是，有適合任何用例的解決方案，從長距離無線電通信到短距離或介於兩者之間。
詢問任何物聯網專家哪種無線電模組最好，答案將是「視情況而定」。這是因為每種無線設備類型都有自己的優點和缺點。對一個專案來說，很棒的東西可能對另一個專案來說很糟糕。例如，使用很少電池電量的模組也可能提供低頻寬。對於無線浴室規模來說，這是一個完美的解決方案，但對於從會議室傳輸即時影像串流來說就完全錯了，反之亦然。
對於無線電範圍，同樣的事情也適用。你需要評估應用案例，並了解無線電信號如何根據設備和環境傳播。在本報導中，我們著眼於所有考慮因素，以確定適合你項目的模組範圍和類型的最佳選擇。
影響無線信號範圍的因素
無線網路的範圍定義為，兩個天線之間，可以存在通信的最大距離。但範圍不僅僅是距離。以下是一些重要的注意事項：
● 障礙物、地形和無線電物理因素都會影響範圍。
● 另一個因素是天線設計，需要考慮頻寬和阻抗等因素。
● 噪音是另一個重要因素。就像在擁擠的聚會上，很難聽到某人的聲音一樣，在無線電噪音很大的環境中，也很難分辨出無線電信號。
可能影響網路中設備通信性能的各種注意事項和因素，包括以下 10 個不同的因素。
1.吞吐量
在 IoT 中，你通常需要從遠端位置傳輸少量數據。數據吞吐量對範圍有重大影響。當數據速率增加時，設備之間的有效通信範圍會縮小。這是因為快速數據速率需要更高的信噪比才能成功解調。
如果有人在嘈雜的房間裡說話很快，他們就很難聽懂。如果他們放慢速度，他們就更容易理解。無線電的工作原理類似。許多物聯網設備每天只發送一次感測器值。當該數據以低比特率發送時，可以在更遠的地方檢測到。
2.電源
無線電信號需要大量能量，因為與透過電線傳輸的資訊不同，它們會以加速的方式衰減。當無線電信號從它們的源頭輻射開時，它們像池塘中的漣漪一樣迅速擴散開來。聲音和無線電都根據平方反比定律衰減。距離每增加一倍，就需要四倍的能量，因此與短距離相比，長距離行駛消耗的能量要多得多。
3.噪音
在射頻網路中，資訊是設備之間傳輸的信號。噪聲（Noise）是其他任何東西。信噪比 (S/N) 是一種將信號功率水平，與噪聲功率水平進行比較的指標。這是確定無線電系統範圍的一個重要因素，因為範圍是關於可靠地區分信號和噪聲的，而不是給定無線電信號可以傳播的距離（無限遠）。無線電噪聲是自然環境的一部分，其中包括：
● 宇宙背景輻射和太陽黑子干擾
● 閃電等大氣源
● 電源線、電機、螢光燈、開關、電腦和不相關的無線電通信等人力資源
4.頻率
較低頻率的無線電信號，很容易在物體周圍發生衍射（繞射），並被大氣反射回來，從而增加有效範圍。 然而，較低頻率的帶寬有限，因此吞吐量受到限制。 更高的頻率提供更高的吞吐量，但難以繞過障礙物衍射，並且不會被大氣反射回來，從而限制了它們的範圍。
5.自由空間損失
當無線電信號在太空中傳播時，即使在真空中，它的信號也會隨著能量傳播到越來越廣的區域而減弱。這種傳播遵循平方反比定律，它描述了功率隨距離的指數損失。我們透過減少發射器和接收器之間的距離，來解決給定頻率下的自由空間損失。
6. 衍射
當無線電信號遇到其路徑中的物體時，它會發生散射或衍射，其中一些能量會圍繞物體彎曲，但其餘部分會被引導遠離接收器並因此丟失。鋒利的邊緣比圓形物體的衍射效果更好，圓形物體往往會吸收更多的信號。衍射只是在信號路徑中避開物體的眾多原因之一。
7. 多路徑
在外太空等理想環境中，發射器發送的信號總是直接到達，不會被任何表面或物體反射。在地球上，事情不可避免地變得更加複雜。在視線清晰的情況下，一些信號會直接到達，但其他信號會從附近的物體和地形反彈，從而使信號失真。無線電協議和系統通常設計用於解決一些多徑干擾。將天線放置在高處並遠離障礙物也有幫助。
8.吸收
無線電信號可以在空曠的空間傳播無限遠的距離；然而，當他們遇到物體時，他們的一些能量會被吸收。無線電信號可以穿過牆壁，但在此過程中會衰減。空氣中的濕度可以吸收足夠的無線電能量，來干擾高頻信號。信號路徑中的樹葉，和其他植被會耗散足夠多的信號，從而導致較低頻率出現問題。
9.地形
丘陵或山脈可以吸收、衍射、反射或完全阻擋信號到達目的地。地面本身的構成會對低頻產生影響，與沙漠等乾燥地區相比，信號在湖泊、海洋或沼澤上的傳播效果更好。菲涅爾區是天線之間大致呈足球形的區域，應盡可能遠離地形和障礙物，以優化通信性能。
10. 天線和範圍
天線將電信號轉換為無線電波，在「空中」傳輸資訊。對於接收器，無線電波被轉換回電腦可以理解的電變化。正確使用正確的天線非常重要。糟糕的選擇可能會限制範圍、浪費電池電量，並將原本構思良好的系統變成支持噩夢。有關更多資訊，請參閱我們的指南，天線設計的 10 大考慮因素。
通信範圍的電源和電池壽命注意事項
正如我們所見，範圍和功率在無線通信中交織在一起。今天的許多應用在廣闊的區域佈署了數千個無線設備，因此考慮管理電池的時間和費用非常重要。這是對這些因素的簡要介紹。
電源管理預算
仔細的設備電源管理，可以將電池壽命從幾天延長到幾年。一種節省電力的好方法，是將無線電的範圍與應用要求相搭配。選擇較短距離的協議或手動限制傳輸功率，以有效減少距離將增加電池壽命。
一些協議可以透過自適應數據速率功能，自動限制傳輸功率，該功能動態地將設備限制在最低的可靠傳輸功率。這在設備移動時或無線電環境隨時間變化時（季節性樹葉變化、無線電噪聲環境的日常變化等）特別有用。
睡眠模式
為了節約能源並延長電池壽命，物聯網設備通常會在不需要時使用睡眠模式。休眠無線電模組通常不會接收任何傳輸。但是，許多物聯網用例需要現場設備進行傳輸和接收。
如果網路或協議設計支持，你可以使用儲存轉發方法。在某些協議中，這是由「父」無線電節點啟用的，「父」無線電節點臨時儲存用於睡眠「子」設備的傳輸，直到該子設備醒來並請求它們。在其他協議中，中央網路伺服器充當父級，僅在檢測到遠端設備喚醒時才轉發消息。透過適當的電源管理，電池和太陽能供電系統可以運行多年而無需維護。
Digi 的產品範圍
Digi XBee® 無線電模組有多種系列可供選擇，以搭配物聯網應用和環境的多樣性。通用的物理外形、共享介面和數十年的可靠性使 Digi XBee 平台，成為無線網路領域的領導者，無論你的專案需要在房間內，還是在全球內進行通信。Digi LoRaWAN® 解決方案擴展了 Digi 產品。
讓我們快速瀏覽一下下面的每種模組類型。有關 XBee 生態系統的更多詳細資訊，請參閱我們的 XBee 購買指南。有關 Digi LoRaWAN 的更多資訊，請參閱我們關於 Digi LoRaWAN 設備到雲解決方案的報導。
短距離
短距離無線電將功耗、尺寸、熱量和成本降至最低。它們是住宅能源監控、商業樓宇自動化，或高密度溫室感測的完美解決方案。使用網狀網路時，消息可以在到達目的地的途中在模組之間跳躍，從而創建比任何單個無線電設備的範圍都大得多的網路。憑藉如此多的優勢，它應該是你在評估 IoT 應用解決方案時，首先考慮的類別。
Digi XBee 3（常規電源）- Zigbee、DigiMesh 和 802.15.4
一個微型模組，支持三種不同的無線網路協議，以及 BLE 和板載可程式。它具有 4,000 英尺的視線範圍，是家庭自動化、工業控制和環境感測的絕佳解決方案。短程通信和中等頻寬支持較長的電池壽命。網狀選項使網路比覆蓋大型家庭或小型室外農場的單個節點的範圍更大。
Digi XBee 無線網路
這些 Wi-Fi 嵌入式模組為 Digi XBee 平台，帶來了一種最流行的無線網路技術。憑藉標準 Wi-Fi 範圍（300 英尺）和高吞吐量，它們可以與附近的任何基地台進行互操作。這部分抵消了 Wi-Fi 更耗電協議的額外成本，以及額外的配置複雜性。非常適合將設備添加到現有網路； 只需確保你的供應計劃包含大量資源，用於管理會隨時間變化的多個身份驗證設置。
低功耗藍牙（Digi XBee 3 系列）
除了選擇的任何主要協議之外，每個 Digi XBee 3 模組都整合了 BLE。BLE 在智慧手機上很常見，因此它是配置模組、從電池供電的無線感測器記錄數據，或創建定位信標的簡單方法。BLE 的傳輸距離通常很短（300 英尺或更短），但功耗非常低，因此它是物聯網解決方案的絕佳輔助協議。
中距離
中檔無線電使用更多功率，產生更多熱量並且通常成本更高。它們最適用於更遠的距離或當網狀網路，需要覆蓋更大的區域時。其中許多協議使用亞千兆赫茲頻率，無需許可，但因地區而異，因此你需要更加註意合規性。太陽能場、市政照明控制和遠端設備監控，都是中程模組的重要物聯網應用案例。
Digi XBee 3 PRO（高功率）- Zigbee、DigiMesh 和 802.15.4
Digi 用於無線網路的最小模組的更高功率版本，包括 BLE 和板載可程式。它的現場範圍為 2 英里，是樓宇自動化、工廠範圍控制、智慧城市解決方案和大面積農業感測的理想選擇。它的中程傳輸比常規功率版本使用更多電池，但你可以透過實施多種睡眠選項中的任何一種來解決這種情況。網路可以包括高功率和低功率模組的組合，以優化電池壽命和成本。
Digi XBee-PRO 900HP
900HP 模組提供了很大的範圍（使用高增益天線可達 28 英里）以及網狀選項，可以將分佈在大面積區域的許多合作節點聯網。它的 900 MHz 頻率限制了它在北美和其他少數幾個國家的使用，它的最佳範圍是在非常低的吞吐量下，但只要它的特性符合你的應用需求，它就提供了一個極好的解決方案。
Digi XBee-PRO XSC
這些模組具有與 Digi 的傳統 9XStream 無線電的互操作性。它們在低頻寬下具有很大的範圍（可達 28 英里視距），同時保持標準的 XBee 通孔佔位面積。對於新設計，建議使用 Digi XBee-PRO 900HP，這是一種具有更高吞吐量靈活性的較新型號。
長距離
當你需要覆蓋很遠的距離時，你需要遠端協議。對於物聯網，我們通常仍然需要依靠電池運行，因此通常會降低吞吐量以節省電力，同時保持較長的通信範圍。智慧城市項目、工業園區監控、遠端採礦或鑽探，以及廣域農業系統是此類無線電的典型應用。當要發送的數據很小，但需要傳輸很遠的距離時尤其如此。
Digi XTend 900 兆赫
XTend 提供 XBee 表面貼裝格式和較舊的 9XTend 封裝。兩者都是為與 Digi 的傳統 9XTend 無線電互操作性而設計的。它們的遠距離（40 英里視線）與相當大的電力需求相結合，非常適合採礦和鑽井作業、監控重型機械，或實現睡眠以維護太陽能充電電池的遠端氣象站。
Digi XBee-PRO SX 900/868
這些是 Digi XBee 生態系統的「肌肉模組」，為建構低功耗、關鍵任務無線系統提供出色的可靠性和備份。透過可選的網狀網路，他們可以創建覆蓋極廣區域（可達 65 英里視線）的網路。電力需求更大，吞吐量在更遠的距離上受到限制。但憑藉擴展的範圍、強大的干擾阻隔，以及在本底噪聲下通信的能力，Digi XBee-PRO SX 是一款出色的物聯網解決方案。
Digi LoRaWAN
Digi 產品線的最新成員是 LoRaWAN 模組和閘道器套件的組合。Digi LoRaWAN 解決方案為無線通信的感測器和閘道器端提供專用產品。LoRa 無線調製是一種非視距技術，能夠穿透建築物、植被和/或工業機械等高射頻干擾區域等障礙物。
LoRaWAN 是一項全球標準，主要在 900 MHz、868 MHz 和 400 MHz 下運行（具體取決於國家/地區法規），它使用 LoRa 調製方案的特定配置。LoRaWAN 感測器功耗極低，視線範圍可達 100 公里，支持雙向通信。典型的非視距應用最遠可達 20 公里。閘道器是連接多個設備的高性能供電系統，並透過 Digi X-ON 等雲平台進行管理，以提供巨大的可擴展性。
LoRaWAN 針對小負載，和每個閘道器最多數千個設備進行了優化，並且可配置為低功耗電池操作或低延遲供電操作。LoRaWAN 解決方案非常適合分佈式戶外基礎設施，例如公用事業、農業和工業系統。Digi X-ON 雲不僅管理 LoRaWAN 無線電系統，還為設備和閘道器提供自動配置和佈署功能。
蜂窩 - 混合和擴展範圍
將蜂窩網路的範圍與其他協議進行比較，總是很棘手，因為雖然任何單個單元模組的範圍都非常適中，但全球行動網路覆蓋意味著，幾乎任何地方放置的設備都可以與全球其他設備通信。
新協議更容易延長電池壽命，並改進了透過睡眠模式節省電量的方法。需要行動數據計劃，但這些計劃的成本已大大降低，以滿足物聯網的低頻寬需求。
蜂窩非常適合行動應用，或無法建構自己的無線網路基礎設施的固定位置。無論你是追踪運輸貨櫃、監控自動售貨機，還是在 ATM 中清點貨幣，蜂窩模組都能以極低的預算提供全球覆蓋。
Digi XBee 3 CAT 1
這種經過終端設備認證的 LTE Category 1 模組，提供 5-7 英里的視距範圍、板載可程式、BLE 和熟悉的 Digi XBee 介面，可加快你的專案推向市場的速度。CAT 1 吞吐量對於影像等內容來說是不夠的，但對於需要傳輸大量數據的 IoT 專案來說非常有用。CAT 1 的數據計劃成本低，並且包括 SMS 等技術，提供了很大的開發靈活性。這些模組可選配預激活的 SIM，以幫助以盡可能低的摩擦將設備帶出門。
Digi XBee 3 蜂窩 LTE-M/NB-IoT
與其 CAT 1 同類產品一樣，這款 LTE-M/NB-IoT 模組已透過終端設備認證，提供 5-7 英里範圍、板載可程式、BLE 和熟悉的介面。LTE-M 和 NB-IoT 協議目的均在以低成本支持，需要低功耗的低頻寬物聯網應用。這兩種協議的數據計劃都很便宜，新的蜂窩睡眠選項可以幫助設備電池使用數月或更長時間。預裝 SIM 是可選的，因此物聯網設備可以從工廠直接送到用戶手中，使佈署變得輕而易舉。這是 Digi 物聯網解決方案系列中最具前瞻性的模組之一。
組合解決方案：短距 + 遠距
有時最好的解決方案，是將幾種不同的連接類型結合在一起。例如，在遠距環境感測應用中，使用 Zigbee 或 DigiMesh 短距網路密集覆蓋石油鑽井平台等，相對較小的區域可能效果最佳，然後透過長距離網路，將數據回傳到位於遠處的控制中心。無線電範圍，如 Digi XBee-PRO SX。在可以使用蜂窩網路的不太偏遠的地方，這也可能是一個很好的回程選擇。同一網路還可以實現超短距離 BLE，以允許從本地智慧手機直接配置感測器。將多個協議組合在一起，使每個協議都能做自己最擅長的事情，通常會創建理想的物聯網解決方案。
此圖表概述了協議、數據速率和功耗。
歸納彙整
我們已經介紹了無線通信範圍和影響它的許多因素，說明了為什麼無線電信號能傳輸多遠這個問題的答案是「視情況而定」。環境、建築材料、地形、反射、天氣、天線、傳輸功率、協議、頻率，尤其是信噪比都會發揮作用。那麼我們如何找出最佳解決方案呢？
首先，你必須考慮所有變量，包括：
● 預期用例是室內還是室外？
● 應用是行動的，還是固定的？
● 你需要走多遠的距離？
● 你傳輸的數據的大小和頻率是多少？
● 會有很多無線電噪音嗎？
● 電源將來自鈕扣電池，還是設備可以插入主電源？
● 有多少設備或節點將連接在一起？
● 你期望哪種類型的建築結構或室外地形？
● 設備將佈署在世界哪些地區？
● 系統的成本是多少，並且仍能提供所需的投資回報？
無論你需要什麼無線電範圍，Digi 都可以幫助你走得更遠。有關更多資訊，我們建議查看此 IoT 設備角色概述和我們的架構選擇指南。
需要動手設計支持？Digi 的無線設計專家可以創建客製化設計來解決最棘手的通信問題。
Digi 團隊可以幫助你評估這些因素中的每一個，並選擇完美的解決方案來滿足你的項目要求並涵蓋所需的範圍。聯繫我們以幫助你做出決策。
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