搞硬件的人大概都有過這樣的經(jīng)歷面包板上插了一堆線明明只需要把數(shù)據(jù)從A點送到B點卻要在地板上拉出長長的一串杜邦線稍微一動就松脫最后干脆被線纜絆得沒脾氣。直到你給兩個單片機(jī)都裝上無線模塊數(shù)據(jù)憑空從一端跳到另一端那種魔法成真的感覺會讓很多初學(xué)者瞬間對無線通信上癮。這篇電子世界的奇妙冒險16要聊的正是從紅外到Wi-Fi、藍(lán)牙的無線通信入門。我會從最基礎(chǔ)的無線原理講起再分別拆解紅外、Wi-Fi、藍(lán)牙這三種最常見的方案最后補(bǔ)充一些其他無線技術(shù)和選型思路。無論你是大一剛接觸單片機(jī)還是自己鼓搗小項目的愛好者只要按照這個順序走一遍你就能在動手實驗中搞清楚無線這件事到底是怎么發(fā)生的。1. 先搞清楚一件事無線通信到底是怎么憑空傳數(shù)據(jù)的很多初學(xué)者對無線通信的第一反應(yīng)是這太玄了因為看不見摸不著。但往深了說無線通信的本質(zhì)和有線通信沒有區(qū)別——都是把信息編碼成信號然后讓信號從發(fā)送端到達(dá)接收端。有線靠銅線里的電流光纖靠玻璃里的光無線則靠電磁波在空氣中的傳播。1.1 電磁波和頻率到底意味著什么電磁波是一層層電場和磁場交替變化的波動它在真空中也能傳播。日常說的無線電、紅外、藍(lán)牙、Wi-Fi本質(zhì)上都是電磁波只不過頻率不同。頻率的單位是赫茲Hz表示一秒內(nèi)波重復(fù)了多少次。簡單類比你在水面扔一塊石頭漣漪是一圈圈往外擴(kuò)散的每秒產(chǎn)生多少個波峰就是波動的頻率。電磁波也是一樣Wi-Fi常用的2.4GHz意思是每秒鐘電磁場要變化24億次。頻率越高單個波攜帶的能量越集中理論上同一時間能塞進(jìn)去的數(shù)據(jù)也就越多但同時它的直射性更強(qiáng)、穿墻能力更差。這個頻率越高、數(shù)據(jù)越快但越容易受阻的關(guān)系是理解后面所有無線技術(shù)的關(guān)鍵。1.2 把數(shù)據(jù)裝到電磁波上調(diào)制和解調(diào)電磁波本身只是一段穩(wěn)定的載波要讓它攜帶數(shù)據(jù)就得改變它的某個屬性。改變振幅的叫調(diào)幅改變頻率的叫調(diào)頻改變相位的叫調(diào)相。把數(shù)據(jù)加在載波上的過程叫調(diào)制接收端再把數(shù)據(jù)提取出來叫解調(diào)。紅外遙控用的就是一種調(diào)制方案先把按鍵碼編碼成一段脈沖信號再用38kHz左右的載波背著這段脈沖發(fā)出去。Wi-Fi則復(fù)雜得多除了調(diào)制以外還要考慮多徑干擾、頻帶分配、加密等問題。但不管多復(fù)雜前提都是一樣的發(fā)送方和接收方約定好同一套規(guī)則。所以我在做無線實驗時最常提醒自己的一句話是無線的本質(zhì)不是憑空傳輸而是雙方在同一個頻率和同一個協(xié)議下進(jìn)行的一場默契對話。如果頻率不對或者協(xié)議不一致哪怕信號就在眼前你也收不到一個字。2. 紅外遙控動手成本最低的無線通信入門課如果說Wi-Fi是高速公路那紅外就是鄉(xiāng)間小路——窄但有獨特的存在價值。紅外的波長在電磁波譜里位于可見光和無線電之間物理特性上具有很強(qiáng)的直線傳播傾向無法穿透墻壁但這恰恰是它的優(yōu)勢幾乎不會串到隔壁房間去。2.1 38kHz載波和NEC協(xié)議的套路市面上絕大多數(shù)紅外遙控器都工作在38kHz的載波頻率上。載波的意思是真正傳遞信息的是有無載波的一串時間間隔而不是載波本身。發(fā)送端把按鍵數(shù)據(jù)編碼成高電平持續(xù)多久、低電平持續(xù)多久的組合然后用38kHz的載波把它放大發(fā)出去。接收端只要檢測到特定時長的高/低電平序列就能還原出按鍵碼。最常見的編碼協(xié)議是NEC協(xié)議。它規(guī)定了一段引導(dǎo)碼9ms高電平加4.5ms低電平后面跟著地址碼、地址反碼、按鍵碼和按鍵反碼。反碼是為了校驗——如果某一位反號對不上接收端就知道數(shù)據(jù)被干擾了直接丟棄。這種正碼加反碼的校驗思路在低速無線通信里非常實用也值得你在自己的協(xié)議設(shè)計里借鑒。提示自己做紅外發(fā)射時38kHz載波并不需要特別精確。我實測過用普通定時器產(chǎn)生36kHz到40kHz的信號接收頭都能正常解碼。但注意別偏離太遠(yuǎn)偏離到42kHz以上時靈敏度會明顯下降距離縮短一大截。2.2 用紅外模塊做一個無線按鍵的完整路徑入門實驗可以從一個最簡單的目標(biāo)開始用紅外遙控器控制另一塊板子上的LED。你需要的材料只有三樣紅外接收頭常見的是三腳貼片或直插封裝、一個遙控器家里廢舊的機(jī)頂盒遙控器就行、一塊開發(fā)板。先把接收頭接好通常一腳接地、二腳接電源、三腳接數(shù)據(jù)引腳。然后用一個紅外解碼庫讀取數(shù)據(jù)。你會發(fā)現(xiàn)按下遙控器不同的按鍵串口打印出的十六進(jìn)制碼不同。把其中某個鍵的碼記錄下來寫一段如果收到碼就翻轉(zhuǎn)LED的邏輯實驗就通了。這個實驗最大的價值不是控制一個LED而是讓你體會一次完整的無線數(shù)據(jù)鏈路編碼、調(diào)制、發(fā)射、接收、解調(diào)、校驗、執(zhí)行。后來我做Wi-Fi和藍(lán)牙時發(fā)現(xiàn)雖然協(xié)議復(fù)雜得多但基本的鏈路邏輯并沒有跳出這套框架。2.3 紅外的局限和它的幸存理由紅外的缺點是明擺著的必須對準(zhǔn)、不能穿墻、傳輸距離短。手機(jī)紅外遙控也得把發(fā)射管對著家電才能操作。但正因為這些限制紅外在很多場合仍然好用。比如客廳里所有家電都用紅外遙控各家互不干擾不像Wi-Fi和藍(lán)牙那樣有信道沖突和配對問題。又比如在簡易機(jī)器人里紅外尋跡模塊成本和功耗都很低用電池跑很久都沒問題。如果你想做一個不需要聯(lián)網(wǎng)的、點對點的、低成本的小裝置紅外依然是值得優(yōu)先考慮的選擇。3. Wi-Fi沒那么玄從更換手機(jī)連不上到模塊自己發(fā)包Wi-Fi是很多人第一個聽說過的無線技術(shù)也是做聯(lián)網(wǎng)項目時幾乎繞不開的選擇。它的本質(zhì)是讓設(shè)備接入一個局域網(wǎng)并且通過路由器與互聯(lián)網(wǎng)連通。對電子愛好者來說最有吸引力的不是連手機(jī)而是讓單片機(jī)自己說話、自己上報數(shù)據(jù)。3.1 看懂Wi-Fi的常用概念A(yù)P、STA、SSID、信道接觸Wi-Fi模塊時你會頻繁看到這些縮寫AP接入點也就是發(fā)出Wi-Fi信號的路由器、STA站點也就是連接路由器的設(shè)備、SSIDWi-Fi名稱、信道工作頻段內(nèi)的細(xì)分通道。如果把Wi-Fi比作一個對講機(jī)組網(wǎng)AP是主臺負(fù)責(zé)管理和轉(zhuǎn)發(fā)STA是成員入網(wǎng)前得喊一聲申請加入每個信道相當(dāng)于不同的通話頻道相鄰設(shè)備要盡量避開同一個頻道。常見的Wi-Fi模塊一般支持三種模式Station模式連路由器、AP模式自己發(fā)Wi-Fi信號讓別人連、STAAP共存模式一邊連互聯(lián)網(wǎng)一邊提供局域網(wǎng)接入。實操時我最常用的還是Station模式讓模塊連上家里的路由器再通過MQTT或HTTP把數(shù)據(jù)發(fā)到服務(wù)器。3.2 第一次讓W(xué)i-Fi模塊聯(lián)網(wǎng)最容易踩的三個坑我第一次做Wi-Fi聯(lián)網(wǎng)實驗時用的是某款ESP系列模塊走完固件燒錄后問題一個接一個。第一個坑是供電不足。Wi-Fi發(fā)射的瞬間電流很大模塊在發(fā)包時可能從幾十毫安跳到幾百毫安。如果用USB轉(zhuǎn)串口的小板子直接供電經(jīng)常出現(xiàn)連接正常、一發(fā)送就重啟的現(xiàn)象。解決方法是外接一個足夠穩(wěn)的穩(wěn)壓電源或者在電源旁邊并聯(lián)一顆幾百微法的電容。第二個坑是天線區(qū)域不能蓋銅。有些模塊的天線直接印在PCB上如果安裝時把它壓在金屬外殼下面信號強(qiáng)度會掉得讓你懷疑人生。最好的做法是讓天線懸空朝外至少不要貼上金屬件。第三個坑是串口亂碼。模塊出廠時的波特率可能和資料里寫的不一樣我第一次接通后發(fā)現(xiàn)全是亂碼最后逐檔試才發(fā)現(xiàn)實際波特率是74880。這種預(yù)期和實際不一致的問題在國產(chǎn)模塊上特別常見遇到亂碼先別懷疑硬件壞了把波特率檔位全部試一遍再說。3.3 從連接路由器到設(shè)備自己上報數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)只是第一步真正有用的是讓設(shè)備主動發(fā)數(shù)據(jù)。簡單方案是用HTTP GET請求把傳感器數(shù)值拼在URL里發(fā)給一個服務(wù)器腳本。但更穩(wěn)定的是MQTT協(xié)議它是一種基于發(fā)布/訂閱模式的輕量級消息協(xié)議適合低帶寬設(shè)備。MQTT里的核心概念是主題。一個設(shè)備可以往傳感器/溫度這個主題推送數(shù)據(jù)另一個設(shè)備訂閱這個主題就能收到。這樣的好處是耦合度低——發(fā)數(shù)據(jù)的設(shè)備不用關(guān)心誰在收數(shù)據(jù)。我在做模擬項目X時用一塊Wi-Fi模塊采集溫濕度每10秒通過MQTT上報一次。設(shè)備端邏輯很簡單連Wi-Fi連Broker然后循環(huán)發(fā)布數(shù)據(jù)。但真正折磨人的不是這些代碼而是網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的不穩(wěn)定。家里路由器如果開啟了5GHz和2.4GHz混合模式模塊可能只支持2.4GHz明明手機(jī)連得飛快模塊卻一直在找不到AP的循環(huán)里。手動把路由器設(shè)成雙頻分開問題立即解決。Wi-Fi模塊最大的坑在于你以為連上了就萬事大吉其實設(shè)備會在某個時刻無聲無息地斷開連接。斷線重連機(jī)制必須在做項目時就考慮進(jìn)去否則你的設(shè)備可能在運行十幾個小時后突然變啞巴。4. 藍(lán)牙的真實分工經(jīng)典藍(lán)牙和BLE壓根不是一回事藍(lán)牙這個名字聽起來比Wi-Fi親切但實際使用時的困惑一點不比Wi-Fi少。最大的誤區(qū)是很多人以為藍(lán)牙就是藍(lán)牙拿著只能做低功耗數(shù)據(jù)收發(fā)的BLE模塊去干低延遲音頻傳輸?shù)幕钭詈蟀l(fā)現(xiàn)完全不是那么回事。4.1 經(jīng)典藍(lán)牙和BLE的分工邏輯藍(lán)牙在早期版本里只有一套標(biāo)準(zhǔn)后來為了滿足低功耗應(yīng)用發(fā)展出了兩個分支經(jīng)典藍(lán)牙BR/EDR和低功耗藍(lán)牙BLE。經(jīng)典藍(lán)牙的特點是傳輸速率高、延遲低適合連續(xù)的數(shù)據(jù)流比如藍(lán)牙耳機(jī)、音箱、手柄。它的連接方式是持續(xù)保持鏈路所以功耗高不適合電池供電的小傳感器。BLE的特點是功耗極低設(shè)備可以大部分時間處于休眠狀態(tài)只在需要廣播或接收時醒來一小會兒。但它的數(shù)據(jù)吞吐量比經(jīng)典藍(lán)牙小得多更適合周期性傳輸小量數(shù)據(jù)比如心率計、溫濕度計、防丟器。簡單記法音箱用經(jīng)典藍(lán)牙手表用BLE。4.2 BLE的廣播、掃描和連接三部曲BLE的工作方式非常有趣不是先連接再傳數(shù)據(jù)而是先廣播。設(shè)備進(jìn)入廣播狀態(tài)后會周期性地發(fā)出包含設(shè)備名、服務(wù)UUID等信息的廣播包。手機(jī)或模塊作為掃描端不停監(jiān)聽周圍信道里的廣播包。當(dāng)掃描到目標(biāo)設(shè)備后兩邊才會發(fā)起連接進(jìn)入通信狀態(tài)。所以BLE項目最常見的流程是模塊一上電就廣播手機(jī)App去掃描掃描到后點擊連接連接成功后互相收發(fā)數(shù)據(jù)。這個流程和紅外、Wi-Fi都不一樣——藍(lán)牙設(shè)備要先喊一嗓子讓周圍知道自己存在再和感興趣的一方建立穩(wěn)定連接。我做BLE實驗時最直觀的感受是廣播包的設(shè)計很有講究。廣播包里能塞的數(shù)據(jù)很少通常只有幾十字節(jié)所以設(shè)備名不能太長服務(wù)UUID也要提前規(guī)劃好。如果你拿著手機(jī)廠商提供的調(diào)試App看廣播包就會發(fā)現(xiàn)有個廠商自定義數(shù)據(jù)字段那才是真正放業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的地方。4.3 低功耗要省到什么程度一個實測數(shù)據(jù)很多人聽到低功耗覺得只是比較省電實際測試后往往會驚訝。我用一塊BLE模塊配合普通紐扣電池做過一周測試模塊每秒廣播一次每次喚醒后讀取一個傳感器值并發(fā)出廣播包其余時間全部深度睡眠。一周后測電池電壓幾乎還是滿電。如果把廣播間隔從1秒改成5秒理論續(xù)航能到數(shù)月甚至一年以上。相比之下同樣用Wi-Fi模塊完成類似任務(wù)電池?fù)螏讉€小時就枯竭了。這就是為什么可穿戴設(shè)備和智能家居傳感器更愿意用BLE。注意BLE廣播間隔越長設(shè)備越省電但發(fā)現(xiàn)設(shè)備需要的掃描時間也越長。如果你想做到按下按鈕立刻連接廣播間隔就不要設(shè)得太長。省電和響應(yīng)速度之間永遠(yuǎn)是取舍沒有又省電又秒連的白白便宜。5. 剩下那些無線方案ZigBee、433MHz、LoRa和選型思路紅外、Wi-Fi、藍(lán)牙是三種最常見的入門方案但做項目時你還會遇到一堆其他無線技術(shù)。了解它們各自的位置能幫助你在選型時不至于跑偏。5.1 四種無線技術(shù)放在一張表里看技術(shù)典型頻率傳輸距離數(shù)據(jù)速率功耗適合場景紅外38kHz幾米內(nèi)需對準(zhǔn)幾十kbps極低遙控、近距點對點Wi-Fi2.4/5GHz幾十米穿墻一般高M(jìn)bps級高聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、攝像頭、交互藍(lán)牙/BLE2.4GHz10-30米BLE約1-2Mbps低可穿戴、傳感器ZigBee2.4GHz10-100米250kbps低智能家居組網(wǎng)433MHz433MHz幾百米甚至更遠(yuǎn)低kbps級低遙控開關(guān)、門禁、傳感器LoRa幾百MHz幾公里到十幾公里極低kbps級極低戶外廣域物聯(lián)網(wǎng)看到這張表你會發(fā)現(xiàn)沒有任何一種方案是全能的。Wi-Fi快但耗電LoRa遠(yuǎn)但很慢紅外便宜但有方向性。選型的第一步不是哪個技術(shù)聽起來高級而是我的數(shù)據(jù)到底需要走多遠(yuǎn)、多久、多大。5.2 433MHz和LoRa在什么時候用得上如果你只是做一個遙控開關(guān)比如遠(yuǎn)程開燈、控制水泵433MHz模塊是性價比之王。這種模塊的使用方式接近無線串口一端接發(fā)送腳另一端接接收腳透明傳輸連協(xié)議都不用自己組。缺點是速率極低、抗干擾一般不適合傳圖像或大數(shù)據(jù)。LoRa則完全是為遠(yuǎn)距離、小數(shù)據(jù)、長續(xù)航而生的。它用擴(kuò)頻技術(shù)在低速率下?lián)Q來了驚人的接收靈敏度在開闊地帶做到幾公里很輕松。不過LoRa模塊的價格和復(fù)雜度都更高通常還要配合網(wǎng)關(guān)使用。我見過模擬項目X里的戶外農(nóng)業(yè)監(jiān)測方案就是用LoRa把每個田塊的土壤濕度數(shù)據(jù)集中到網(wǎng)關(guān)再通過Wi-Fi或4G上傳云端。5.3 我的選型心法先定距離和功耗再選技術(shù)每次拿到一個新項目我會先問三個問題數(shù)據(jù)要傳多遠(yuǎn)多久傳一次設(shè)備靠什么供電如果是同一間屋子里遙控設(shè)備紅外或者433MHz就夠。如果要聯(lián)網(wǎng)云端只能選Wi-Fi或用網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)網(wǎng)的其他無線方案。如果用電池且要求一年不換BLE、ZigBee、LoRa才是候選。等把這三個問題想清楚再去比對技術(shù)參數(shù)基本不會犯方向性錯誤。這種先約束再選型的思路比一上來就想玩最新的技術(shù)要靠譜得多。無線通信入門最大的收獲不是把每種協(xié)議都背熟而是學(xué)會根據(jù)實際場景做取舍。6. 做完一輪紅外、Wi-Fi、藍(lán)牙實驗后我想提醒你幾件事文章最后我想把這段時間實驗里最實在的幾個體會寫下來。它們不算高深理論但都是容易讓新手翻車的細(xì)節(jié)。6.1 無線實驗的調(diào)試順序先本地后遠(yuǎn)端先單向后雙向我的紅外實驗第一步其實是直接用開發(fā)板讀遙控器按鍵碼而不是馬上接發(fā)射管。Wi-Fi模塊也先在串口里打印連接狀態(tài)再考慮加傳感器邏輯。無線鏈路一旦出問題排查起來比有線麻煩得多因為你看不見信號去哪兒了。所以調(diào)試時一定要把鏈路是否通和業(yè)務(wù)邏輯對不對分開一層一層驗。具體做法是先用串口或調(diào)試工具確認(rèn)設(shè)備端已經(jīng)收到了數(shù)據(jù)再確認(rèn)設(shè)備端發(fā)出的數(shù)據(jù)能被另一端收到。每一步都打印日志日志內(nèi)容要帶上時間戳和關(guān)鍵變量。無線調(diào)試最忌諱猜一定要用數(shù)據(jù)說話。6.2 安全、功耗和天線位置都是項目級問題不是代碼問題不少初學(xué)者喜歡把無線問題全部歸咎于代碼或模塊壞。但我見過很多案例最終原因其實是天線貼在了金屬外殼上、電池電壓不夠、或者設(shè)備在弱信號區(qū)反復(fù)重連導(dǎo)致功耗飆升。這些問題在實驗室里不常見一旦裝進(jìn)真實外殼、放到真實環(huán)境馬上就暴露出來。所以我建議你在做任何項目前先給無線模塊畫出三件事供電線路的峰值電流余量、天線擺放位置、設(shè)備睡眠時間安排。把這三件事寫進(jìn)需求而不是等出了問題再補(bǔ)會少走很多彎路。6.3 別只學(xué)一種無線技術(shù)比較著學(xué)記得最牢紅外、Wi-Fi、藍(lán)牙這三樣?xùn)|西單獨看各有各的協(xié)議細(xì)節(jié)但放在一起對比著學(xué)會發(fā)現(xiàn)很多規(guī)律是通用的。比如紅外靠電平持續(xù)時間編碼BLE靠廣播包格式組織數(shù)據(jù)Wi-Fi靠幀和握手流程維持連接——本質(zhì)上都是在定義什么樣的波形/字段代表什么含義。我開始時也覺得學(xué)完Wi-Fi再學(xué)藍(lán)牙很累但后來發(fā)現(xiàn)因為有了紅外實驗的底子理解藍(lán)牙的廣播和連接反而快了很多。所以我的建議是入門階段不要貪多就按紅外、Wi-Fi、藍(lán)牙這個順序走一遍把三個實驗都做通之后再看其他無線技術(shù)都會覺得似曾相識。我自己做了一輪下來最大的感受倒不是我會用三種無線模塊了而是我終于理解為什么無線通信講究協(xié)議。那些看似煩瑣的幀格式、校驗碼、握手流程全都是為了保證在充滿噪聲的環(huán)境里雙方依然能準(zhǔn)確傳遞一個比特。把這個道理刻進(jìn)腦子里比背任何協(xié)議表格都值錢。