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浅谈物联网(IoT)时代的无线通讯技术及通信模型

作者:未知

  摘 要:大型物联平台的出现是现今市场需求的必然结果,智能设备数量和种类持续增长以及芯片厂商不断的技术突破,新的使用领域和互联场景不断出现,物联网已经进入到一个快速增长和爆发的时代。网络通讯作为物联网的基础,IoT项目如何进行通讯技术选型至关重要。本文详述了当下热门IoT通讯技术的特点以及在实现物联网通信模型设计方面的一些思考。
  关键词:物联网(IoT);无线通信技术;选型;通信模型
  1 什么是物联网
  物联网(Internet of Things, IoT)是指嵌入式物理设备,如:汽车、家用电器等,具有计算机化系统,如软件、传感器等,通过智能感知、识别技术与计算等通信感知技术,广泛应用于网络的融合中,也因此被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮。在这项技术中,每一个设备都能自动工作,根据环境变化自动响应,与其他或多个设备交换数据,不需要人为参与。整个系统由无线网络和互联网的完美结合而构建。物联网的主要目的是提高设备的效率和准确性,为人们节省金钱和时间。
  物联网终端包括智能手机、耳机、汽车、灯泡、冰箱、咖啡机、安全系统、警报系统还有许多其他家庭和移动设备。据有关专家估计,到2020年物联网将连接全球超过300亿件物品,全球市值将达到约7.1万亿美元。
  NB-IoT 是当前物联网中一种革新性的技术,是由华为主导,由3GPP定义的基于蜂窝网络的窄带物联网技术。NB-IoT协议栈基于LTE设计,但是根据物联网的需求,去掉了一些不必要的功能,减少了协议栈处理流程的开销。 它支持海量连接、有深度覆盖能力、功耗低,这些与生俱来的优势让它非常适合于传感、计量、监控等物联网应用,适用于智能抄表、智能停车、车辆跟踪、物流监控、智慧农林牧渔业以及智能穿戴、智慧家庭、智慧社区等等领域。这些领域对广覆盖、低功耗、低成本的需求非常明确,目前广泛商用的2G/3G/4G及其他无线技术都无法满足这些挑战。
  2 物联网的通信技术
  “世界上最遥远的距离就是没有网络”,网络通讯是IoT的基础,常见的无线网络通讯技术有:WiFi、NFC、ZigBee、Bluetooth、WWAN(Wireless Wide Area Network,包括GPRS、3G、4G、5G等)、NB-IoT、Sub-1GHz等。它们在组网、功耗、通讯距离、安全性等方面各有差别,因此拥有不同的适用场景。WiFi、Bluetooth、WWAN是现阶段物联网的主力,占所有应用的95%以上。ZigBee主要用在全屋智能领域,NB-IoT是目前较为火热的技术,是华为主推的新一代物联网通信技术,受到市场的青睐。
  通信技术各式各样,那么如何在众多无线通讯技术中找到适合自己的呢?下面根据我的了解到的具体应用场景做一下简单总结,浅显易懂,仅供各位初学者参考一二,不当之处还请多多指点与包涵。
  2.1 WiFi
  Wi-Fi是一種允许电子设备连接到一个无线局域网(WLAN)的技术,通常使用2.4G UHF或5G SHF ISM 射频频段。连接到无线局域网通常是有密码保护的;但也可是开放的,这样就允许任何在WLAN范围内的设备可以连接上。WiFi最大的优点是连接快速、持久、稳定,它是IoT设备端连接的首选方案,唯一需要考虑的是智能设备对WiFi覆盖范围的依赖导致smart devices的活动范围比较小,不适合随时携带和户外场景。使用场景例举:各种智能家电可以通过WiFi被远程控制。
  2.2 Bluetooth
  蓝牙(Bluetooth? ):是一种无线技术标准,可实现固定设备、移动设备和楼宇个人域网之间的短距离数据交换(使用2.4~2.485GHz的ISM波段的UHF无线电波)。
  Bluetooth最大的优点是不依赖于外部网络、便携、低功耗。只要有手机和智能设备,就能保持稳定的连接,走到哪连到哪。所以大部分运动和户外使用的设备都会优先考虑Bluetooth。它的主要不足是:不能直接连接云端,传输速度比较慢,组网能力比较弱。使用场景例举:智能手环,共享单车的智能蓝牙锁,iBeacon定位。
  2.3 WWAN
  WWAN(Wireless Wide Area Network,无线广域网)技术是使得笔记本电脑或者其他的设备装置在蜂窝网络覆盖范围内可以在任何地方连接到互联网。WiFi的不足是智能设备移动范围小,蓝牙的短板是设备不能直连云端和组网能力弱,而WWAN既可以随时移动,也可以随时联网,完美弥补了WiFi和Bluetooth的不足。但实际上它也存在二个短板:一是它在使用的过程中会产生费用,二是网络状况不稳定,常常遇到无网或弱网的环境。使用场景例举:车载智能设备,政府的城市公共自行车。
  3 无线模块类型的选择分析
  前面介绍了主流的三种无线技术,下面是一些特殊场景用到的无线技术类型。
  3.1 ZigBee的使用
  ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议。根据国际标准规定,ZigBee技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。一种低速短距离传输的无线网络协议。ZigBee协议从下到上分别为物理层(PHY)、媒体访问控制层(MAC)、传输层(TL)、网络层(NWK)、应用层(APL)等。其中物理层和媒体访问控制层遵循IEEE 802.15.4标准的规定。
  在全屋智能(精装修智能房屋)的场景中,从交付开始,家中就已存在大量IoT设备,如果使用WiFi方案,每个设备配网会非常麻烦,并且WiFi每次做移动或修改密码,智能设备都要做相应的调整。如果使用蓝牙方案,以目前的BLE 4.2标准来说,蓝牙的组网只能一个Central连接7个外设(部分芯片会有能力扩充,因为比较少见,所以这里忽略),蓝牙组网能力弱,也满足不了需求。所以在全屋智能场景中,经常会使用ZigBee+WiFi的二合一网关。ZigBee和蓝牙一样都是近距离低功耗的通讯技术,但它相比蓝牙最大的优势就是强大的组网能力,ZigBee和WiFi的二合一网关通过ZigBee连接IoT设备,通过WiFi将数据同步到云端。   3.2 Sub-1GHz的使用
  Sub-GHz是(即频率为1GHz以下,27MHz~960MHz)是无线通信的重要领域之一,应用涵盖消费电子、汽车、工业和医疗等。如TV/STB/VCR/DVD/音频设备遥控器、高端无限玩具、车库门遥控开关、照明控制、门遥控开关、无线POS机、无线健康监测器、穿戴式监控设备等,应用非常广泛。
  飞行器常常在没有WiFi,山上等GPRS无信号或弱网的环境中使用,而且通常有较远的飞行距离,这样WiFi、Bluetooth、ZigBee和WWAN这种单一的无线模块不能很好的解决飞行器的通讯需求,所以需要多种无线模块的组合使用。通过Bluetooth让遥控器和手机连接,通过Sub-1GHz处理长距离飞行时飞行器和遥控器的通讯,通过其他波长处理中距离或短距离飞行中的数据通信。这种组合既能满足手机操控,又能在中距离有高质量的图像数据,在远距离还能继续控制。同样功能的设备不一定选相同的通讯模块。
  3.3 Z-Wave的使用
  Z-Wave是由丹麦公司Zensys所主导的无线组网规格,Z-Wave是一种新兴的基于射頻的、低成本、低功耗、高可靠、适于网络的短距离无线通信技术和窄带宽应用场合,有力地推动着低速率无线个人区域网。
  4 总结
  本文浅尝辄止地介绍了IoT方向的一些无线通信技术以及IoT模型选择的思考。而随着IoT的飞速发展,也许几年后就会出现一些杀手级的方案完全改变IoT的现状和格局。而NB-IoT就是针对IoT的使用场景,其最大特色是覆盖面广,价格便宜。NB-IoT现在联盟的力量很强大,大部分芯片商、通讯商、电信运营商都参与其中,积极推进NB-IoT的公共网络建设,就在这一年两内NB-IoT的网络会覆盖国内很多地区,未来潜力非常值得关注。
  参考文献
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