物聯(lián)網(wǎng)常見的幾種通信方式

時(shí)間：2021-11-12 14:06:20

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早期的物聯(lián)網(wǎng)是指兩個(gè)或多個(gè)設(shè)備之間在近距離內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸，解決物物相連，早期多采用有線方式，比如RS323、RS485，考慮設(shè)備的位置可隨意移動(dòng)的方便性（有根線太丑了），后期更多的使用無(wú)線方式。
隨著時(shí)代進(jìn)步和發(fā)展，社會(huì)逐步進(jìn)入互聯(lián)網(wǎng) ，各類傳感器采集數(shù)據(jù)越來(lái)越豐富，大數(shù)據(jù)應(yīng)用隨之而來(lái)，人們考慮把各類設(shè)備直接納入互聯(lián)網(wǎng)以方便數(shù)據(jù)采集、管理以及分析計(jì)算。
簡(jiǎn)而言之，物聯(lián)網(wǎng)智能化已經(jīng)不再局限于小型設(shè)備、小網(wǎng)絡(luò)階段，而是進(jìn)入到完整的智能工業(yè)化領(lǐng)域，智能物聯(lián)網(wǎng)化在大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、虛擬現(xiàn)實(shí)上步入成熟，并納入互聯(lián)網(wǎng) 整個(gè)大生態(tài)環(huán)境。
物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展

最早的物聯(lián)網(wǎng)只是簡(jiǎn)單把兩個(gè)設(shè)備用信號(hào)線連接在一起：

后來(lái)使用了無(wú)線，也出現(xiàn)了簡(jiǎn)單的組網(wǎng)：

在互聯(lián)網(wǎng) 時(shí)代，越來(lái)越多的傳感器、設(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng)，互聯(lián)網(wǎng)也不單是通過網(wǎng)線傳輸，引入了空中網(wǎng)、衛(wèi)星網(wǎng)等，應(yīng)用的領(lǐng)域也越來(lái)越廣泛：

常見的物聯(lián)網(wǎng)通信方式

筆者對(duì)常用的物聯(lián)網(wǎng)通信方式進(jìn)行歸納總結(jié)分為四大種類，見下圖：

1.有線傳輸設(shè)備之間用物理線直接相連，不是很方便。主要有電線載波或載頻、同軸線、開關(guān)量信號(hào)線、RS232串口、RS485、USB等。
RS232串口：串行通信接口，全名是“數(shù)據(jù)終端設(shè)備（DTE）和數(shù)據(jù)通訊設(shè)備（DCE）之間串行二進(jìn)制數(shù)據(jù)交換接口技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)”，是電腦與其它設(shè)備傳送信息的一種標(biāo)準(zhǔn)接口；該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定采用一個(gè)25個(gè)腳的 DB25連接器，對(duì)連接器的每個(gè)引腳的信號(hào)內(nèi)容加以規(guī)定，還對(duì)各種信號(hào)的電平加以規(guī)定；RS-232屬單端信號(hào)傳送，存在共地噪聲和不能抑制共模干擾等問題，因此一般用于20m以內(nèi)的通信，常用的串口線一般只有1~2米。見圖：
RS-485總線：在要求通信距離為幾十米到上千米時(shí)或者有多設(shè)備聯(lián)網(wǎng)需求時(shí)，RS232無(wú)法滿足，因此誕生了RS-485 串行總線標(biāo)準(zhǔn)。RS-485采用平衡發(fā)送和差分接收，具有抑制共模干擾的能力,加上總線收發(fā)器具有高靈敏度，能檢測(cè)低至200mV的電壓，使得傳輸信號(hào)能在千米以外得到恢復(fù)，RS-485采用半雙工工作方式，可以聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成分布式系統(tǒng)，用于多點(diǎn)互連時(shí)非常方便，可以省掉許多信號(hào)線，允許最多并聯(lián)32臺(tái)驅(qū)動(dòng)器和32臺(tái)接收器。
USB：通用串行總線，是一個(gè)外部總線標(biāo)準(zhǔn)，支持設(shè)備的即插即用和熱插拔功能,具有傳輸速度快、使用方便、連接靈活，獨(dú)立供電等優(yōu)點(diǎn)。USB用一個(gè)4針（USB3.0標(biāo)準(zhǔn)為9針）插頭作為標(biāo)準(zhǔn)插頭，采用菊花鏈形式可以把所有的外設(shè)連接起來(lái)，最多可以連接127個(gè)外部設(shè)備，并且不會(huì)損失帶寬。可連接鍵盤、鼠標(biāo)、打印機(jī)、掃描儀、攝像頭、充電器、閃存盤、、移動(dòng)硬盤、外置光驅(qū)/軟驅(qū)、USB網(wǎng)卡、ADSL Modem、Cable Modem 、MP3機(jī)、手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)等幾乎所有的外部設(shè)備。已成功替代串口和并口，并成為個(gè)人電腦、智能設(shè)備的必配接口之一。
2、近距離無(wú)線傳輸設(shè)備之間用無(wú)線信號(hào)傳輸信息。主要有無(wú)線RF433/315M、藍(lán)牙、Zigbee、Z-ware、IPv6/6Lowpan。
RF433/315M：無(wú)線收發(fā)模組，采用射頻技術(shù)，工作在ISM頻段（433/315MHz），一般包含發(fā)射器和接收器，頻率穩(wěn)定度高，諧波抑制性好，數(shù)據(jù)傳輸率1K～128Kbps，采用GFSK的調(diào)制方式具有超強(qiáng)的抗干擾能力。應(yīng)用范圍：（1）無(wú)線抄表系統(tǒng) （2）無(wú)線路燈控制系統(tǒng)（3）鐵路通信（4）航模無(wú)線遙控（5）無(wú)線安防報(bào)警（6）家居電器控制（7）工業(yè)無(wú)線數(shù)據(jù)采集（8）無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。低功耗的RF433可在2.1-3.6V電壓范圍內(nèi)工作，在1SEC周期輪詢喚醒省電模式(Polling mode)下，接收僅僅消耗不到20uA，一節(jié)3.6V/3.6A的鋰亞電池可工作10年以上。
藍(lán)牙（Bluetooth）：使用2.4—2.485GHz的ISM波段的UHF無(wú)線電波、基于數(shù)據(jù)包、有著主從架構(gòu)的一種無(wú)線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，可實(shí)現(xiàn)固定設(shè)備、移動(dòng)設(shè)備和樓宇個(gè)人域網(wǎng)之間的短距離數(shù)據(jù)交換。由藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟（SIG）管理，IEEE將藍(lán)牙技術(shù)列為IEEE 802.15.1，但如今已不再維持該標(biāo)準(zhǔn)，藍(lán)牙技術(shù)擁有一套專利網(wǎng)絡(luò)，可發(fā)放給符合標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備。藍(lán)牙使用跳頻技術(shù)，將傳輸?shù)臄?shù)據(jù)分割成數(shù)據(jù)包，通過79個(gè)指定的藍(lán)牙頻道分別傳輸數(shù)據(jù)包。每個(gè)頻道的頻寬為1 MHz。藍(lán)牙4.0使用2 MHz 間距，可容納40個(gè)頻道。質(zhì)量好的無(wú)線藍(lán)牙耳機(jī)電池可以使用時(shí)間一般是2-3年，通常是數(shù)周。
Zigbee：是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低速、短距離、低功耗、雙向無(wú)線通信技術(shù)的局域網(wǎng)通信協(xié)議，又稱紫蜂協(xié)議。特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、自組織（自配置、自修復(fù)、自管理）、低功耗、低數(shù)據(jù)速率。ZigBee協(xié)議從下到上分別為物理層(PHY)、媒體訪問控制層(MAC)、傳輸層(TL)、網(wǎng)絡(luò)層(NWK)、應(yīng)用層(APL)等，其中物理層和媒體訪問控制層遵循IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，主要用于傳感控制應(yīng)用(Sensor and Control)。可工作在2.4GHz(全球流行)、868MHz(歐洲流行)和915 MHz(美國(guó)流行)3個(gè)頻段上,分別具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的傳輸速率，單點(diǎn)傳輸距離在10-75m的范圍內(nèi), ZigBee是可由一個(gè)到65535個(gè)無(wú)線數(shù)傳模塊組成的一個(gè)無(wú)線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，每一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳模塊之間可以相互通信，從標(biāo)準(zhǔn)的75m距離進(jìn)行無(wú)限擴(kuò)展。ZigBee 節(jié)點(diǎn)非常省電，其電池工作時(shí)間可以長(zhǎng)達(dá)6 個(gè)月到2 年左右，在休眠模式下可達(dá)10 年，下圖是Zigbee的組網(wǎng)圖（該圖來(lái)源于網(wǎng)上）：
Z-Wave：是由丹麥公司Zensys所一手主導(dǎo)的基于射頻的、低成本、低功耗、高可靠、適于網(wǎng)絡(luò)的短距離無(wú)線通信技術(shù)，工作頻帶為908.42MHz(美國(guó))~868.42MHz(歐洲)，采用FSK(BFSK/GFSK)調(diào)制方式，數(shù)據(jù)傳輸速率為9.6 kb~ 40kb/s，信號(hào)的有效覆蓋范圍在室內(nèi)是30m，室外可超過100m，適合于窄寬帶應(yīng)用場(chǎng)合。Z-Wave采用了動(dòng)態(tài)路由技術(shù)，每一個(gè)Z-Wave網(wǎng)絡(luò)都擁有自己獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)地址(HomeID);網(wǎng)絡(luò)內(nèi)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的地址(NodeID)，由控制節(jié)點(diǎn)(Controller)分配。每個(gè)網(wǎng)絡(luò)最多容納232個(gè)節(jié)點(diǎn)(Slave)，包括控制節(jié)點(diǎn)在內(nèi)。Zensys提供Windows開發(fā)用的動(dòng)態(tài)庫(kù)(Dynamically Linked Library, DLL)，開發(fā)者該DLL內(nèi)的API函數(shù)來(lái)進(jìn)行PC軟件設(shè)計(jì)。通過Z-Wave技術(shù)構(gòu)建的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，不僅可以通過本網(wǎng)絡(luò)設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)家電的遙控，甚至可以通過Internet網(wǎng)絡(luò)對(duì)Z-Wave網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備進(jìn)行控制。
IPv6/6Lowpan：基于IPv6的低速無(wú)線個(gè)域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，即IPv6 over IEEE 802.15.4。IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)用于開發(fā)可以靠電池運(yùn)行1到5年的緊湊型低功率廉價(jià)嵌入式設(shè)備(如傳感器)。該標(biāo)準(zhǔn)使用工作在2.4GHz頻段的無(wú)線電收發(fā)器傳送信息，使用的頻帶與Wi-Fi相同，但其射頻發(fā)射功率大約只有Wi-Fi的1%。6LoWPAN的出現(xiàn)使各類低功率無(wú)線設(shè)備能夠加入IP家庭中，與Wi-Fi、以太網(wǎng)以及其他類型的設(shè)備并網(wǎng)；IETF 6LoWPAN技術(shù)具有無(wú)線低功耗、自組織網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，是物聯(lián)網(wǎng)感知層、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要技術(shù)，ZigBee新一代智能電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)中SEP2.0已經(jīng)采用6LoWPAN技術(shù)，隨著美國(guó)智能電網(wǎng)的部署，6LoWPAN將成為事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，全面替代ZigBee標(biāo)準(zhǔn)。
LoRa：易于建設(shè)和部署的低功耗廣域物聯(lián)技術(shù)，使用線性調(diào)頻擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)，即保持了像FSK（頻移鍵控）調(diào)制相同的低功耗特性，又明顯地增加了通信距離，同時(shí)提高了網(wǎng)絡(luò)效率并消除了干擾，即不同擴(kuò)頻序列的終端即使使用相同的頻率同時(shí)發(fā)送也不會(huì)相互干擾，因此在此基礎(chǔ)上研發(fā)的集中器/網(wǎng)關(guān)（Concentrator/Gateway）能夠并行接收并處理多個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，大大擴(kuò)展了系統(tǒng)容量。主要在全球免費(fèi)頻段運(yùn)行（即非授權(quán)頻段），包括433、868、915 MHz等。LoRa網(wǎng)絡(luò)主要由終端（內(nèi)置LoRa模塊）、網(wǎng)關(guān)（或稱基站）、服務(wù)器和云四部分組成，應(yīng)用數(shù)據(jù)可雙向傳輸，傳輸距離可達(dá)15到20公里。
3.傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展到現(xiàn)在，基本上所有的軟件系統(tǒng)都運(yùn)行在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上，人們從互聯(lián)網(wǎng)上獲取各類數(shù)據(jù)，進(jìn)行交流溝通、工作，基本上所有人都知道互聯(lián)網(wǎng)，這里只做簡(jiǎn)單描述。
WiFi：基于IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線局域網(wǎng)，可以看作是有線局域網(wǎng)的短距離無(wú)線延伸。組建WIFI只需要一個(gè)無(wú)線AP或是無(wú)線路由器就可以，成本較低。
以太網(wǎng)：包括標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)（10Mbit/s)、快速以太網(wǎng)（100Mbit/s）和10G（10Gbit/s）以太網(wǎng)。它們都符合IEEE802.3，IEEE802.3規(guī)定了包括物理層的連線、電信號(hào)和介質(zhì)訪問層協(xié)議的內(nèi)容。
4、移動(dòng)空中網(wǎng)移動(dòng)無(wú)線通信技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在，移動(dòng)終端直接接入到互聯(lián)網(wǎng)世界，隨著通信資費(fèi)下降以及3G/4G無(wú)線模塊成本下降，由于3G/4G可以很方便直接與互聯(lián)網(wǎng)通信，越來(lái)越多的設(shè)備采用移動(dòng)網(wǎng)技術(shù)。
GPRS（General Packet Radio Service）是通用分組無(wú)線服務(wù)技術(shù)的簡(jiǎn)稱，它是GSM移動(dòng)電話用戶可用的一種移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，屬于第二代移動(dòng)通信中的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，介于2G和3G之間的技術(shù)，也被稱為2.5G，可說(shuō)是GSM的延續(xù)。GPRS以封包（Packet）式來(lái)傳輸，傳輸速率可提升至56~114Kbps。
3G/4G: 第三和第四代移動(dòng)通信技術(shù)，4G是集3G與WLAN于一體，能夠快速高質(zhì)量地傳輸數(shù)據(jù)、圖像、音頻、視頻等。4G可以在有線網(wǎng)沒有覆蓋的地方部署，能夠以100Mbps以上的速度下載，能夠滿足幾乎所有用戶對(duì)于無(wú)線服務(wù)的要求，具有不可比擬的優(yōu)越性。4G移動(dòng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可分為三層：物理網(wǎng)絡(luò)層、中間環(huán)境層、應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)層。
NB-IoT（基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things, NB-IoT））構(gòu)建于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，只消耗大約180KHz的帶寬，可直接部署于GSM網(wǎng)絡(luò)、UMTS網(wǎng)絡(luò)或LTE網(wǎng)絡(luò)，支持低功耗設(shè)備在廣域網(wǎng)的蜂窩數(shù)據(jù)連接，也被叫作低功耗廣域網(wǎng)(LPWA)。NB-IoT支持待機(jī)時(shí)間長(zhǎng)、對(duì)網(wǎng)絡(luò)連接要求較高設(shè)備的高效連接。據(jù)說(shuō)NB-IoT設(shè)備電池壽命可以提高至至少10年，同時(shí)還能提供非常全面的室內(nèi)蜂窩數(shù)據(jù)連接覆蓋。