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      关于物联网通信,你想知道的都在这里!

      2017/07/07 智联信通 1261次浏览

      ? ? ? ?纵观整个通讯史,从电话到大哥大到二哥大,再到GSM手机等等,技术界总是这样:没有最好的技术,只有更好的技术。这就像人类发展的历史一样,我们永远不知道明天会怎样。


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      ? ? ? ?技术行业没有永远的标准,也没有完美的标准,当下的一切都是由最终消费者决定,由大家主流的需求和用户体验而决定哪一种技术协议会成为当下的主流应用,即所谓的事实标准。

      ? ? ? ?下次再有朋友问智能家居技术标准为啥不能统一、LPWAN技术标准为啥不能统一,你就反问他这世界为啥不能统一呢?哈哈~

      ? ? ? ?言归正传,既然我们知道技术界无真正的所谓标准,就让我们踏实地来研究一下各家各派的武功秘诀,看看是南拳北腿、太极还是跆拳道、空手道比较厉害。


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      ? ? ? ?物联网通讯方式的发展

      ? ? ? ?最早的物联网只是简单把两个设备用信号线连接在一起,也就是所谓的“物物相连”,多采用有线方式。

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      后来使用了无线,也出现了简单的组网。


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      ? ? ? ?在互联网+时代,越来越多的传感器、设备接入互联网,互联网也不单是通过网线传输,引入了空中网、卫星网等,应用的领域也越来越广泛。


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      ? ? ? ?随着时代进步和发展,社会逐步进入互联网+,各类传感器采集数据越来越丰富,大数据应用随之而来,人们考虑把各类设备直接纳入互联网以方便数据采集、管理以及分析计算。

      ? ? ? ?简而言之,物联网智能化已经不再局限于小型设备、小网络阶段,而是进入到完整的智能工业化领域,智能物联网化在大数据、云计算、虚拟现实上步入成熟,并纳入互联网+整个大生态环境。

      常见的物联网通信方式

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      ? ? ? ?对常用的物联网通信方式进行归纳总结,可分为四大种类,如图:


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      ? ? ? ?这四种网络形式对物联网来说都有些局限性。

      ? ? ? ?1)有线传输:需要数据线路,使用不方便。

      ? ? ? ?2)近距离无线传输网: 有距离限制,无法远距离通信。

      ? ? ? ?3)传统互联网:需要接入主干网络,设备之间不能直接通信。

      ? ? ? ?4)移动空中网:需要接入主干网络,设备之间不能直接通信,并且流量发生费用。

      ? ? ? ?最理想的物联网通讯形式是:物与物之间直连,抛除主干网络,直接的远距离无线传输。类似于无线电,在设备上安装收发装置,保证各设备的直接通信。不过这只是一个理想。

      ? ? ? ?有线传输

      ? ? ? ?设备之间用物理线直接相连,方式有电线载波或载频、同轴线、开关量信号线、RS232串口、RS485、USB,其中常用的是RS232串口、RS485、USB。

      ? ? ? ?RS232串口:串行通信接口,是电脑与其它设备传送信息的一种标准接口,因此一般用于20m以内的通信,常用的串口线一般只有1~2米。


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      ??RS232串口


      ? ? ? ?RS-485总线:在要求通信距离为几十米到上千米时或者有多设备联网需求时,RS232无法满足,因此诞生了RS-485 串行总线标准。


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      RS-485典型接线图


      ? ? ? ?RS-485采用半双工工作方式,可以联网构成分布式系统,用于多点互连时非常方便,可以省掉许多信号线,允许最多并联32台驱动器和32台接收器。?485总线由于其布线简单,稳定可靠从而广泛的应用于视频监控,门禁对讲,楼宇报警等领域中。

      ? ? ? ?USB:通用串行总线,是一个外部总线标准,支持设备的即插即用和热插拔功能,具有传输速度快、使用方便、连接灵活,独立供电等优点。


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      ? ? ? ?USB用一个4针(USB3.0标准为9针)插头作为标准插头,采用菊花链形式可以把所有的外设连接起来,最多可以连接127个外部设备,并且不会损失带宽。

      ? ? ? ?可连接键盘、鼠标、打印机、扫描仪、摄像头、闪存盘、移动硬盘、ADSL Modem、手机等几乎所有的外部设备。已成功替代串口和并口,并成为个人电脑、智能设备的必配接口之一。


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      ? ? ? ?有线联接的优势主要体现在稳定性、可靠性与传输速度上,但由于其采用了实体的联接方式,便利性与实用性是其致命伤。

      ? ? ? ?随着无线技术在稳定性、可靠性与速度上的进化,在未来的物联网应用中,应该说留给有线联接方式的发展空间已不大,当然也不会消失。

      ? ? ? ?传统互联网

      ? ? ? ?互联网发展到现在,基本上所有的软件系统都运行在互联网基础上,人们从互联网上获取各类数据,进行交流沟通、工作,基本上所有人都知道互联网,这里只做简单描述。? ?

      ? ? ? ?以太网:是当前应用最普遍的局域网技术。包括标准的以太网、快速以太网和10G以太网。它们都符合IEEE802.3标准,IEEE802.3规定了包括物理层的连线、电信号和介质访问层协议的内容。


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      ? ? ? ?WIFI:基于IEEE 802.11标准的无线局域网,可以看作是有线局域网的短距离无线延伸。组建WIFI只需要一个无线AP或是无线路由器就可以,成本较低。??

      ? ? ? ?移动空中网

      ? ? ? ?移动无线通信技术发展到现在,移动终端直接接入到互联网世界,随着通信资费下降以及3G/4G无线模块成本下降,由于3G/4G可以很方便直接与互联网通信,越来越多的设备采用移动网技术。

      ? ? ? ?3G/4G:?第三和第四代移动通信技术,而4G是集3G与WLAN于一体,能够快速高质量地传输数据、图像、音频、视频等。4G可以在有线网没有覆盖的地方部署,能够以100Mbps以上的速度下载,能够满足几乎所有用户对于无线服务的要求,具有不可比拟的优越性。


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      ? ? ? ?5G目前还处于技术标准的研究阶段,今后几年4G还将保持主导地位、实现持续高速发展。预计要到2020年才能正式商用。

      ? ? ? ?NB-IoT、eMTC等专门针对物联网的应用场景开发的LPWAN技术就不再累赘了。

      ? ? ? ?近距离无线传输

      ? ? ? ?设备之间用无线信号传输信息。主要有无线RF、蓝牙、Zigbee、Z-ware、IPv6/6Lowpan。

      ? ? ? ?RF(射频):它包括315M/433M等,是非常成熟的一种近距离、复杂程度低、功耗低、数据传输速率低、成本低的无线通讯技术。

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      ? ? ? ?这些无线射频技术被广泛运用在遥控与门铃,我们日常生活中所接触到的摇控器除了红外的就是射频的了,另外在电机控制领域应用也非常广。不过由于它是点对点的,组网不太灵活,另外它的传输速度相对比较慢也是其一个很大的缺点。

      ? ? ? ?蓝牙(Bluetooth)

      ? ? ? ?蓝牙技术最初由爱立信于1994年创制,当时是作为RS232数据线的替代方案。

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      ? ? ? ?使用2.4—2.485GHz的ISM波段的UHF无线电波、基于数据包、有着主从架构的一种无线技术标准,由蓝牙技术联盟(SIG)管理,IEEE将蓝牙技术列为IEEE 802.15.1,但如今已不再维持该标准。

      ? ? ? ?截止目前为止已经更新了10个版本,我们常用的版本是蓝牙4.0-4.2,最新的版本号是蓝牙5,各项指标也在不断演进。


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      ? ? ? ?蓝牙技术拥有一套专利网络,可发放给符合标准的设备。蓝牙使用跳频技术,将传输的数据分割成数据包,通过79个指定的蓝牙频道分别传输数据包。质量好的无线蓝牙耳机电池可以使用时间一般是2-3年,通常是数周。

      ? ? ? ?Zigbee

      ? ? ? ?是基于IEEE802.15.4标准的双向无线通信技术的局域网通信协议,又称紫蜂协议,蜜蜂 ?(bee)是靠飞翔和“嗡嗡”(zig)地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息,依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。

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      ? ? ? ?Zigbee被正式提出来是在2003年,它的出现是为了弥补蓝牙通信协议的高复杂,功耗大,距离近,组网规模太小等缺陷。

      ? ? ? ?可工作在2.4GHz(全球流行)、868MHz(欧洲流行)和915 MHz(美国流行)3个频段上,分别具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的传输速率,单点传输距离在10-75m的范围内。

      ? ? ? ?ZigBee采用自组网的方式进行通信,可从标准的75m距离进行无限扩展。ZigBee 节点非常省电,其电池工作时间可以长达6 个月到2 年左右,在休眠模式下可达10 年。

      ? ? ? ?Z-Wave

      ? ? ? ?是由丹麦公司Zensys所一手主导的短距离无线通信技术,在最初设计时,就定位于智能家居无线控制领域。



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      ? ? ? ?采用小数据格式传输,数据传输速率高达100kbit / s,信号的有效覆盖范围在室内是30m,室外可超过100m,适合于窄宽带应用场合。它支持全网状网络,不需要协调器节点,可以控制多达232个设备。

      ? ? ? ?不过,其芯片制造商只有唯一一个——Sigma Designs,Z-Wave在中国的影响也远没有ZigBee大。

      ? ? ? ?IPv6?/ 6Lowpan

      ? ? ? ?基于IPv6的低速无线个域网标准,即IPv6 over IEEE 802.15.4。IEEE 802.15.4标准设计用于开发可以靠电池运行1到5年的紧凑型低功率廉价嵌入式设备(如传感器)。


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      ? ? ? ?IETF 6LoWPAN技术具有无线低功耗、自组织网络的特点,其射频发射功率大约只有同频带Wi-Fi的1%。6LoWPAN的出现使各类低功率无线设备能够加入IP家庭中,与Wi-Fi、以太网以及其他类型的设备并网。

      ? ? ? ?NFC

      ? ? ? ?又称近距离无线通信,允许设备之间进行短距离(10cm内)非接触式点对点传输交换数据。最初由免接触式射频识别(RFID)演变而来,并向下兼容RFID。

      ? ? ? ?这是一种新兴的技术,使用了具备NFC技术的设备在彼此靠近的情况下进行数据交换,通过在单一芯片上集成感应式读卡器、感应式卡片和点对点通信的功能,利用移动终端实现移动支付、电子票务、门禁、移动身份识别、防伪等应用。


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      ? ? ? ?最后上一张表,归结了各主流无线技术的特点:


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      ? ? ? ?是不是发现问题啦?数据有所出入?如果是,那可以奖励自己一个鸡腿了,这是一张老图。但重点不在这,技术日新月异,通过上图我们发现新兴技术ZigBee跟Z-Wave都支持自组网。

      网状网络

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      ? ? ? ?ZigBee技术的优势在于具有强大的组网能力,可以形成星型、树型和网状网,可以根据实际项目需要来选择合适的网络结构。


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      ? ? ? ?Zigbee的三种组网方式

      ? ? ? ?星状型组网

      ? ? ? ?星型结构就像星星那样子,是发散的。多个设备与一个主机相连,并且不构成闭合线路。

      ? ? ? ?优点:控制简单、故障诊断和隔离容易、方便服务。

      ? ? ? ?缺点:中央节点的负担较重,形成瓶颈、各站点的分布处理能力较低。

      ? ? ? ?总的来说星型拓扑结构相对简单,便于管理,是目前普遍采用的一种拓扑结构。?


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      树状型组网


      ? ? ? ?树型结构像一棵倒置的树,顶端是树根,树根以下带分支,每个分支还可再带子分支。

      ? ? ? ?优点:易于扩充,故障隔离较容易。

      ? ? ? ?缺点:各个节点对根的依赖性太大。

      ? ? ? ?叶节点及其相连的线路外,任一节点或其相连的线路故障都会使系统受到影响。


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      网状型组网


      ? ? ? ?网状网络结构又称作无规则结点之间的连接,是任意的、没规律的。

      ? ? ? ?优点:系统可靠性高。

      ? ? ? ?缺点:结构复杂,必须采用路由选择算法与流量控制算法,

      ? ? ? ?网状网络实际上就是多通道通信,具备自组织、自愈功能。一旦某一个节点出现了问题,信息可以自动的沿着其他的节点进行传输。

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      ? ? ? ?就像城市的街道一样,可能因为车祸,道路维修等,使得某条道路暂时中断,此时由于我们有多个通道,车辆仍然可以通过其他道路到达目的地。而这一点对实际应用非常重要。

      ? ? ? ?目前使用的远程拓朴结构均采用了网状拓朴结构型。Wi-Fi网络数据是在路由器之间弹跳的,它可以将信号覆盖到家中的每一个角落。如果规模很大,像智慧城市一样,就要无数的路由器,显然这并不实惠。

      ? ? ? ?目前,在国内智能家居领域里,Zigbee、WiFi、蓝牙是最流行的三种无线通信技术。其中蓝牙一个主设备只能连接7个从设备,明显不够用,遭人诟病。WiFi和ZigBee凭借技术优势喧嚣甚上,大有取代蓝牙的势头。


      三者技术对比图(旧)


      ? ? ? ?然而事情却出现了反转,就在7月19日, 蓝牙技术联盟正式宣布,蓝牙技术开始全面支持Mesh网状网络。全新的Mesh功能提供“多对多”设备传输,并特别提高构建大范围网络覆盖的通信效能。


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      蓝牙Mesh工业解决方案


      ? ? ? ?蓝牙技术联盟执行总裁Mark Powell表示:

      ? ? ? ?“Mesh网络功能的支持,象征著蓝牙成员一直以来致力于推进新兴市场繁荣发展的悠久传统。就像当年引入低功耗蓝牙技术,为连接设备市场带来高速增长一样。

      ? ? ? ?我们相信,蓝牙Mesh网状网络技术也将扮演新兴市场的重要推手,极大程度地帮助楼宇自动化、无线传感器网络等市场取得更快速的增长。”


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      蓝牙Mesh楼宇解决方案


      ? ? ? ?结语

      ? ? ? ?现在来看,智能家居三大技术中,风头最盛的WiFi处境反而变得尴尬起来。Zigbee是因弥补蓝牙缺陷而生,而现在蓝牙开始自我完善了……

      ? ? ? ?不过回到开头所说:没有最好的技术,只有更好的技术。技术永无止境,谁说WiFi、Zigbee等技术就一定止步不前了呢?

      ? ? ? ?(信息来源:微信公众号“全球物联网观察”)

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