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    關于物聯網通信,你想知道的都在這里!

    2017/07/07 智聯信通 2307次瀏覽

    ? ? ? ?縱觀整個通訊史,從電話到大哥大到二哥大,再到GSM手機等等,技術界總是這樣:沒有最好的技術,只有更好的技術。這就像人類發展的歷史一樣,我們永遠不知道明天會怎樣。


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    ? ? ? ?技術行業沒有永遠的標準,也沒有完美的標準,當下的一切都是由最終消費者決定,由大家主流的需求和用戶體驗而決定哪一種技術協議會成為當下的主流應用,即所謂的事實標準。

    ? ? ? ?下次再有朋友問智能家居技術標準為啥不能統一、LPWAN技術標準為啥不能統一,你就反問他這世界為啥不能統一呢?哈哈~

    ? ? ? ?言歸正傳,既然我們知道技術界無真正的所謂標準,就讓我們踏實地來研究一下各家各派的武功秘訣,看看是南拳北腿、太極還是跆拳道、空手道比較厲害。


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    ? ? ? ?物聯網通訊方式的發展

    ? ? ? ?最早的物聯網只是簡單把兩個設備用信號線連接在一起,也就是所謂的“物物相連”,多采用有線方式。

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    后來使用了無線,也出現了簡單的組網。


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    ? ? ? ?在互聯網+時代,越來越多的傳感器、設備接入互聯網,互聯網也不單是通過網線傳輸,引入了空中網、衛星網等,應用的領域也越來越廣泛。


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    ? ? ? ?隨著時代進步和發展,社會逐步進入互聯網+,各類傳感器采集數據越來越豐富,大數據應用隨之而來,人們考慮把各類設備直接納入互聯網以方便數據采集、管理以及分析計算。

    ? ? ? ?簡而言之,物聯網智能化已經不再局限于小型設備、小網絡階段,而是進入到完整的智能工業化領域,智能物聯網化在大數據、云計算、虛擬現實上步入成熟,并納入互聯網+整個大生態環境。

    常見的物聯網通信方式

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    ? ? ? ?對常用的物聯網通信方式進行歸納總結,可分為四大種類,如圖:


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    ? ? ? ?這四種網絡形式對物聯網來說都有些局限性。

    ? ? ? ?1)有線傳輸:需要數據線路,使用不方便。

    ? ? ? ?2)近距離無線傳輸網: 有距離限制,無法遠距離通信。

    ? ? ? ?3)傳統互聯網:需要接入主干網絡,設備之間不能直接通信。

    ? ? ? ?4)移動空中網:需要接入主干網絡,設備之間不能直接通信,并且流量發生費用。

    ? ? ? ?最理想的物聯網通訊形式是:物與物之間直連,拋除主干網絡,直接的遠距離無線傳輸。類似于無線電,在設備上安裝收發裝置,保證各設備的直接通信。不過這只是一個理想。

    ? ? ? ?有線傳輸

    ? ? ? ?設備之間用物理線直接相連,方式有電線載波或載頻、同軸線、開關量信號線、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,是電腦與其它設備傳送信息的一種標準接口,因此一般用于20m以內的通信,常用的串口線一般只有1~2米。


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    ??RS232串口


    ? ? ? ?RS-485總線:在要求通信距離為幾十米到上千米時或者有多設備聯網需求時,RS232無法滿足,因此誕生了RS-485 串行總線標準。


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    RS-485典型接線圖


    ? ? ? ?RS-485采用半雙工工作方式,可以聯網構成分布式系統,用于多點互連時非常方便,可以省掉許多信號線,允許最多并聯32臺驅動器和32臺接收器。?485總線由于其布線簡單,穩定可靠從而廣泛的應用于視頻監控,門禁對講,樓宇報警等領域中。

    ? ? ? ?USB:通用串行總線,是一個外部總線標準,支持設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,獨立供電等優點。


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    ? ? ? ?USB用一個4針(USB3.0標準為9針)插頭作為標準插頭,采用菊花鏈形式可以把所有的外設連接起來,最多可以連接127個外部設備,并且不會損失帶寬。

    ? ? ? ?可連接鍵盤、鼠標、打印機、掃描儀、攝像頭、閃存盤、移動硬盤、ADSL Modem、手機等幾乎所有的外部設備。已成功替代串口和并口,并成為個人電腦、智能設備的必配接口之一。


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    ? ? ? ?有線聯接的優勢主要體現在穩定性、可靠性與傳輸速度上,但由于其采用了實體的聯接方式,便利性與實用性是其致命傷。

    ? ? ? ?隨著無線技術在穩定性、可靠性與速度上的進化,在未來的物聯網應用中,應該說留給有線聯接方式的發展空間已不大,當然也不會消失。

    ? ? ? ?傳統互聯網

    ? ? ? ?互聯網發展到現在,基本上所有的軟件系統都運行在互聯網基礎上,人們從互聯網上獲取各類數據,進行交流溝通、工作,基本上所有人都知道互聯網,這里只做簡單描述。? ?

    ? ? ? ?以太網:是當前應用最普遍的局域網技術。包括標準的以太網、快速以太網和10G以太網。它們都符合IEEE802.3標準,IEEE802.3規定了包括物理層的連線、電信號和介質訪問層協議的內容。


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    ? ? ? ?WIFI:基于IEEE 802.11標準的無線局域網,可以看作是有線局域網的短距離無線延伸。組建WIFI只需要一個無線AP或是無線路由器就可以,成本較低。??

    ? ? ? ?移動空中網

    ? ? ? ?移動無線通信技術發展到現在,移動終端直接接入到互聯網世界,隨著通信資費下降以及3G/4G無線模塊成本下降,由于3G/4G可以很方便直接與互聯網通信,越來越多的設備采用移動網技術。

    ? ? ? ?3G/4G:?第三和第四代移動通信技術,而4G是集3G與WLAN于一體,能夠快速高質量地傳輸數據、圖像、音頻、視頻等。4G可以在有線網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于無線服務的要求,具有不可比擬的優越性。


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    ? ? ? ?5G目前還處于技術標準的研究階段,今后幾年4G還將保持主導地位、實現持續高速發展。預計要到2020年才能正式商用。

    ? ? ? ?NB-IoT、eMTC等專門針對物聯網的應用場景開發的LPWAN技術就不再累贅了。

    ? ? ? ?近距離無線傳輸

    ? ? ? ?設備之間用無線信號傳輸信息。主要有無線RF、藍牙、Zigbee、Z-ware、IPv6/6Lowpan。

    ? ? ? ?RF(射頻):它包括315M/433M等,是非常成熟的一種近距離、復雜程度低、功耗低、數據傳輸速率低、成本低的無線通訊技術。

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    ? ? ? ?這些無線射頻技術被廣泛運用在遙控與門鈴,我們日常生活中所接觸到的搖控器除了紅外的就是射頻的了,另外在電機控制領域應用也非常廣。不過由于它是點對點的,組網不太靈活,另外它的傳輸速度相對比較慢也是其一個很大的缺點。

    ? ? ? ?藍牙(Bluetooth)

    ? ? ? ?藍牙技術最初由愛立信于1994年創制,當時是作為RS232數據線的替代方案。

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    ? ? ? ?使用2.4—2.485GHz的ISM波段的UHF無線電波、基于數據包、有著主從架構的一種無線技術標準,由藍牙技術聯盟(SIG)管理,IEEE將藍牙技術列為IEEE 802.15.1,但如今已不再維持該標準。

    ? ? ? ?截止目前為止已經更新了10個版本,我們常用的版本是藍牙4.0-4.2,最新的版本號是藍牙5,各項指標也在不斷演進。


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    ? ? ? ?藍牙技術擁有一套專利網絡,可發放給符合標準的設備。藍牙使用跳頻技術,將傳輸的數據分割成數據包,通過79個指定的藍牙頻道分別傳輸數據包。質量好的無線藍牙耳機電池可以使用時間一般是2-3年,通常是數周。

    ? ? ? ?Zigbee

    ? ? ? ?是基于IEEE802.15.4標準的雙向無線通信技術的局域網通信協議,又稱紫蜂協議,蜜蜂 ?(bee)是靠飛翔和“嗡嗡”(zig)地抖動翅膀的“舞蹈”來與同伴傳遞花粉所在方位信息,依靠這樣的方式構成了群體中的通信網絡。

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    ? ? ? ?Zigbee被正式提出來是在2003年,它的出現是為了彌補藍牙通信協議的高復雜,功耗大,距離近,組網規模太小等缺陷。

    ? ? ? ?可工作在2.4GHz(全球流行)、868MHz(歐洲流行)和915 MHz(美國流行)3個頻段上,分別具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的傳輸速率,單點傳輸距離在10-75m的范圍內。

    ? ? ? ?ZigBee采用自組網的方式進行通信,可從標準的75m距離進行無限擴展。ZigBee 節點非常省電,其電池工作時間可以長達6 個月到2 年左右,在休眠模式下可達10 年。

    ? ? ? ?Z-Wave

    ? ? ? ?是由丹麥公司Zensys所一手主導的短距離無線通信技術,在最初設計時,就定位于智能家居無線控制領域。



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    ? ? ? ?采用小數據格式傳輸,數據傳輸速率高達100kbit / s,信號的有效覆蓋范圍在室內是30m,室外可超過100m,適合于窄寬帶應用場合。它支持全網狀網絡,不需要協調器節點,可以控制多達232個設備。

    ? ? ? ?不過,其芯片制造商只有唯一一個——Sigma Designs,Z-Wave在中國的影響也遠沒有ZigBee大。

    ? ? ? ?IPv6?/ 6Lowpan

    ? ? ? ?基于IPv6的低速無線個域網標準,即IPv6 over IEEE 802.15.4。IEEE 802.15.4標準設計用于開發可以靠電池運行1到5年的緊湊型低功率廉價嵌入式設備(如傳感器)。


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    ? ? ? ?IETF 6LoWPAN技術具有無線低功耗、自組織網絡的特點,其射頻發射功率大約只有同頻帶Wi-Fi的1%。6LoWPAN的出現使各類低功率無線設備能夠加入IP家庭中,與Wi-Fi、以太網以及其他類型的設備并網。

    ? ? ? ?NFC

    ? ? ? ?又稱近距離無線通信,允許設備之間進行短距離(10cm內)非接觸式點對點傳輸交換數據。最初由免接觸式射頻識別(RFID)演變而來,并向下兼容RFID。

    ? ? ? ?這是一種新興的技術,使用了具備NFC技術的設備在彼此靠近的情況下進行數據交換,通過在單一芯片上集成感應式讀卡器、感應式卡片和點對點通信的功能,利用移動終端實現移動支付、電子票務、門禁、移動身份識別、防偽等應用。


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    ? ? ? ?最后上一張表,歸結了各主流無線技術的特點:


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    ? ? ? ?是不是發現問題啦?數據有所出入?如果是,那可以獎勵自己一個雞腿了,這是一張老圖。但重點不在這,技術日新月異,通過上圖我們發現新興技術ZigBee跟Z-Wave都支持自組網。

    網狀網絡

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    ? ? ? ?ZigBee技術的優勢在于具有強大的組網能力,可以形成星型、樹型和網狀網,可以根據實際項目需要來選擇合適的網絡結構。


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    ? ? ? ?Zigbee的三種組網方式

    ? ? ? ?星狀型組網

    ? ? ? ?星型結構就像星星那樣子,是發散的。多個設備與一個主機相連,并且不構成閉合線路。

    ? ? ? ?優點:控制簡單、故障診斷和隔離容易、方便服務。

    ? ? ? ?缺點:中央節點的負擔較重,形成瓶頸、各站點的分布處理能力較低。

    ? ? ? ?總的來說星型拓撲結構相對簡單,便于管理,是目前普遍采用的一種拓撲結構。?


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    樹狀型組網


    ? ? ? ?樹型結構像一棵倒置的樹,頂端是樹根,樹根以下帶分支,每個分支還可再帶子分支。

    ? ? ? ?優點:易于擴充,故障隔離較容易。

    ? ? ? ?缺點:各個節點對根的依賴性太大。

    ? ? ? ?葉節點及其相連的線路外,任一節點或其相連的線路故障都會使系統受到影響。


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    網狀型組網


    ? ? ? ?網狀網絡結構又稱作無規則結點之間的連接,是任意的、沒規律的。

    ? ? ? ?優點:系統可靠性高。

    ? ? ? ?缺點:結構復雜,必須采用路由選擇算法與流量控制算法,

    ? ? ? ?網狀網絡實際上就是多通道通信,具備自組織、自愈功能。一旦某一個節點出現了問題,信息可以自動的沿著其他的節點進行傳輸。

    網狀.gif


    ? ? ? ?就像城市的街道一樣,可能因為車禍,道路維修等,使得某條道路暫時中斷,此時由于我們有多個通道,車輛仍然可以通過其他道路到達目的地。而這一點對實際應用非常重要。

    ? ? ? ?目前使用的遠程拓樸結構均采用了網狀拓樸結構型。Wi-Fi網絡數據是在路由器之間彈跳的,它可以將信號覆蓋到家中的每一個角落。如果規模很大,像智慧城市一樣,就要無數的路由器,顯然這并不實惠。

    ? ? ? ?目前,在國內智能家居領域里,Zigbee、WiFi、藍牙是最流行的三種無線通信技術。其中藍牙一個主設備只能連接7個從設備,明顯不夠用,遭人詬病。WiFi和ZigBee憑借技術優勢喧囂甚上,大有取代藍牙的勢頭。


    三者技術對比圖(舊)


    ? ? ? ?然而事情卻出現了反轉,就在7月19日, 藍牙技術聯盟正式宣布,藍牙技術開始全面支持Mesh網狀網絡。全新的Mesh功能提供“多對多”設備傳輸,并特別提高構建大范圍網絡覆蓋的通信效能。


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    藍牙Mesh工業解決方案


    ? ? ? ?藍牙技術聯盟執行總裁Mark Powell表示:

    ? ? ? ?“Mesh網絡功能的支持,象征著藍牙成員一直以來致力于推進新興市場繁榮發展的悠久傳統。就像當年引入低功耗藍牙技術,為連接設備市場帶來高速增長一樣。

    ? ? ? ?我們相信,藍牙Mesh網狀網絡技術也將扮演新興市場的重要推手,極大程度地幫助樓宇自動化、無線傳感器網絡等市場取得更快速的增長?!?/p>


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    藍牙Mesh樓宇解決方案


    ? ? ? ?結語

    ? ? ? ?現在來看,智能家居三大技術中,風頭最盛的WiFi處境反而變得尷尬起來。Zigbee是因彌補藍牙缺陷而生,而現在藍牙開始自我完善了……

    ? ? ? ?不過回到開頭所說:沒有最好的技術,只有更好的技術。技術永無止境,誰說WiFi、Zigbee等技術就一定止步不前了呢?

    ? ? ? ?(信息來源:微信公眾號“全球物聯網觀察”)

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