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物联网技术彻底改变了我们在数字世界中连接和互动的方式！如今，无线协议和通信标准在物联网部署的几乎每个方面都发挥着重要作用，涵盖智慧城市、联网汽车、环境监测等等。根据 IoT Analytics 的数据，全球联网物联网设备市场规模可能达到 18.8十亿 到2024年底，物联网设备数量将达到13万台，较2023年增长XNUMX%。与此同时，随着联网设备数量的激增，对稳健、可扩展且高效的通信技术的需求也空前高涨。本文将探讨一些广泛使用的物联网通信协议。希望您在做出选择之前，能够更深入地了解关键的物联网网络解决方案。
什么是 物联网网络是什么？
物联网是指物联网设备如何相互连接、通信以及与中央系统如何连接和通信。这创造了一个由智能设备协同工作的自主生态系统。
通常，物联网生态系统由四个主要层组成：设备、数据、连接技术和用户。正如您所见，这些层构成了物联网网络的基石，而网络架构则是实现所有元素之间高效通信的支柱。
物联网网络需要强大的通信技术来实现设备之间的无缝连接，这不足为奇。这些网络协议的作用与语言在人类交流中的作用相同。基本上，它们是专门为满足物联网设备的独特需求而设计的。在功耗、范围、带宽和设备密度方面，都有一些特殊的考虑因素。考虑到这些要求，规划物联网项目的一个重要方面是选择合适的物联网协议。
在之前的文章中，我们讨论了一些网络协议及其适用的应用。这里，我们列出了一些广泛使用的短距离和长距离无线技术，供您的物联网项目参考。
关键的短距离物联网网络技术
短距离无线通信技术是指在短距离内实现无线传输的技术，其传输范围通常在几十米或几百米以内。常见的例子包括 蓝牙、WiFi、Zigbee、UWB、NFC和RFID（这里就不详细介绍了）。
蓝牙和 BLE
蓝牙是最常见的短距离无线技术之一。从无线耳机到车载系统、智能手表和健身追踪器，蓝牙随处可见。
最新的 蓝牙标准 蓝牙6.0于2024年9月发布，带来了蓝牙信道检测等新功能。然而，目前广泛使用的标准是蓝牙4.0、5.0及更高版本。蓝牙5.0的传输速度最高可达2Mbit/s，而蓝牙4.2的最高传输速度为1Mbit/s。
为了解决蓝牙在功耗方面的不足，低功耗蓝牙（BLE）应运而生。该协议的开发取得了成功，并在全球范围内得到广泛应用。其主要原因之一是，它在显著降低功耗的同时，仍能保持与现有蓝牙设备的兼容性。
我们需要了解的是，低功耗蓝牙 (BLE) 专为物联网中使用的低功耗设备而设计。它不会取代现有的传统蓝牙。BLE 使用与蓝牙相同的 2.4GHz ISM 频段。与支持最多 7 个设备连接到单个主设备的传统蓝牙不同，BLE 最多可连接 128 个设备。BLE 使用 40 个 2MHz 宽的信道，并采用自适应跳频算法来优化性能并最大限度地减少干扰。
WiFi
Wi-Fi 连接占物联网连接总数的 31%。本文将讨论传统的 Wi-Fi 无线电技术，以及专为远距离低功耗物联网应用而设计的 Wi-Fi HaLow (802.11ah)。
WiFi 6 使用与其他无线协议相同的 2.4GHz 和 5GHz ISM 频段，而 6E 则增加了对 6GHz 频段的支持。其覆盖范围差异很大，从室内 10 米到室外 100 米以上，具体取决于环境因素和传输功率。与蓝牙的点对点架构不同，WiFi 采用星型网络拓扑结构，设备通过中央接入点（路由器）连接。
2021年发布的WiFi 6/6E (802.11ax)是目前最流行的标准。在速度方面，它最高可达9.6 Gbps，比最高速度为3.5 Gbps的WiFi 5 (802.11ac)更快。您可能见过一些采用较旧标准的802.11ac/n/g设备。由于WiFi向下兼容，这些旧设备仍然可以与新标准的设备一起使用。最新的WiFi标准比旧标准提供更远的覆盖范围。
WiFi HaLow 工作频率低于 1GHz。它具有更好的穿墙能力和更远的传输距离（最远可达 1 公里），且功耗更低。然而，与蓝牙低功耗 (Bluetooth LE) 相比，这项技术尚未在工业界得到广泛应用。
需要注意的一点是，WiFi 支持数百个同时连接到单个接入点，但实际限制通常会根据网络配置减少这个数字。
ZigBee的
ZigBee 是一种专为个人局域网 (PLAN) 设计的低成本、低功耗无线通信标准。它专为工业和家庭自动化应用而开发。ZigBee 可能不像 WiFi 那样普及，但它在智能家居领域正变得越来越普遍——灯泡、恒温器和安全传感器等等。
它诞生于2002年，当时ZigBee联盟（现为连接标准联盟）成立。现在，飞利浦、德州仪器、三星和亚马逊等大型组织都在参与ZigBee协议的开发。
说实话，ZigBee 是专为自动化而设计的，具有设备设置和连接简单、功耗低、电池寿命长以及安全性非常强的特点。
该架构基于 802.15.4 标准构建。ZigBee 的最大优势在于它是一种开放协议，单个网络最多可支持 65,000 个节点。ZigBee 尤其以其网状网络功能而闻名。
ZigBee 协议定义了网络中三种主要设备类型：
- 协调器（任何 ZigBee 网络中只有一个）
- 路由器（传输数据的中介）
- ZigBee 终端设备（仅与父节点对话，大多处于睡眠模式）
德州仪器和Silicon Labs是ZigBee芯片的主要供应商。
UWB
UWB（超宽带）是一种新兴的通信协议。您可能还没有在很多设备中看到过它，但它正在迅速普及。从智能手机到车钥匙，从智能家居设备到工业环境，我们看到 UWB 在现代技术中日益普及。
与其他无线电技术一样，UWB 工作在限定的频谱内，但与窄带系统不同的是，UWB 的传输范围非常广，从 3.1 GHz 到 10.6 GHz。它的典型覆盖范围为 1-50 米，在设备或锚点之间的视距范围内工作效果最佳。
与蓝牙的 500MHz 或 1MHz 信道相比，超宽带 (UWB) 使用的信道宽度至少为 2MHz。UWB 还采用超短脉冲传输，因此其定位精度高于窄带系统。
UWB 传输的最大功率谱密度为 41.3 dBm/MHz，相当于平均发射功率约 0.5 mW。这有助于最大限度地减少对 WiFi 或蓝牙等现有窄带系统的干扰。低功率也确保了 UWB 的安全性。由于其频率分布广且功率密度低，信号很难被拦截。
短距离物联网网络技术比较
| 技术 | 蓝牙 (BLE) | WiFi | ZigBee的 | UWB |
| 范围 | 10-100米 | 室内50-100米 | 10-100米 | 10 m |
| 数据传输速率 | 1-2 Mbps的 | 高达 1 Gbps+ | 250 Kbps的 | 截至27 Mbps的 |
| 能量消耗 | 非常低 | 高 | 非常低 | 低 |
| 频带 | 2.4 GHz
| 2.4 GHz，5 GHz | 2.4 GHz | 3.1-10.6 GHz |
| 优点 | –低功耗 – 得到广泛支持 – 易于实施 - 低成本 | – 高数据速率 – 通用兼容性 – 强大的安全选项 | –低功耗 – 大型网络支持 – 自修复网格 | – 精确定位 – 高安全性 – 不受干扰 |
| 缺点 | – 范围有限 – 节点有限 – 潜在干扰 | – 高功耗 – 电池寿命有限 – 网络拥塞 | – 低数据速率 – 短距离 – 实施复杂 | – 范围有限 – 成本较高 – 采用有限 |
| 主要应用 | 可穿戴设备、智能家居、室内定位、资产追踪、兴趣点 | 家庭自动化、视频流、高带宽应用 | 家庭自动化、工业控制、传感器网络 | 室内定位、资产追踪、安全访问 |
流行的远程物联网无线技术
现在，我们将重点讨论远程无线技术，以及物联网如何受益于这些协议。这些技术是低功耗广域网 (LPWAN) 的基础，覆盖范围从几公里到数千公里。在这里，我们将介绍 LoRa、Sigfox 和蜂窝网络。
LoRa 和 LoRaWAN
LoRa 是一种无线协议，可提供远距离、低功耗和安全的数据传输。它基于啁啾扩频调制技术，这意味着您可以在不消耗过多功率的情况下进行远距离通信。它弥合了蓝牙和 WiFi 等短距离无线局域网与蜂窝网络远距离传输之间的差距。
LoRa 和 LoRaWAN 最初由 Cycleo 开发，后来被 Semtech 收购。如今，它由非营利性协会 LoRa 联盟管理。毫不奇怪，它已经发展成为科技行业最大的联盟之一。LoRa 联盟不仅支持 LoRaWAN，还致力于推广 LoRaWAN 产品和技术的互操作性。
LoRa 采用 sub-GHz 射频频段（433MHz、868MHz（欧洲）、923MHz（亚洲）、915MHz（北美和澳大利亚）。这些 ISM 频段无需授权，可供所有人用于物联网应用。其覆盖范围非常广，在城市地区可达 2-5 公里，在乡村地区可达 15 公里甚至更远。
LoRa 代表物理层协议（位于 OSI 模型的第一层），用于实现远程通信。该层指定了如何在网络节点之间通过物理数据链路传输原始比特。LoRaWAN 是一种运行在 OSI 模型第三层的网络协议，它建立在 LoRa 之上，负责处理终端设备与中央网络服务器之间的通信。
为了解决各种用例，LoRaWAN 定义了三种设备类别：A 类设备（功率最低，所有上行链路启动）、B 类设备（预定接收时隙）和 C 类设备（连续监听）。
Sigfox
Sigfox 是一项开创性的低功耗广域网 (LPWAN) 技术，专为需要远距离通信和最低功耗的物联网应用而设计。它采用超窄带 (UNB) 技术，每条消息仅占用 100 Hz 带宽。
Sigfox 协议运行在免授权 ISM 频段（欧洲为 868 MHz，北美为 915 MHz），数据速率仅为每秒 100 或 600 比特。如此低的传输速率加上较窄的带宽，使其具有出色的灵敏度和极低的功耗。典型的传输电流约为 20-30 mA，持续几秒钟，从而提供了较长的电池寿命——通常一块电池就能使用数年。它在农村地区的传输距离可达 40 公里，在城市环境中可达 3-10 公里。
Sigfox 是一种非对称协议，这意味着上行链路和下行链路功能差异很大。终端设备每天最多可发送 140 条消息，每条消息的有效载荷限制为 12 字节。下行链路消息每天最多可发送 8 条消息，每条消息的有效载荷限制为 8 字节。
与 LoRaWAN 不同，Sigfox 的设计理念是简洁，将大部分复杂性转移到网络侧而非终端设备。这种方法可以实现非常简单且节能的终端设备部署。
蜂窝网络
蜂窝网络处理着我们大量的通信，是现代世界最基础的通信技术之一。从 2G 到最新的 5G，以及 LTE-M 等专注于物联网的专用技术，蜂窝网络一直在不断发展。 NB-物联网蜂窝网络约占全球物联网连接的 20%。
蜂窝网络采用蜂窝架构运行，将地理区域划分为若干小区。每个小区至少由一个固定位置的收发器（称为基站）提供服务。这些小区以蜂窝状模式协同工作，从而为大范围区域提供持续覆盖。
自 1980 世纪 1 年代以来，这项技术取得了长足的进步，当时 5G 网络几乎无法处理语音通话。如今，我们真正进入了 98.3G 时代（2023 年市场规模将达到 5 亿美元），并正在部署 NB-IoT、LTE-M 和 XNUMXG，作为更广泛的蜂窝物联网生态系统的一部分。蜂窝物联网的主要优势之一是能够利用现有的蜂窝基础设施，同时针对物联网的独特需求进行优化。需要注意的是，蜂窝网络并非免费。
远程物联网网络技术比较
| 技术 | LoRa/LoRaWAN | Sigfox | 蜂窝网络 (4G/5G) | NB-物联网 |
| 范围 | 2-15km | 长达 40 公里 | 几公里 | 1-10km |
| 数据传输速率 | 0.3 50 Kbps的 | 100个基点 | 高达 1 Gbps+ | 250 Kbps的 |
| 能量消耗 | 非常低 | 非常低 | 高 | 低 |
| 频带 | 低于GHz | 低于GHz | 授权频段 | 授权频段 |
| 优点 | - 长距离 – 出色的电池寿命 – 渗透性好 | – 超长距离 – 功耗极低 – 部署简单 | – 全民覆盖 - 高可靠性 – 高数据速率 | – 良好的建筑穿透性 – 授权频谱 – 电池寿命长 |
| 缺点 | – 低数据速率 – 网关依赖 – 区域限制 | – 极低的数据速率 – 需要订阅 – 每日消息数量限制 | – 高功耗 –昂贵 – 月费 | – 网络依赖性 – 更高的延迟 – 覆盖范围限制 |
| 主要应用 | 资产跟踪、停车管理、环境监测、农业传感、智能计量 | 资产追踪、环境监测 | 联网汽车、智慧城市、移动应用 | 智能计量、资产追踪 |
什么是 IoT n网络化 t技术学 适合我吗？
使用物联网是明智之举，因为它能够在各种挑战性场景中连接和管理设备。尤其是在互联世界中，物联网正在蓬勃发展，需要考虑诸如大规模、多样化的设备类型以及实时操作要求等变量。
在开发物联网项目时，连接技术是您必须做出的最关键决策之一。这一选择将在一定程度上决定项目的成功、成本和性能。在深入研究特定技术之前，请先问自己以下几个基本问题：
这些设备将在哪里使用？它们会在室内还是室外使用？
– 你需要覆盖多远？是几米、几公里，还是介于两者之间？
– 您将传输多少数据？传输频率如何？
- 你的电力预算是多少？你用的是电池还是市电？
– 您的部署位置存在哪些网络基础设施？
– 您的安全要求是什么？
– 您的硬件和持续连接成本预算是多少？
我们上面介绍的技术并不是连接类型的详尽列表，但它们应该可以帮助您启动并运行大多数物联网项目。
短-r安格 t技术 p练习
对于短距离无线通信技术， WiFi 它提供高吞吐量的数据传输，在家庭和公共场所的无线网络覆盖中占据主导地位。由于许多建筑物已经覆盖了WiFi，因此它非常适合智能家居、安防摄像头和集成跟踪解决方案等物联网应用。
在消费领域， 蓝牙低功耗 蓝牙定位服务展现出明显的市场主导地位。由于成本优势，它已成为短距离定位服务的首选方案。市场也反映了这一点——蓝牙定位服务设备出货量已达…… 255亿美元 2024年。BLE在智能家居领域也发展强劲。随着其被纳入Matter标准，我们将看到更多智能家居应用的涌现。
Zigbee Zigbee是智能家居领域另一个不容忽视的关键参与者。它目前广泛应用于工业自动化和智能家居领域。Zigbee的网状网络可以扩展连接距离并支持更多网络节点。
UWB 这项技术的普及程度不及前三项技术。它的主要优势在于厘米级的定位精度。然而，它的部署成本相对较高。因此，它更适合需要精确位置跟踪的特定应用场景。
长–r安格 t技术 p练习
对于远距离无线物联网技术， LoRa 和 LoRaWAN LoRaWAN 在许多物联网部署中处于领先地位。它们以极低的功耗提供出色的覆盖范围。当您的设备需要长时间依靠电池供电运行，并且能够容忍一定的数据传输延迟时，LoRaWAN 是理想之选。该技术广泛应用于动物追踪、车辆追踪、停车管理、环境监测、农业传感和公用事业计量等领域。
Sigfox 与 LoRaWAN 相比，Sigfox 的设计更加精简。它的设计旨在降低设备成本和复杂性，但这同时也意味着数据速率的降低。虽然 Sigfox 和 LoRaWAN 有时可以实现类似的功能，但如果您需要专用网络或双向通信，则应该选择 LoRaWAN。
NB-IoT和LTE-M 这些技术的一大优势在于可以利用现有的蜂窝网络基础设施。它们与部分 LoRaWAN 和 Sigfox 应用有所重叠，尤其是在跨地域追踪资产时。物流行业尤其青睐基于蜂窝网络的追踪解决方案。然而，由于需要支付订阅费用，蜂窝网络方案的成本也更高。
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