物联网中常见的通信技术有哪些?

发布时间:2020年09月11日


物联网是继计算机、互联网与移动通信网之后信息技术产业的第三次发展浪潮。通信技术能够使物联网将 感知到的信息在不同的终端之间进行高效传输和交换,实现信息资源的互通和共享,是物联网各种应用功能的 关键支撑。

通信技术有很多,下面选几个在物联网应用比较适合的和大家详细分析其特点和适用场景。

物联网中常见的通信技术有哪些?

LoRa

LoRa是一种远距离的调制技术,由法国的Cycle。公司研发,后来被美国的Semtechf升特)收购。其特点 是具备较长的传输距离,它是基于线性扩频(CSS)的一个变种,具备向前就纠错的(FEC)的能力,同时具 备较高的接收灵敏度和抗噪声能力。在国内LoRa是运行在免费的频段470510MHz之间。

LoRaWAN是基于LoRa的一种通讯协议,相比LoRa它除了包含物理层的定义还包含了数据链路层的定 义,LoRa可以通过扩频因子(SF)调节通讯速率和距离,扩频因子越大传输速率就越小,但传输距离就会越 远。这就好比同样油量的摩托车可以跑得快、跑得远,但是栽重很小,而货车就可以带很多东西,但是跑得就 会比较慢且距离很短。因此在设置扩频因子时就需要个根据数据量和传输距离做取舍。

LoRaWAN的单通道实际速率大约0.3-11kbps,目前国内常用的终端芯片有SX1276SX1278两种, 网关芯片有SX1255SX1301SX1308等型号。其拓扑结构是星型拓扑,即每个网关通过网络将数据传输 到中央服务器,节点会将数据同时发送至多个网关,由中央服务器进行冗余检测和其他的处理。其网关容量主 要取决于数据的并发大小。

LoRaWAN具有A类、B类、C类的通讯模式。

终端双向通讯A类):

节点随时可以发送信息给网关,发送后会打开两个持续时间很短的接收窗口用于接收网关的下行数据,通 过这种方式实现上下行的通讯。这种方式节点会在需要时随时发送信息给网关,并不会与网关沟通确认发送信 息的时机。这种方式其优点是通讯逻辑简单,不会因为与网关确定数据上报时间而增加通讯次数导致电星的消 耗,但这种方式会遇到数据碰撞的问题。此类方式适用于仅做数据上报、不需要精准的执行指令操作、对电量 消耗比较敏感,且能接受一定数量数据丢失的传感器,适用与电池供电设备。

具备特定时间接收窗口的双向通讯B类):

B类方式在A类方式的基础上增加了更多的接收窗口用于接收数据,B类方式会通过接收网关发来的信标来 完成时间同步,基于时钟同步会按照设定在特定的时间开启更多的接收窗口,网关基于开启的窗口时间就可以 主动给节点发送数据了。这种方式适用于除了被动的接收数据下发数据之外还需要在特定的时间下发数据被节

最大接收窗口通讯C类):

C类方式除了在发送数据时,其他时间接收窗口是一直处于开启中。这种方式功耗最大的,不过服务器可 以随时下发数据,数据延退最小。通常这种方式适用于有源设备或随时需要接收数据和指令的执行器。

综合上面的信息可以得知LoRaWAN是一种覆盖范围广(无遮挡十几公里,有遮挡几公里)、功耗低、传输速 率在十几kbps免费可搭建私有网络的通讯技术,结合这些特点我们可以分析出其大多是应用在那些数据星 小、设备所在区域较广、需要搭建私有网络的场景,比如农业监控、环境数据采集、市政设备状态的上报等行 业。

关于功耗

关于影响功耗的因素有很多比如通信类型、扩频因子、数据大小、通信间隔、电池容量、传感器本身耗电 等,之前看了很多文章是说LoRa可以使用XX年,但是丝毫不提以上影响待机时长的参数,对于这种没有参考 意义的数据真是看了不如不看。以下功耗参数是朋友实际项目的数值,虽然缺乏通讯模式、扩频因子、数据间 隔以及传感器本身耗电的因素,但还是具备一些参考意义的。

NB-IOT

NB-IOT是一种低功耗、覆盖广的物联网通信技术,它是构建于现有的蜂窝网络之上,占用200KHZ 段。只要开辟出200KHZ频段即可直接部署在GSM网络、UMTS网络和LET网上。

联通和移动部署在900MHz1800MHz频段,电信部箸在800MHzo传输速率大于160kbps,小于 250kbps,采用双半工模式。覆盖范围与LoRa基本无异郊区可达到十几公里,市区可达几公里,

其低功耗方面主要在通讯协议上做了优化,较少不必要的通讯数据,同时采用休眠机制节省电星消耗。 NB-IOT属于授权频段无法搭建私有网络,因此我也没有太细致的去了解其功耗和实际通讯速率。

由于NB-IOT可部箸在现有的蜂窝网络上,所以目前一二线城市基本全部覆盖。NB-IOT的比较适用于数 据量小、要求低功耗、设备区域较广、设备移动性强的场景,OFO就使用NB-IOT通讯,正好満足其数据量 小、低功耗、设备区域光数星多、且不断移动位置的需求。

ZETA

ZETA是上海纵行推岀的非授权频段的LPWAN (低功耗广域网)标准。该标准是使用UNB (超窄带)的 多信道通信,在传统LPWAN的穿透性能基础上,进一步通过分布式接入机制实现快速部署。网上相关ZETA 的资料比较少,我是去拜访过一次,了解到其特点是2KHz超低频段(如果我没记错的话),除了低功耗之外 在通讯协议上有点类似LoRaZigBee的结合,可以实现多跳自组网,以及分配确认通讯时间等机制,中继设 备可以通过电池供电实现超过1年的工作时间。

ZigBee

以上说的广域网的物联网通讯技术,下面我们就看看局域网的通讯技术。

像是WIFI蓝牙都是常见的局域网通讯技术也都有在物联网方面的应用,由于这两中技术比较常见我们就 不多说了,主要看看Zigbee在物联网通讯方案的应用和特点。

ZigBee是基于IEEE802.15.4协议的低功耗短距离的无线通信技术,它主要运行在2.4GHz. 868MHz 915MHZ3个频段上,分别通讯速率是250kb/s20kb/s40kb/s其接入设备量理论可以达到6万多个设 备(实际接入设备了受通讯速率的限制,无法达到理论接入星)常规通讯范围约20米。作为物联网通讯技术 其同样具备低功耗特点,在低耗电待机模式下,两节普通5号干电池5000~6000mah)可使用6个月以上 (仅做参考此参数未获取各种影响功耗的详细条件)。

ZigBee因为是使用的免费授权频段,所以是可以搭建私有网络的。同时它还支持多跳通讯,也就是一个 设备即可接收数据也可以转发数据,这样就可以通过多跳的方式利用中继设备将数据转发到可以上云的网关。 在信号较弱的地方可通过增加中继设备来提高覆盖面积和信号强度,而不需要增加可以将数据上云的网关。

除上述特点为ZigBee还具备双向确认的特点,也就受控设备接收到指令后会反馈执行结果给控制设备 (类似MQTT协议),同样控制设备发出指令后也会监控是否收到反馈信号,如果没有收到则意味着数据发生 碰撞,控制设备会重新发送指令以达到指令的绝对执行。针对控制类设备这点是十分友好。

之前听说在小米有一个说法是“有源设备用WIFI,无源设备用蓝牙”,不过现在小米和云丁也都使用起来了 ZigBee.我想也正是因为ZigBee功耗低、速率高(相比LoRa),完全可以满足家庭类监控设备和执行设备 的通讯要求,同时还可以通过中继解决多房间的信号盲区以及搭建私有网络的特点小米和云丁才会用它的,尤 其是低功耗可搭建私有网络这个特点,不知道小米会不会在小爱同学上添加ZigBee模块,让其可以实现指令 的本地储存和执行,毕竟网络的异常还是比较常见,如果这些指令可以本地处理和执行那么对于物联网设备的 稳定运行也是十分重要的。

各种通信技术的使用场景

LoRaZETASUB-1Ghz适用于大项目、大区域、设备数量多、数据星不大、设备固定的场景。例 如,楼宇城市的设备状态监控、环境监控、远程控制等,或者农业环境、设备的监控和控制等,以及需要需要 搭建私有网络的应用场景。LoRa在协议、规范、生态都比较成熟,适合大部分企业使用。ZETA还在成长 期,在协议上有一些优势,使用的话整体生态不太丰富成熟方案不太多。SUB-1Ghz需要自己开发通讯协 议,工作星较大,扩展其他品牌的设备比较困难,因此一般公司没有太多精力去造轮子。

NB-loT适用移动性强、设备分散、设备数量大、数据量小、设备独立无需多设备协同的运行场景。例 如,移动物品或车辆的监控和控制、精度不高定位、楼宇城市的设备状态监控、环境监控、远程控制等场景。 NB-IOT三大运营商在一二线城市都已经铺设,生态和方案都比较成熟没有搭建基站的烦恼和费用,不过需要 和手机一样缴纳通讯流量费。

4G适用于大数据量、功耗不敏感、移动性强、使用地区偏远的场景。例如,车辆的通讯定位、铁搭的 监控和控制、无其他物联网通讯覆盖的区域、设备数星少不值得搭建网关的一些场地。

ZigBee蓝牙、WiFi适用于小区域、数据量稍大、设备固定、设备数量少、需要多设备联动运行的场 景。例如,智能家居、独立小商铺等小区域的场所。ZigBee是比较适合上述场景的,其功耗、通讯速率合 适、协议完善稳定,可通过多跳覆盖一个中型场所。蓝牙方案成熟,不过功耗稍微有点高,保持长链接数量太 少。WiFi功耗太大,在无源设备基本无法使用,但通讯速率很高。

不同的场景和需求使用不同的通讯技术,在选型的时候可以先列岀硬性指标,然后再这个范围内做有限的 调研和选择。比如我们在选择时的两个硬性的指标是覆盖范围大、可搭建私有网络。


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