物聯網技術徹底改變了我們在數位世界中連結和互動的方式！如今，無線協定和通訊標準在物聯網部署的幾乎每個方面都發揮著重要作用，涵蓋智慧城市、連網汽車、環境監測等等。根據 IoT Analytics 的數據，全球連網物聯網設備市場規模可能達到 18.8十億 2024年底，物聯網設備數量將達到13萬台，較2023年成長XNUMX%。同時，隨著連網設備數量的激增，對穩健、可擴展且高效的通訊技術的需求也空前高漲。本文將探討一些廣泛使用的物聯網通訊協定。希望您在做出選擇之前，能夠更深入地了解關鍵的物聯網網路解決方案。
物聯網是指物聯網設備如何相互連接、通訊以及與中央系統如何連接和通訊。這創造了一個由智慧型設備協同工作的自主生態系統。
通常，物聯網生態系統由四個主要層組成：設備、資料、連接技術和使用者。如您所見，這些層構成了物聯網網路的基石，而網路架構則是實現所有元素之間高效通訊的支柱。
物聯網網路需要強大的通訊技術來實現設備之間的無縫連接，這並不奇怪。這些網路協定的作用與語言在人類溝通中的作用相同。基本上，它們是專門為滿足物聯網設備的獨特需求而設計的。在功耗、範圍、頻寬和設備密度方面，都有一些特殊的考量。考慮到這些要求，規劃物聯網專案的一個重要方面是選擇合適的物聯網協定。
在先前的文章中，我們討論了一些網路協定及其適用的應用。這裡，我們列出了一些廣泛使用的短距離和長距離無線技術，供您的物聯網專案參考。
短距離無線通訊技術是指在短距離內實現無線傳輸的技術，其傳輸範圍通常在數十公尺或幾百公尺以內。常見的例子包括 藍牙、WiFi、Zigbee、UWB、NFC和RFID（這裡就不詳細介紹了）。
藍牙是最常見的短距離無線技術之一。從無線耳機到車載系統、智慧手錶和健身追蹤器，藍牙隨處可見。
最新的 藍牙標準 藍牙6.0於2024年9月發布，帶來了藍牙頻道偵測等新功能。然而，目前廣泛使用的標準是藍牙4.0、5.0及更高版本。藍牙5.0的傳輸速度最高可達2Mbit/s，而藍牙4.2的最高傳輸速度為1Mbit/s。
為了解決藍牙在功耗方面的不足，低功耗藍牙（BLE）應運而生。該協議的開發取得了成功，並在全球範圍內廣泛應用。其主要原因之一是，它在顯著降低功耗的同時，仍能保持與現有藍牙裝置的兼容性。
我們需要了解的是，低功耗藍牙 (BLE) 專為物聯網中使用的低功耗設備而設計。它不會取代現有的傳統藍牙。 BLE 使用與藍牙相同的 2.4GHz ISM 頻段。與支援最多 7 個裝置連接到單一主裝置的傳統藍牙不同，BLE 最多可連接 128 個裝置。 BLE 使用 40 個 2MHz 寬的通道，並採用自適應跳頻演算法來優化效能並最大限度地減少干擾。
Wi-Fi 連線佔物聯網連線總數的 31%。本文將討論傳統的 Wi-Fi 無線電技術，以及專為遠距離低功耗物聯網應用而設計的 Wi-Fi HaLow (802.11ah)。
WiFi 6 使用與其他無線協定相同的 2.4GHz 和 5GHz ISM 頻段，而 6E 則增加了對 6GHz 頻段的支援。其覆蓋範圍差異很大，從室內 10 公尺到室外 100 公尺以上，取決於環境因素和傳輸功率。與藍牙的點對點架構不同，WiFi 採用星型網路拓撲結構，裝置透過中央存取點（路由器）連接。
2021年發表的WiFi 6/6E (802.11ax)是目前最受歡迎的標準。在速度方面，它最高可達9.6 Gbps，比最高速度為3.5 Gbps的WiFi 5 (802.11ac)更快。您可能看過一些採用較舊標準的802.11ac/n/g設備。由於WiFi向下相容，這些舊設備仍然可以與新標準的設備一起使用。最新的WiFi標準比舊標準提供更遠的覆蓋範圍。
WiFi HaLow 工作頻率低於 1GHz。它具有更好的穿牆能力和更遠的傳輸距離（最遠可達 1 公里），且功耗更低。然而，與藍牙低功耗 (Bluetooth LE) 相比，這項技術尚未在業界廣泛應用。
需要注意的一點是，WiFi 支援數百個同時連接到單一存取點，但實際限制通常會根據網路配置減少這個數字。
ZigBee 是一種專為個人區域網路 (PLAN) 設計的低成本、低功耗無線通訊標準。它專為工業和家庭自動化應用而開發。 ZigBee 可能不像 WiFi 那樣普及，但它在智慧家庭領域正變得越來越普遍——燈泡、恆溫器和安全感測器等等。
它誕生於2002年，當時ZigBee聯盟（現為連結標準聯盟）成立。現在，飛利浦、德州儀器、三星和亞馬遜等大型組織都在參與ZigBee協議的開發。
說實話，ZigBee 是專為自動化而設計的，具有設備設定和連接簡單、功耗低、電池壽命長以及安全性非常強的特點。
該架構基於 802.15.4 標準構建。 ZigBee 的最大優勢在於它是一種開放協議，單一網路最多可支援 65,000 個節點。 ZigBee 尤其以其網狀網路功能而聞名。
ZigBee 協定定義了網路中三種主要設備類型：
德州儀器和Silicon Labs是ZigBee晶片的主要供應商。
UWB（超寬頻）是一種新興的通訊協定。您可能還沒有在許多設備中看到過它，但它正在迅速普及。從智慧型手機到車鑰匙，從智慧家庭設備到工業環境，我們看到 UWB 在現代技術中日益普及。
與其他無線電技術一樣，UWB 工作在限定的頻譜內，但與窄帶系統不同的是，UWB 的傳輸範圍非常廣，從 3.1 GHz 到 10.6 GHz。它的典型覆蓋範圍為 1-50 米，在設備或錨點之間的視距範圍內工作效果最佳。
與藍牙的 500MHz 或 1MHz 頻道相比，超寬頻 (UWB) 使用的頻道寬度至少為 2MHz。 UWB 也採用超短脈衝傳輸，因此其定位精度高於窄帶系統。
UWB 傳輸的最大功率譜密度為 41.3 dBm/MHz，相當於平均發射功率約 0.5 mW。這有助於最大限度地減少對 WiFi 或藍牙等現有窄帶系統的干擾。低功率也確保了 UWB 的安全性。由於其頻率分佈廣且功率密度低，訊號很難被攔截。
| 科技 | 藍牙（BLE） | 無線網絡 | ZigBee的 | UWB |
| 範圍 | 10-100m | 室內50-100米 | 10-100m | 10m |
| 數據速率 | 1-2 Mbps的 | 高達 1 Gbps+ | 250 Kbps的 | 截至27 Mbps的 |
| 電源消耗功率 | 非常低 | 高 | 非常低 | 低 |
| 頻帶 | 2.4 GHz
| 2.4 GHz，5 GHz | 2.4 GHz | 3.1-10.6 GHz / XNUMX-XNUMX GHz |
| 優點 | – 低功耗 – 得到廣泛支持 – 易於實施 - 低成本 | – 高數據速率 – 通用相容性 – 強大的安全選項 | – 低功耗 – 大型網路支持 – 自修復網格 | – 精確定位 – 高安全性 – 不受干擾 |
| 缺點 | – 範圍有限 – 節點有限 – 潛在幹擾 | – 高功耗 – 電池壽命有限 – 網路壅塞 | – 低數據速率 – 短距離 – 實施複雜 | – 範圍有限 – 成本較高 – 採用有限 |
| 關鍵應用 | 穿戴式裝置、智慧家庭、室內定位、資產追蹤、興趣點 | 家庭自動化、視訊串流、高頻寬應用 | 家庭自動化、工業控制、感測器網絡 | 室內定位、資產追蹤、安全訪問 |
現在，我們將重點討論遠端無線技術，以及物聯網如何受益於這些協定。這些技術是低功耗廣域網路 (LPWAN) 的基礎，覆蓋範圍從幾公里到數千公里。在這裡，我們將介紹 LoRa、Sigfox 和蜂窩網路。
LoRa 是一種無線協議，可提供遠距離、低功耗和安全的資料傳輸。它基於啁啾擴頻調變技術，這意味著您可以在不消耗過多功率的情況下進行遠距離通訊。它彌合了藍牙和 WiFi 等短距離無線區域網路與蜂窩網路遠距離傳輸之間的差距。
LoRa和LoRaWAN 最初由 Cycleo 開發，後來被 Semtech 收購。如今，它由非營利協會 LoRa 聯盟管理。毫不奇怪，它已經發展成為科技業最大的聯盟之一。 LoRa 聯盟不僅支援 LoRaWAN，還致力於推廣 LoRaWAN 產品和技術的互通性。
LoRa 採用 sub-GHz 射頻頻段（433MHz、868MHz（歐洲）、923MHz（亞洲）、915MHz（北美和澳洲）。這些 ISM 頻段無需授權，可供所有人用於物聯網應用。其覆蓋範圍非常廣，在城市地區可達 2-5 公里，在鄉村地區可達 15 公里甚至更遠。
LoRa 代表實體層協定（位於 OSI 模型的第一層），用於實現遠端通訊。此層指定如何在網路節點之間透過實體資料鏈路傳輸原始位元。 LoRaWAN 是一種運行在 OSI 模型第三層的網路協議，它建立在 LoRa 之上，負責處理終端設備與中央網路伺服器之間的通訊。
為了解決各種用例，LoRaWAN 定義了三種設備類別：A 類設備（功率最低，所有上行鏈路啟動）、B 類設備（預定接收時隙）和 C 類設備（連續監聽）。
Sigfox 是一項開創性的低功耗廣域網路 (LPWAN) 技術，專為需要遠距離通訊和最低功耗的物聯網應用而設計。它採用超窄頻 (UNB) 技術，每個訊息僅佔用 100 Hz 頻寬。
Sigfox 協定運作在免授權 ISM 頻段（歐洲為 868 MHz，北美為 915 MHz），資料速率僅每秒 100 或 600 位元。如此低的傳輸速率加上較窄的頻寬，使其具有出色的靈敏度和極低的功耗。典型的傳輸電流約為 20-30 mA，持續幾秒鐘，從而提供了較長的電池壽命——通常一塊電池就能使用數年。它在農村地區的傳輸距離可達 40 公里，在城市環境中可達 3-10 公里。
Sigfox 是一種非對稱協議，這意味著上行鏈路和下行鏈路功能差異很大。終端設備每天最多可發送 140 則訊息，每個訊息的有效載荷限制為 12 位元組。下行鏈路訊息每天最多可發送 8 個訊息，每個訊息的有效載荷限制為 8 個位元組。
與 LoRaWAN 不同，Sigfox 的設計理念是簡潔，將大部分複雜性轉移到網路側而非終端設備。這種方法可以實現非常簡單且節能的終端設備部署。
蜂窩網路處理著我們大量的通信，是現代世界最基礎的通訊技術之一。從 2G 到最新的 5G，以及 LTE-M 等專注於物聯網的專用技術，蜂窩網路一直在不斷發展。 窄帶物聯網蜂窩網路約佔全球物聯網連接的 20%。
蜂窩網路採用蜂窩架構運行，將地理區域劃分為若干小區。每個小區至少由一個固定位置的收發器（稱為基地台）提供服務。這些小區以蜂窩狀模式協同工作，從而為大範圍區域提供持續覆蓋。
自 1980 年代以來，這項技術取得了長足的進步，當時 1G 網路幾乎無法處理語音通話。如今，我們真正進入了 5G 時代（98.3 年市場規模將達到 2023 億美元），並正在部署 NB-IoT、LTE-M 和 5G，作為更廣泛的蜂窩物聯網生態系統的一部分。蜂窩物聯網的主要優勢之一是能夠利用現有的蜂窩基礎設施，同時針對物聯網的獨特需求進行最佳化。需要注意的是，蜂窩網路並非免費。
| 科技 | LoRa/LoRaWAN | 西格福克斯 | 蜂窩網路 (4G/5G) | 窄帶物聯網 |
| 範圍 | 2-15km | 長達 40 公里 | 數公里 | 1-10km |
| 數據速率 | 0.3 50 Kbps的 | 100個基點 | 高達 1 Gbps+ | 250 Kbps的 |
| 電源消耗功率 | 非常低 | 非常低 | 高 | 低 |
| 頻帶 | 低於GHz | 低於GHz | 授權頻段 | 授權頻段 |
| 優點 | – 長距離 – 出色的電池壽命 – 滲透性好 | – 超長射程 – 功耗極低 – 部署簡單 | – 全民覆蓋 – 高可靠性 – 高數據速率 | – 良好的建築穿透性 – 授權頻譜 – 電池壽命長 |
| 缺點 | – 低數據速率 – 網關依賴 – 區域限制 | – 極低的數據速率 – 需要訂閱 – 每日訊息數量限制 | – 高功耗 –昂貴 – 月費 | – 網路依賴性 – 更高的延遲 – 覆蓋範圍限制 |
| 關鍵應用 | 資產追蹤、停車管理、環境監測、農業感測、智慧計量 | 資產追蹤、環境監測 | 連網汽車、智慧城市、行動應用 | 智能計量、資產追蹤 |
使用物聯網是明智之舉，因為它能夠在各種挑戰性場景中連接和管理設備。尤其是在互聯世界中，物聯網正在蓬勃發展，需要考慮諸如大規模、多樣化的設備類型以及即時操作要求等變數。
在開發物聯網專案時，連接技術是您必須做出的最關鍵決策之一。這項選擇將在一定程度上決定專案的成功、成本和性能。在深入研究特定技術之前，請先問自己以下幾個基本問題：
這些設備將在哪裡使用？它們會在室內還是室外使用？
– 你需要覆蓋多遠？是幾公尺、幾公里，還是介於兩者之間？
– 您將傳輸多少資料？傳輸頻率如何？
- 你的電力預算是多少？你用的是電池還是市電？
– 您的部署位置有哪些網路基礎架構？
– 您的安全要求是什麼？
– 您的硬體和持續連線成本預算是多少？
我們上面介紹的技術並不是連接類型的詳盡列表，但它們應該可以幫助您啟動並運行大多數物聯網專案。
對於短距離無線通訊技術， 無線網絡 它提供高吞吐量的數據傳輸，在家庭和公共場所的無線網路覆蓋中佔據主導地位。由於許多建築物已經覆蓋了WiFi，因此它非常適合智慧家庭、安防攝影機和整合追蹤解決方案等物聯網應用。
在消費領域， 低功耗藍牙 藍牙定位服務展現出明顯的市場主導地位。由於成本優勢，它已成為短距離定位服務的首選方案。市場也反映了這一點——藍牙定位服務設備出貨量已達… 255億美元 2024年。 BLE在智慧家庭領域也發展強勁。隨著其被納入Matter標準，我們將看到更多智慧家居應用的出現。
Zigbee Zigbee是智慧家庭領域另一個不容忽視的關鍵參與者。目前它廣泛應用於工業自動化和智慧家庭領域。 Zigbee的網狀網路可以擴展連接距離並支援更多網路節點。
UWB 這項技術的普及程度不如前三項技術。它的主要優勢在於公分級的定位精度。然而，它的部署成本相對較高。因此，它更適合需要精確位置追蹤的特定應用場景。
對於遠距離無線物聯網技術， LoRa和LoRaWAN LoRaWAN 在許多物聯網部署中處於領先地位。它們以極低的功耗提供出色的覆蓋範圍。當您的裝置需要長時間依靠電池供電運行，並且能夠容忍一定的資料傳輸延遲時，LoRaWAN 是理想之選。該技術廣泛應用於動物追蹤、車輛追蹤、停車管理、環境監測、農業感測和公用事業計量等領域。
西格福克斯 與 LoRaWAN 相比，Sigfox 的設計更加精簡。它的設計旨在降低設備成本和複雜性，但這同時也意味著資料速率的降低。雖然 Sigfox 和 LoRaWAN 有時可以實現類似的功能，但如果您需要專用網路或雙向通信，則應該選擇 LoRaWAN。
NB-IoT和LTE-M 這些技術的一大優勢在於可以利用現有的蜂窩網路基礎設施。它們與部分 LoRaWAN 和 Sigfox 應用程式有所重疊，尤其是在跨地域追蹤資產時。物流業尤其青睞基於蜂窩網路的追蹤解決方案。然而，由於需要支付訂閱費用，蜂窩網路方案的成本也更高。
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