深入探討物聯網網路技術: 關鍵解決方案 2025

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物聯網網路技術徹底改變了我們在數位世界時期的連結和互動方式! 今天, 無線協定和通訊標準在物聯網部署的幾乎各個方面都發揮著巨大作用, 從智慧城市到, 連網車輛, 環境監測等. 根據物聯網分析, 全球連網物聯網設備市場可能達到 18.8 十億 年底單位 2024, 的成長 13% 從 2023. 同時, 隨著連接設備數量的爆炸性增長, 現在比以往任何時候都更需要強大的, 可擴展且高效的通訊技術. 在這篇文章中, 我們檢查了一些廣泛使用的物聯網通訊協議. 我希望您在做出選擇之前對關鍵的物聯網網路解決方案有更深入的了解.

什麼 是物聯網網路

物聯網網路是指物聯網設備如何相互連接和通訊以及與中央系統的連接和通訊. 這創造了一個智慧型設備協同工作的自治生態系統.

通常, 物聯網生態系統由四個主要層組成: 設備, 數據, 連接技術, 和使用者. 正如您所看到的,這些層構成了物聯網網路的構建塊, 網路架構是實現所有元素之間高效能通訊的支柱.

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也就不足為奇了. 這些網路協定與人類溝通中的語言具有相同的用途. 基本上, 它們專為滿足物聯網設備的獨特要求而設計. 功耗方面有特殊考慮, 範圍, 帶寬, 和設備密度. 鑑於這些要求, 規劃物聯網專案的一個主要方面是選擇正確的物聯網協議.

在之前的文章中, 我們討論了一些網路協定及其合適的應用. 這裡, 我們列出了一些廣泛使用的短距離和遠端無線技術,供您的物聯網專案參考.

關鍵的短距離物聯網網路技術

短距離無線通訊技術是指實現短距離無線傳輸的技術. 通常, 其傳輸範圍在數十米或數百米之內. 常見的例子包括 藍牙, 無線上網, 紫蜂, 超寬帶, NFC 和 RFID (這裡不做詳細介紹).

藍牙和低功耗藍牙

藍牙是最常見的短距離無線技術之一. 從無線耳機到汽車系統, 智慧手錶和健身追蹤器, 我們隨處可見藍牙.

最新的 藍牙標準 是藍牙 6.0, 九月發布 2024 並帶來了藍牙通道偵測等新功能. 然而, 目前廣泛使用的標準是藍牙 4.0, 5.0 以上. 藍牙 5.0 提供高達 2Mbit/s 的傳輸速度 4.2 提供高達 1Mbit/s.

解決藍牙功耗的弱點, 低功耗藍牙 (成為) 被介紹. 該協議的開發取得了成功,並在世界各地得到了廣泛採用. 主要原因之一是這保持了與現有藍牙設備的兼容性,同時顯著降低了功耗.

我們需要了解,低功耗藍牙是專為物聯網中使用的低功耗設備而設計的. 它不會接管或取代現有的經典藍牙. BLE 使用與藍牙相同的 2.4GHz ISM 頻段. 與支援高達 7 連接到單一主設備的設備, BLE 允許最多 128 設備. BLE用途 40, 2 MHz 寬通道並利用自適應跳頻演算法來優化效能並最大限度地減少干擾.

無線上網

Wi-Fi 佔 31% 物聯網連接總數. 這裡, 我們將討論傳統的 WiFi 無線電, 以及 WiFi HaLow (802.11啊), 專為遠端低功耗物聯網應用設計.

無線上網 6 使用與其他無線協定相同的 2.4GHz 和 5GHz ISM 頻段, 6E 增加了對 6GHz 頻段的支持. 範圍從室內10m到室外100m以上變化很大, 取決於環境因素和傳輸功率. 與藍牙的點對點架構不同, WiFi遵循星狀網路拓撲, 設備透過中央接入點連接 (路由器).

無線網路6/6E (802.11斧頭) 發佈於 2021 是目前使用的流行標準. 在速度方面, 它可以達到 9.6 Gbps — 比 WiFi 更快 5 (802.11交流電) 最高點為 3.5 Gbps. 您很可能看過採用舊標準 802.11ac/n/g 的設備. 由於 WiFi 的向後相容性, 這些舊設備仍然可以與新標準設備一起使用. 最新的 WiFi 標準提供比舊標準更遠的覆蓋範圍.

WiFi HaLow 運作頻率低於 1GHz. 它提供更好的牆壁穿透力和更遠的射程 (長達1公里) 同時降低功率. 儘管如此, 該技術尚未像我們在藍牙 LE 中看到的那樣在業界得到廣泛接受.

需要注意的一件主要事情是 WiFi 支援到單一存取點的數百個同時連接, 儘管實際限制通常會根據網路配置減少此數量.

蜂巢

ZigBee 是一種低成本, 專為個人區域網路設計的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 可能不會像 WiFi 那樣普遍, 但它在智慧家庭中變得越來越常見——燈泡, 其中包括恆溫器和安全感測器.

它誕生於 2002, 當 ZigBee 聯盟 (現在連接標準聯盟) 已成立. 現在它有像飛利浦這樣的大組織, 德州儀器, 三星, 與 Amazon 共同發展 ZigBee 協議.

說實話, ZigBee 專為自動化而設計, 具有簡單的設備設定和連接性, 低功耗,電池壽命長, 和非常強的安全性.

該架構建立在 802.15.4 標準. ZigBee 最好的部分是它是一個開放協議,最多可以支持 65,000 單一網路中的節點. ZigBee 因其網狀網路功能而特別引人注目.

ZigBee 協定定義了網路中三種關鍵設備類型:

  • 協調員 (任何 ZigBee 網路中只有一個)
  • 路由器 (傳輸資料的中介者)
  • ZigBee 終端設備 (只與父節點對話, 大多處於睡眠模式)

德州儀器 (TI) 和 Silicon Labs 是 ZigBee 晶片的主要供應商.

超寬帶

超寬帶 (超寬帶) 是新興的通訊協定之一. 您可能還沒有在許多設備上看到它, 但它正在迅速獲得採用. 從智慧型手機到汽車鑰匙, 智慧家庭設備到工業環境, 我們看到 UWB 越來越多地出現在現代技術中.

與其他無線電技術一樣, UWB 在定義的頻譜中運行, 但與窄頻系統不同, 它將傳輸傳播到很寬的頻率範圍 3.1 GHz 至 10.6 吉赫茲. 它有一個典型的範圍 1-50 米, 在設備或錨點之間的視線範圍內效果最佳.

與藍牙的 1MHz 或 2MHz 頻道相比,超寬頻使用至少 500MHz 寬的頻道. UWB也採用超短脈衝傳輸, 這使得它比窄帶系統具有更高的定位精度.

UWB 傳輸的最大功率頻譜密度為 41.3 分貝/兆赫. 這大約等於 0.5 平均發射功率 mW. 它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. 低功耗也使 UWB 更加安全. 由於頻率範圍寬且功率密度低,訊號難以攔截.

短距離物聯網網路技術比較

技術 藍牙 (成為) 無線上網 蜂巢 超寬帶
範圍 10-100米 50-100米室內 10-100米 10米
數據速率 1-2 傳輸速率 取決於 1 千兆位元+ 250 Kbps 取決於 27 傳輸速率
能量消耗 非常低 高的 非常低 低的
MKL62是基於smetech射頻芯片SX1262的射頻模塊 2.4 吉赫茲

 

2.4 吉赫茲, 5 吉赫茲 2.4 吉赫茲 3.1-10.6 吉赫茲
優點 – 低功耗

– 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

– 大網路支持

– 自癒網格

– 精準定位

– 高安全性

– 不受干擾

缺點 – 範圍有限

– 有限節點

– 潛在的干擾

– 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 可穿戴設備, 智能家居, 室內定位, 資產追踪, 興趣點 家庭自動化, 視訊串流, 高頻寬應用 家庭自動化, 工控, 傳感器網絡 室內定位, 資產追踪, 安全訪問

流行的遠端物聯網無線技術

我們現在將重點討論遠端無線技術以及物聯網如何因這些協定而受益. 這些技術是 LPWAN 的基礎, 覆蓋距離從幾公里到幾千公里. 這裡, 我們將介紹LoRa, 西格福克斯, 和蜂窩網絡.

LoRa 和 LoRaWAN

LoRa 是一種提供長距離傳輸的無線協議, 低電量, 和安全的資料傳輸. 它基於線性調頻擴頻調製,這意味著您可以在不使用太多功率的情況下進行遠距離通信. 它彌補了藍牙和 WiFi 等短距離無線區域網路之間的差距, 以及更遠的蜂窩網路範圍.

LoRa 和 LoRaWAN 最初由 Cycleo 開發,後來被 Semtech 收購. 今天, 非營利組織 LoRa Alliance 對其進行管理. 毫不奇怪,它已發展成為科技業最大的聯盟之一. LoRa聯盟不僅支援LoRaWAN,還促進LoRaWAN產品和技術的互通性.

LoRa 利用 sub-GHz 射頻頻段 (433兆赫, 868歐洲 MHz, 923亞洲 MHz, 915MHz(北美和澳洲)). 這些 ISM 頻段無需許可,可供我們所有人用於物聯網應用. 它具有令人印象深刻的範圍,從城市地區的 2-5 公里到鄉村地區的 15 公里或更長.

LoRa代表物理層協議 (OSI 模型的第一層) 實現遠端通訊. 此層指定如何透過網路節點之間的實體資料鏈路傳輸原始位元. 羅拉萬, 運行在 OSI 模型第三層的網路協議, 建構在 LoRa 之上,處理終端設備和中央網路伺服器之間的通信.

解決各種用例, LoRaWAN定義了三種設備類別: A類設備 (最低功率, 所有上行鏈路已啟動), B 類設備 (預定的接收時隙), 和 C 類設備 (持續聆聽).

西格福克斯

Sigfox 是一項開創性的 LPWAN 技術,專為需要以最低功耗進行遠端通訊的物聯網應用而設計. 它使用超窄帶 (北卡羅來納大學) 技術, 每個訊息只佔用一個 100 赫茲頻寬.

Sigfox 協議在未經許可的 ISM 頻段運行 (868 歐洲 MHz, 915 北美 MHz) 且提供的數據速率僅為 100 或者 600 每秒位數. 這傳輸速度慢, 與窄頻寬結合, 帶來出色的靈敏度和極低的功耗. 典型傳輸使用大約 20–30 mA 幾秒鐘, 電池壽命長-通常單一電池可持續使用數年. 它可以達到 40 鄉村地區 公里,城市環境 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能力存在顯著差異. 終端設備最多可發送 140 每天訊息數, 每個訊息僅限於 12 有效負載位元組數. 下行訊息僅限於 8 每天的訊息 8 每個位元組.

與 LoRaWAN 不同, Sigfox 的設計考慮到了簡單性, 將大部分複雜性推向網路側而不是終端設備. 這種方法允許非常簡單且節能的終端設備實施.

蜂窩網路

蜂窩網路處理大量的通信, 是現代世界最基本的通訊技術之一. 從2G到最新的5G, 以及專注於物聯網的專業技術,例如 LTE-M 和 窄帶物聯網, 蜂窩網絡組成約 20% 全球物聯網連線數.

蜂窩網路在所謂的蜂窩架構上運行, 其中地理區域被劃分為單元格. 每個都由至少一個稱為基地台的固定位置收發器提供服務. 這些細胞以蜂窩狀模式一起工作,以提供大面積的連續覆蓋.

自 20 世紀 80 年代以來,這項技術已經取得了長足的進步, 當 1G 網路幾乎無法處理語音通話時. 我們真正進入了5G時代 ($98.3 十億 2023) 並正在部署 NB-IoT, LTE-M 和 5G 作為當今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. 重要的, 蜂窩網路不是免費的.

遠端物聯網網路技術比較

技術 LoRa/LoRaWAN 西格福克斯 蜂窩 (4千兆/5G) 窄帶物聯網
範圍 2-15公里 長達 40 公里 幾公里 1-10公里
數據速率 0.3-50 Kbps 100 基點 取決於 1 千兆位元+ 250 Kbps
能量消耗 非常低 非常低 高的 低的
MKL62是基於smetech射頻芯片SX1262的射頻模塊 亞GHz 亞GHz 授權樂隊 授權樂隊
優點 – 長距離

– 出色的電池壽命

– 滲透力好

– 超遠距離

– 功耗極低

– 部署簡單

– 全民覆蓋

– 高可靠性

– 高數據速率

– 良好的建築穿透力

– 授權頻譜

– 電池壽命長

缺點 – 低數據速率

– 網關依賴

– 地區限制

– 極低的數據速率

– 需要訂閱

– 每天的訊息數量有限

– 高功耗

– 昂貴的

– 月費

– 網路依賴性

– 更高的延遲

– 覆蓋範圍限制

關鍵應用 資產追踪, 停車管理, 環境監測, 農業感測, 智能計量 資產追踪, 環境監測 連網車輛, 智慧城市, 行動應用 智能計量, 資產追踪

什麼 物聯網 n網路化 技術 適合我?

使用物聯網網路很有意義,因為它們可以跨具有挑戰性的場景連接和管理設備. 尤其是, 物聯網網路在互聯世界中不斷發展, 考慮到大規模等變量, 多樣化的設備類型, 以及即時操作要求.

連接技術是開發物聯網專案時必須做出的最關鍵的決策之一. 這裡的選擇將在一定程度上決定成敗, 成本, 以及您的專案的績效. 在深入研究特定技術之前, 問自己這些基本問題:

– 設備將在哪裡使用? 它們會在室內還是室外使用?

– 您需要覆蓋什麼範圍? 是米嗎, 公里, 或介於兩者之間?

– 您將傳輸多少數據, 以及多久一次?

– 您的功率預算是多少? 您使用電池還是主電源運行?

– 您的部署位置存在哪些網路基礎設施?

– 您的安全要求是什麼?

– 您的硬體和持續連接成本的預算是多少?

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項目.

短的-r安格 技術在 p拉克特

用於短距離無線通訊技術, WiFi提供高吞吐量的數據傳輸. 它主導著家庭和公共場所的無線網路覆蓋. 由於許多建築物已經有 WiFi, 它非常適合智慧家庭等物聯網應用, 監視器, 和綜合追蹤解決方案.

在消費領域, 低功耗藍牙顯示出明顯的主導地位. 出於成本考慮,成為短距離定位服務的首選. 市場反映了這一點 – 藍牙定位服務設備出貨量達到 $255 百萬 在 2024. BLE 在智慧家庭領域也表現強勁. 將其納入 Matter 標準, 我們將看到更多智慧家庭應用程式的出現.

Zigbee是智慧家庭中另一個不可忽視的關鍵角色. 目前更多應用於工業自動化與智慧家庭應用. Zigbee的網狀網路可以擴大連接距離並支援更多的網路節點.

UWB 技術尚未達到與前三種技術相同的採用水平. 其主要優點為公分級精準定位. 然而, 它具有較高的相對部署成本. 這使得它更適合需要精確位置追蹤的特定用例.

長的r安格 技術在 p拉克特

適用於遠端無線物聯網技術, LoRa 和 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令人印象深刻的覆蓋範圍. 當您的裝置需要長時間依靠電池供電並且可以容忍資料傳輸中的一些延遲時,LoRaWAN 非常適合. 該技術在動物追蹤中已廣泛應用, 車輛追蹤, 停車管理, 環境監測, 農業感測, 和公用事業計量.

Sigfox 比 LoRaWAN 更有精簡的設計. 它旨在降低設備成本和複雜性, 儘管這意味著犧牲數據速率. 雖然 Sigfox 和 LoRaWAN 有時可以達到類似的目的, 如果您需要專用網路或雙向通信,您應該選擇 LoRaWAN.

NB-IoT和LTE-M帶來重大優勢 – 他們可以使用現有的蜂窩基礎設施. 這些技術與一些 LoRaWAN 和 Sigfox 應用程式重疊, 尤其是在追蹤廣泛地理區域的資產時. 物流業尤其青睞基於蜂窩的追蹤解決方案. 然而, 由於訂閱費,蜂窩選項的成本更高.

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作者——
黃玉坤
黃玉坤
YK 是 MOKOSMART R 的一位經驗豐富的產品經理&D部門擁有十多年智慧型設備開發經驗. 他獲得了 PMP 和 NPDP 認證,增加了他在如何駕馭跨職能團隊方面的知識. 利用數據驅動的洞察力成功推出了多個 40 連接產品. 具有電子背景 & 工程, YK 擅長將複雜的技術價值主張轉化為面向消費者和工業應用的用戶友好的物聯網解決方案.
黃玉坤
黃玉坤
YK 是 MOKOSMART R 的一位經驗豐富的產品經理&D部門擁有十多年智慧型設備開發經驗. 他獲得了 PMP 和 NPDP 認證,增加了他在如何駕馭跨職能團隊方面的知識. 利用數據驅動的洞察力成功推出了多個 40 連接產品. 具有電子背景 & 工程, YK 擅長將複雜的技術價值主張轉化為面向消費者和工業應用的用戶友好的物聯網解決方案.
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