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物联网网络技术彻底改变了我们在数字世界时期的连接和交互方式! 今天, 无线协议和通信标准在物联网部署的几乎各个方面都发挥着巨大作用, 从智慧城市到, 联网车辆, 环境监测等. 根据物联网分析, 全球联网物联网设备市场可能达到 18.8 十亿 年底单位 2024, 的增长 13% 从 2023. 与此同时, 随着连接设备数量的爆炸式增长, 现在比以往任何时候都更需要强大的, 可扩展且高效的通信技术. 在这篇文章中, 我们检查了一些广泛使用的物联网通信协议. 我希望您在做出选择之前对关键的物联网网络解决方案有更深入的了解.
什么 是物联网网络
物联网网络是指物联网设备如何相互连接和通信以及与中央系统的连接和通信. 这创建了一个智能设备协同工作的自治生态系统.
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. 正如您所看到的，这些层构成了物联网网络的构建块, 网络架构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也就不足为奇了. 这些网络协议与人类交流中的语言具有相同的用途. 基本上, 它们专为满足物联网设备的独特要求而设计. 在功耗方面有特殊考虑, 范围, 带宽, 和设备密度. 鉴于这些要求, 规划物联网项目的一个主要方面是选择正确的物联网协议.
在之前的文章中, 我们讨论了一些网络协议及其合适的应用. 这里, 我们列出了一些广泛使用的短距离和远程无线技术，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实现短距离无线传输的技术. 通常, 其传输范围在数十米或数百米之内. 常见的例子包括 蓝牙, 无线上网, Zigbee, 超宽带, NFC 和 RFID (这里不做详细介绍).
蓝牙和低功耗蓝牙
蓝牙是最常见的短距离无线技术之一. 从无线耳机到汽车系统, 智能手表和健身追踪器, 我们随处可见蓝牙.
最新的 蓝牙标准 是蓝牙 6.0, 九月发布 2024 并带来了蓝牙通道检测等新功能. 然而, 目前广泛使用的标准是蓝牙 4.0, 5.0 以上. 蓝牙 5.0 提供高达 2Mbit/s 的传输速度 4.2 提供高达 1Mbit/s.
解决蓝牙功耗的弱点, 低功耗蓝牙 (博美) 介绍了. 该协议的开发取得了成功，并在世界范围内得到了广泛采用. 主要原因之一是这保持了与现有蓝牙设备的兼容性，同时显着降低了功耗.
我们需要了解，低功耗蓝牙是专门为物联网中使用的低功耗设备而设计的. 它不会接管或取代现有的经典蓝牙. BLE 使用与蓝牙相同的 2.4GHz ISM 频段. 与支持高达 7 连接到单个主设备的设备, BLE 允许最多 128 设备. BLE用途 40, 2 MHz 宽通道并利用自适应跳频算法来优化性能并最大限度地减少干扰.
无线上网
Wi-Fi 占 31% 物联网连接总数. 这里, 我们将讨论传统的 WiFi 无线电, 以及 WiFi HaLow (802.11啊), 专为远程低功耗物联网应用而设计.
无线上网 6 使用与其他无线协议相同的 2.4GHz 和 5GHz ISM 频段, 6E 添加了对 6GHz 频段的支持. 范围从室内10m到室外100m以上变化很大, 取决于环境因素和传输功率. 与蓝牙的点对点架构不同, WiFi遵循星形网络拓扑, 设备通过中央接入点进行连接 (路由器).
无线网络6/6E (802.11斧头) 发布于 2021 是目前使用的流行标准. 在速度方面, 它可以达到 9.6 Gbps — 比 WiFi 更快 5 (802.11交流电) 最高点为 3.5 Gbps. 您很可能见过采用旧标准 802.11ac/n/g 的设备. 由于 WiFi 的向后兼容性, 这些旧设备仍然可以与新标准设备一起使用. 最新的 WiFi 标准提供比旧标准更远的覆盖范围.
WiFi HaLow 运行频率低于 1GHz. 它提供更好的墙壁穿透力和更远的射程 (长达1公里) 同时降低功率. 不过, 该技术尚未像我们在蓝牙 LE 中看到的那样在业界得到广泛接受.
需要注意的一件主要事情是 WiFi 支持到单个接入点的数百个同时连接, 尽管实际限制通常会根据网络配置减少此数量.
ZigBee
ZigBee 是一种低成本, 专为个人局域网络设计的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 可能不会像 WiFi 那样普遍, 但它在智能家居中变得越来越常见——灯泡, 其中包括恒温器和安全传感器.
它诞生于 2002, 当 ZigBee 联盟 (现在连接标准联盟) 已成立. 现在它有像飞利浦这样的大组织, 德州仪器, 三星, 与 Amazon 共同发展 ZigBee 协议.
说实话, ZigBee 专为自动化而设计, 具有简单的设备设置和连接性, 低功耗，电池寿命长, 和非常强的安全性.
该架构建立在 802.15.4 标准. ZigBee 最好的部分是它是一个开放协议，最多可以支持 65,000 单个网络中的节点. ZigBee 因其网状网络功能而特别引人注目.
ZigBee 协议定义了网络中三种关键设备类型:
- 协调员 (任何 ZigBee 网络中只有一个)
- 路由器 (传输数据的中介者)
- ZigBee 终端设备 (只与父节点对话, 大多处于睡眠模式)
德州仪器 (TI) 和 Silicon Labs 是 ZigBee 芯片的主要供应商.
超宽带
超宽带 (超宽带) 是新兴的通信协议之一. 您可能还没有在许多设备上看到过它, 但它正在迅速获得采用. 从智能手机到汽车钥匙, 智能家居设备到工业环境, 我们看到 UWB 越来越多地出现在现代技术中.
与其他无线电技术一样, UWB 在定义的频谱中运行, 但与窄带系统不同, 它将传输传播到很宽的频率范围 3.1 GHz 至 10.6 GHz的. 它有一个典型的范围 1-50 米, 在设备或锚点之间的视线范围内效果最佳.
与蓝牙的 1MHz 或 2MHz 信道相比，超宽带使用至少 500MHz 宽的信道. UWB也采用超短脉冲传输, 这使得它比窄带系统具有更高的定位精度.
UWB 传输的最大功率谱密度为 41.3 分贝/兆赫. 这大约等于 0.5 平均发射功率 mW. 它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. 低功耗也使 UWB 更加安全. 由于频率范围宽且功率密度低，信号难以拦截.
短距离物联网网络技术比较
| 技术 | 蓝牙 (博美) | 无线上网 | ZigBee | 超宽带 |
| 范围 | 10-100米 | 50-100米室内 | 10-100米 | 10米 |
| 数据速率 | 1-2 兆比特 | 取决于 1 千兆位+ | 250 Kbps | 取决于 27 兆比特 |
| 能量消耗 | 非常低 | 高的 | 非常低 | 低 |
| 频带 | 2.4 GHz的
|
2.4 GHz的, 5 GHz的 | 2.4 GHz的 | 3.1-10.6 GHz的 |
| 优点 | – 低功耗
– 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
– 大网络支持 – 自愈网格 |
– 精准定位
– 高安全性 – 不受干扰 |
| 缺点 | – 范围有限
– 有限节点 – 潜在的干扰 |
– 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 |
| 关键应用 | 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, 工控, 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
我们现在将重点讨论远程无线技术以及物联网如何因这些协议而受益. 这些技术是 LPWAN 的基础, 覆盖距离从几公里到几千公里. 这里, 我们将介绍LoRa, 西格福克斯, 和蜂窝网络.
LoRa和LoRaWAN
LoRa 是一种提供长距离传输的无线协议, 低电量, 和安全的数据传输. 它基于线性调频扩频调制，这意味着您可以在不使用太多功率的情况下进行远距离通信. 它弥补了蓝牙和 WiFi 等短距离无线局域网之间的差距, 以及更远的蜂窝网络范围.
LoRa和LoRaWAN 最初由 Cycleo 开发，后来被 Semtech 收购. 今天, 非营利组织 LoRa Alliance 对其进行管理. 毫不奇怪，它已发展成为科技行业最大的联盟之一. LoRa联盟不仅支持LoRaWAN，还促进LoRaWAN产品和技术的互操作性.
LoRa 利用 sub-GHz 射频频段 (433兆赫, 868欧洲 MHz, 923亚洲 MHz, 915MHz（北美和澳大利亚）). 这些 ISM 频段无需许可，可供我们所有人用于物联网应用. 它具有令人印象深刻的范围，从城市地区的 2-5 公里到乡村地区的 15 公里或更长.
LoRa代表物理层协议 (OSI 模型的第一层) 实现远程通信. 该层指定如何通过网络节点之间的物理数据链路传输原始比特. 广域网, 运行在 OSI 模型第三层的网络协议, 构建在 LoRa 之上，处理终端设备和中央网络服务器之间的通信.
解决各种用例, LoRaWAN定义了三种设备类别: A类设备 (最低功率, 所有上行链路已启动), B 类设备 (预定的接收时隙), 和 C 类设备 (持续聆听).
西格福克斯
Sigfox 是一项开创性的 LPWAN 技术，专为需要以最低功耗进行远程通信的物联网应用而设计. 它使用超窄带 (北卡罗来纳大学) 技术, 每条消息只占用一个 100 赫兹带宽.
Sigfox 协议在未经许可的 ISM 频段运行 (868 欧洲 MHz, 915 北美 MHz) 并且提供的数据速率仅为 100 要么 600 每秒位数. 这传输速度慢, 与窄带宽相结合, 带来出色的灵敏度和极低的功耗. 典型传输使用大约 20–30 mA 几秒钟, 电池寿命长——通常单块电池可持续使用数年. 它可以达到 40 农村地区 公里，城市环境 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能力存在显着差异. 终端设备最多可以发送 140 每天消息数, 每条消息仅限于 12 有效负载字节数. 下行消息仅限于 8 每天的消息 8 每个字节.
与 LoRaWAN 不同, Sigfox 的设计考虑到了简单性, 将大部分复杂性推向网络侧而不是终端设备. 这种方法允许非常简单且节能的终端设备实施.
蜂窝网络
蜂窝网络处理大量的通信, 是现代世界最基本的通信技术之一. 从2G到最新的5G, 以及专注于物联网的专业技术，例如 LTE-M 和 NB-IoT, 蜂窝网络组成约 20% 全球物联网连接数.
蜂窝网络在所谓的蜂窝架构上运行, 其中地理区域被划分为单元格. 每个都由至少一个称为基站的固定位置收发器提供服务. 这些细胞以蜂窝状模式一起工作，以提供大面积的连续覆盖.
自 20 世纪 80 年代以来，这项技术已经取得了长足的进步, 当 1G 网络几乎无法处理语音通话时. 我们真正进入了5G时代 ($98.3 十亿 2023) 并正在部署 NB-IoT, LTE-M 和 5G 作为当今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. 重要的, 蜂窝网络不是免费的.
远程物联网网络技术比较
| 技术 | LoRa/LoRaWAN | 西格福克斯 | 蜂窝电话 (4千兆/5G) | NB-IoT |
| 范围 | 2-15公里 | 长达 40 公里 | 几公里 | 1-10公里 |
| 数据速率 | 0.3-50 Kbps | 100 bps | 取决于 1 千兆位+ | 250 Kbps |
| 能量消耗 | 非常低 | 非常低 | 高的 | 低 |
| 频带 | 亚GHz | 亚GHz | 授权乐队 | 授权乐队 |
| 优点 | – 长距离
– 出色的电池寿命 – 渗透力好 |
– 超远距离
– 功耗极低 – 部署简单 |
– 全民覆盖
– 高可靠性 – 高数据速率 |
– 良好的建筑穿透力
– 授权频谱 – 电池寿命长 |
| 缺点 | – 低数据速率
– 网关依赖 – 地区限制 |
– 极低的数据速率
– 需要订阅 – 每天的消息数量有限 |
– 高功耗
– 昂贵的 – 月费 |
– 网络依赖性
– 更高的延迟 – 覆盖范围限制 |
| 关键应用 | 资产追踪, 停车管理, 环境监测, 农业传感, 智能计量 | 资产追踪, 环境监测 | 联网车辆, 智慧城市, 移动应用 | 智能计量, 资产追踪 |
什么 物联网 ñ网络化 吨技术 适合我?
使用物联网网络很有意义，因为它们可以跨具有挑战性的场景连接和管理设备. 特别是, 物联网网络在互联世界中不断发展, 考虑到大规模等变量, 多样化的设备类型, 以及实时操作要求.
连接技术是开发物联网项目时必须做出的最关键的决策之一. 这里的选择将在一定程度上决定成败, 成本, 以及您的项目的绩效. 在深入研究特定技术之前, 问自己这些基本问题:
– 设备将在哪里使用? 它们会在室内还是室外使用?
– 您需要覆盖什么范围? 是米吗, 公里, 或介于两者之间?
– 您将传输多少数据, 以及多久一次?
– 您的功率预算是多少? 您使用电池还是主电源运行?
– 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的预算是多少?
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.
短的-r安格 吨技术在 p拉克特
用于短距离无线通信技术, WiFi提供高吞吐量的数据传输. 它主导着家庭和公共场所的无线网络覆盖. 由于许多建筑物已经有 WiFi, 它非常适合智能家居等物联网应用, 监控摄像头, 和综合跟踪解决方案.
在消费领域, 低功耗蓝牙显示出明显的主导地位. 出于成本考虑，成为短距离定位服务的首选. 市场反映了这一点 – 蓝牙定位服务设备出货量达到 $255 百万 在 2024. BLE 在智能家居领域也表现强劲. 将其纳入 Matter 标准, 我们将看到更多智能家居应用的出现.
Zigbee是智能家居中另一个不可忽视的关键角色. 目前更多应用于工业自动化和智能家居应用. Zigbee的网状网络可以扩大连接距离并支持更多的网络节点.
UWB 技术尚未达到与前三种技术相同的采用水平. 其主要优点是厘米级精准定位. 然而, 它具有较高的相对部署成本. 这使得它更适合需要精确位置跟踪的特定用例.
长的–r安格 吨技术在 p拉克特
适用于远程无线物联网技术, LoRa 和 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令人印象深刻的覆盖范围. 当您的设备需要长时间依靠电池供电并且可以容忍数据传输中的一些延迟时，LoRaWAN 非常适合. 该技术在动物追踪中得到广泛应用, 车辆追踪, 停车管理, 环境监测, 农业传感, 和公用事业计量.
Sigfox 比 LoRaWAN 具有更精简的设计. 它旨在降低设备成本和复杂性, 尽管这意味着牺牲数据速率. 虽然 Sigfox 和 LoRaWAN 有时可以达到类似的目的, 如果您需要专用网络或双向通信，您应该选择 LoRaWAN.
NB-IoT和LTE-M带来重大优势 – 他们可以使用现有的蜂窝基础设施. 这些技术与一些 LoRaWAN 和 Sigfox 应用程序重叠, 尤其是在追踪广泛地理区域的资产时. 物流行业尤其青睐基于蜂窝的跟踪解决方案. 然而, 由于订阅费，蜂窝选项的成本更高.
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