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物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議——網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

2022-06-11

物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議——網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

物聯(lián)網(wǎng)的主要支柱之一是其連接性。它由一個巨大的元素網(wǎng)絡(luò)組成，包括不同大小和形狀的物體和人，它們相互連接以收集和共享信息。通常，收集信息并將其用于自動化或幫助做出決策。由于數(shù)據(jù)類型和應(yīng)用程序的多樣性，需要不同的通信和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。

在本文中，我們將回顧一些主要物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的主要特征，以及它們的一些優(yōu)缺點。 

物聯(lián)網(wǎng)通信參數(shù)

在實現(xiàn)飛躍和部署物聯(lián)網(wǎng)解決方案之前，了解每種技術(shù)的限制因素至關(guān)重要。通信協(xié)議是在節(jié)點之間建立的一組規(guī)則，用于以可靠和安全的方式交換信息。

以下是通信協(xié)議的一些主要方面：

速度或數(shù)據(jù)速率：在一段時間內(nèi)要傳輸?shù)男畔⒘俊ＫǔＲ?span>bps（每秒位數(shù)）、kbps、Mbps 或Gbps表示。 

范圍： 兩個相互通信的節(jié)點之間的最大距離。它主要取決于發(fā)射功率、使用的頻帶和調(diào)制類型。它還可能受到氣象條件或節(jié)點物理位置的影響。在圖 1 中，您可以看到數(shù)據(jù)速率與各種物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議范圍的粗略圖表。

圖 1.各種物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的數(shù)據(jù)速率與范圍。

功耗：節(jié)點在其生命周期內(nèi)工作所需的能量。該參數(shù)定義了需要永久電源或使用電池。由于有許多使用電池的應(yīng)用，因此功耗是一個關(guān)鍵參數(shù)。這意味著它將影響其他元素，例如傳感器的數(shù)量或通信功率傳輸。此外，由于電池的使用壽命有限，因此功耗會對維護(hù)策略產(chǎn)生直接影響。

互操作性：節(jié)點之間交換信息的能力，即使它們是不同類型的。

可擴(kuò)展性：部署更多節(jié)點、增加最終用戶數(shù)量以及無需遷移技術(shù)即可存儲和處理的數(shù)據(jù)量的挑戰(zhàn)。

成本：安裝和維護(hù)特定技術(shù)的價格。功耗、維護(hù)和可擴(kuò)展性對網(wǎng)絡(luò)成本有很大影響。

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌?span> 節(jié)點相互通信的方式。拓?fù)淇梢耘c傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中使用的相同。星型、網(wǎng)狀、點對點和點對多點是拓?fù)涞囊恍┦纠鐖D 2 所示。

圖 2.不同網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞氖纠?span>

安全性： 保護(hù)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的方式。必須確保節(jié)點之間傳輸?shù)耐ㄐ艃H到達(dá)預(yù)期節(jié)點。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)無處不在，它們可以將敏感信息傳達(dá)給用戶；因此，需要保護(hù)通信免受第三方的侵害。 

物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議基礎(chǔ)

協(xié)議允許節(jié)點以結(jié)構(gòu)化的方式在它們之間進(jìn)行交互。由于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的需求和用例在過去幾年中迅速發(fā)展，協(xié)議也是如此。總而言之，主要有兩種類型的協(xié)議：網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)。這種分類來自廣泛用于IT通信網(wǎng)絡(luò)的OSI（開放系統(tǒng)互連）模型。

下面您可以對主要的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議有一個大致的了解。

藍(lán)牙： 該協(xié)議工作在2.4 GHz頻率范圍內(nèi)，可用于短距離 (<100 m)應(yīng)用。藍(lán)牙低功耗(BLE) 是其發(fā)展的又一步，它顯著降低了該協(xié)議所需的功率。這種類型有利于從傳感器或可穿戴設(shè)備傳輸少量數(shù)據(jù)。圖 3 中可以看到一個示例節(jié)點網(wǎng)絡(luò)布局。 

圖 3.智能家居中的藍(lán)牙物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點示例。  

蜂窩：當(dāng)前的蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施也可用于擴(kuò)展物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點的通信能力。根據(jù)所選擇的頻段和特定技術(shù)，它可以適用于低功率應(yīng)用（例如2G）以及高數(shù)據(jù)速率應(yīng)用（例如 LTE）。此外，還有蜂窩通信的子類型，例如LTE-M和NB-IoT，它們的誕生分別是為了提供更多的數(shù)據(jù)帶寬或更低的功耗。

LoRaWAN：它是專為電池供電系統(tǒng)設(shè)計的低功耗、廣域 (LPWA) 協(xié)議。它在sub GHz 433/868/915 MHz和2.4 GHz內(nèi)運行。LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)通常遵循星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中元素是：端節(jié)點、網(wǎng)關(guān)和一組服務(wù)器。OSI參考模型如圖 4 所示。 

圖 4. LoRa 和 LoRaWan 的OSI參考模型。  

近場通信（NFC）： NFC工作在13.56 MHz頻段，范圍為幾厘米。這種類型的通信用于擴(kuò)展密切接觸的通信。在NFC中，有一個有源節(jié)點（例如智能手機(jī)）生成一個射頻場，為標(biāo)簽提供能量。它工作在13.56 MHz的頻段，范圍為幾厘米。

Sigfox： Sigfox 使用基于技術(shù)的超窄帶 (UNB)，它在ISM頻段中工作，需要專用的基礎(chǔ)設(shè)施。這意味著它可以在全球范圍內(nèi)使用，但需要本地運營商。

Wi-Fi： 工作在2.4 GHz 和5 GHz頻率下，Wi-Fi 連接因其普遍性和高數(shù)據(jù)速率而被廣泛選擇。它的主要缺點是其高功耗，因此它不經(jīng)常用于電池供電的應(yīng)用中。

Wi-Sun： Wi-Sun 是由Wi-Sun聯(lián)盟創(chuàng)建的現(xiàn)場區(qū)域網(wǎng)絡(luò) (FAN) 協(xié)議，旨在實現(xiàn)低功耗和低延遲。它通過網(wǎng)狀拓?fù)湓?span>sub GHz頻段和2.4 GHz頻段運行。

ZigBee： 此通信協(xié)議適用于2.4 GHz頻段，適用于受限區(qū)域的短距離 (<100 m)。ZigBee用于傳輸少量信息，即需要真正低延遲的地方，并廣泛用于行業(yè)和消費者應(yīng)用程序。ZigBee RF4CE 旨在取代紅外遙控器（例如，電視和DVD系統(tǒng)），并且無需在遙控器和設(shè)備之間設(shè)置視線。

Z-wave：適用于家庭自動化應(yīng)用（圖 5），工作在 ISM 頻段，速率高達(dá)100 Kbps。它的應(yīng)用程序遵循網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，最多執(zhí)行 4 個希望。

圖 5. Z-Wave 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)在家庭中的示例應(yīng)用。

下表（表 1）顯示了列出的通信協(xié)議的主要特征，按范圍排序：

表 1. 通信協(xié)議特性