物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線通信技術(shù)應(yīng)用探討

許杰

摘 要：文章分別介紹了物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線通信技術(shù)中的短距離通信技術(shù)RF433/315M，ZigBee，WiFi，藍(lán)牙，Z-wave，IPv6/6LoWPAN以及廣域網(wǎng)通信技術(shù)中的NB-IoT和LoRa，并分析了每類(lèi)通信技術(shù)的特點(diǎn)及應(yīng)用場(chǎng)景。

關(guān)鍵詞：短距離通信技術(shù)；廣域網(wǎng)通信技術(shù)；ZigBee；Z-Wave；NB-IoT；LoRa

1 物聯(lián)網(wǎng)概念

“物聯(lián)網(wǎng)”概念在1999年美國(guó)麻省理工學(xué)院首次被提出，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)的概念也隨之更新，當(dāng)前主要是指信息和物理設(shè)備的融合，把物體和事件通過(guò)信息表達(dá)，在物與物之間實(shí)現(xiàn)信息交互，實(shí)現(xiàn)物體的識(shí)別、實(shí)時(shí)定位與管理。從功能的角度分析，物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)具有感知、互聯(lián)、計(jì)算和控制能力的信息系統(tǒng)。從功能角度抽取的物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)一般包含物聯(lián)網(wǎng)從感知、傳輸、處理和執(zhí)行等部件[1]。

2 物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線通信技術(shù)及應(yīng)用場(chǎng)景

物聯(lián)網(wǎng)最初是指設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸，解決物與物相聯(lián)，采用的是有線方式，比如RS323，RS485，考慮設(shè)備的位置可移動(dòng)的方便性，后期更多采用無(wú)線方式。物聯(lián)網(wǎng)的無(wú)線通信技術(shù)很多，主要有兩類(lèi)：一是短距離通信技術(shù)包括無(wú)線RF433/315M，ZigBee，WiFi，藍(lán)牙，Z-wave，IPv6/6 LoWPAN等；另一類(lèi)是低功耗廣域網(wǎng)（Low Power Wide Area Network，LPWAN），即廣域網(wǎng)通信技術(shù)。包括NB-IoT和LoRa等。

2.1 RF433/315M

無(wú)線收發(fā)模組，采用射頻技術(shù)，工作在ISM頻段（433/315 MHz），包含發(fā)射器和接收器，頻率相對(duì)穩(wěn)定，數(shù)據(jù)傳輸速率在1～128 kbps之間，一般選用GFSK的調(diào)制方式，具有比較強(qiáng)的抗干擾性能。主要應(yīng)用集中在汽車(chē)、醫(yī)藥、食品、交通運(yùn)輸、能源、軍工、動(dòng)物管理以及人事管理等各領(lǐng)域。具體應(yīng)用項(xiàng)目包括無(wú)線抄表系統(tǒng)、無(wú)線路燈控制系統(tǒng)、鐵路通信、航模無(wú)線遙控、無(wú)線安防報(bào)警、家居電器控制、工業(yè)無(wú)線數(shù)據(jù)采集等。

2.2 WiFi

基于符合IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線局域網(wǎng)，是有線局域網(wǎng)的無(wú)線延伸。WiFi只需要一個(gè)無(wú)線接入點(diǎn)就能組成無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，成本低廉。WiFi具有速度較快的優(yōu)點(diǎn)，無(wú)需網(wǎng)橋設(shè)備可以直接接入互聯(lián)網(wǎng)，而且支持與手機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，但WiFi芯片的封裝尺寸偏大，功耗較高，不利于大范圍使用。WiFi技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)從家庭的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備向傳統(tǒng)的醫(yī)療保健、庫(kù)存管理、教育等領(lǐng)域擴(kuò)展。

2.3 藍(lán)牙（Bluetooth）

主要應(yīng)用頻段在2.4～2.485 GHz的ISM波段的特高頻無(wú)線電波（Ultra High Frequency，UHF）頻段是基于數(shù)據(jù)包、依據(jù)主從架構(gòu)的無(wú)線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，可以實(shí)現(xiàn)固定設(shè)備、移動(dòng)設(shè)備和局域網(wǎng)之間的短距信息傳輸。藍(lán)牙可以利用跳頻技術(shù)將數(shù)據(jù)分割成數(shù)據(jù)包，通過(guò)不同的藍(lán)牙頻道傳輸數(shù)據(jù)包。不同頻道的頻寬為1 MHz，藍(lán)牙4.0不同頻段間隔為2 MHz，可容納40個(gè)頻段。藍(lán)牙在近距離無(wú)線傳輸具有很大優(yōu)勢(shì)，主要應(yīng)用于鼠標(biāo)、鍵盤(pán)、耳機(jī)等近距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)目纱┐髟O(shè)備。

2.4 ZigBee

是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低速、短距離、低功耗、雙向無(wú)線通信技術(shù)的局域網(wǎng)通信協(xié)議，又稱(chēng)紫蜂協(xié)議[2]。ZigBee具有近距離、低復(fù)雜度、自組織（自配置、自修復(fù)、自管理）、低功耗、低數(shù)據(jù)速率的特點(diǎn)，由物理層、媒體訪問(wèn)控制層（Media Access Control Layer，MAC）、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層組成。物理層和媒體訪問(wèn)控制層依據(jù)IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，主要應(yīng)用于傳感控制應(yīng)用。ZigBee的蜂窩式的傳輸模式，具有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能，主要用于可視距離的傳輸，適用室外空曠場(chǎng)所。ZigBee3.0技術(shù)整合了此前ZigBeePro一些應(yīng)用場(chǎng)景，包括家庭電器、建筑物自動(dòng)化、LED照明、醫(yī)療看護(hù)、零售、智慧能源等方面。

2.5 Z-Wave

是由丹麥公司Zensys開(kāi)發(fā)的基于射頻的、低成本、低功耗、高可靠、可用于網(wǎng)絡(luò)的近距離無(wú)線通信技術(shù)，利用FSK（BFSK/GFSK）等調(diào)制方式，可以實(shí)現(xiàn)9.6～ 40 kb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，信號(hào)可以在室內(nèi)傳輸30 m，室外可大于100 m，適用于窄寬帶應(yīng)用場(chǎng)景。Z-Wave利用動(dòng)態(tài)路由技術(shù)，使得每個(gè)Z-Wave網(wǎng)絡(luò)都有自己的網(wǎng)絡(luò)地址；網(wǎng)絡(luò)內(nèi)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的地址，由控制節(jié)點(diǎn)分配。每個(gè)網(wǎng)絡(luò)最多可以容納232個(gè)節(jié)點(diǎn)，包括控制節(jié)點(diǎn)。Zensys提供Windows開(kāi)發(fā)用的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)（Dynamically Linked Library，DLL），開(kāi)發(fā)者利用該DLL內(nèi)的API函數(shù)來(lái)進(jìn)行PC軟件設(shè)計(jì)[3]。利用Z-Wave技術(shù)搭建的無(wú)線近距離網(wǎng)絡(luò)，不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)家電的遙控，甚至可以通過(guò)廣域網(wǎng)對(duì)Z-Wave網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備進(jìn)行控制。

2.6 IPv6/6LoWPAN

符合IPv6 over IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低速無(wú)線局域網(wǎng)，IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)主要用于開(kāi)發(fā)靠電池運(yùn)行小型低功率廉價(jià)傳感器設(shè)備。該標(biāo)準(zhǔn)使用2.4 GHz頻段的無(wú)線收發(fā)設(shè)備傳送數(shù)據(jù)，使用的頻率與WiFi相同，但發(fā)射功率只有WiFi的1%。6 LoWPAN通信技術(shù)使各種低功率無(wú)線設(shè)備能夠融入IP家庭網(wǎng)絡(luò)中，并同時(shí)可以與WiFi、以太網(wǎng)以及其他類(lèi)型的設(shè)備工作在同一網(wǎng)絡(luò)中；6 LoWPAN技術(shù)的低功耗、自組織網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，在物聯(lián)網(wǎng)感知層、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)得到了廣泛的應(yīng)用。

2.7 LoRa

LoRa由美國(guó)Semtech公司支持的基于擴(kuò)頻技術(shù)的超遠(yuǎn)距離物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線通信技術(shù)。它使用線性調(diào)頻擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)，既具有低功耗特性，又明顯增加通信距離，同時(shí)也提高了網(wǎng)絡(luò)效率并消除了干擾，即不同擴(kuò)頻序列的終端即使使用相同的頻率同時(shí)發(fā)送也不會(huì)相互干擾，因此在此基礎(chǔ)上研發(fā)的集中器/網(wǎng)關(guān)（Concentrator/Gateway）能夠并行接收并處理多個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，大大擴(kuò)展了系統(tǒng)容量[4]。LoRa主要使用免費(fèi)的非授權(quán)頻段，并且是異步通信協(xié)議，具有功耗低、成本低廉的特點(diǎn)。LoRa網(wǎng)絡(luò)包括終端設(shè)備、網(wǎng)關(guān)、服務(wù)器組成，數(shù)據(jù)可以進(jìn)行雙向傳輸，傳輸距離最遠(yuǎn)可以達(dá)到15～20 km。LoRa技術(shù)具有得低功耗、大范圍覆蓋、易于部署的優(yōu)點(diǎn)，這使其非常適用于功耗低、遠(yuǎn)距離、大規(guī)模等的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景，例如智能抄表系統(tǒng)、智慧停車(chē)、車(chē)輛定位追蹤、智慧農(nóng)業(yè)、智慧工業(yè)、智慧城市等領(lǐng)域。

2.8 NB-IOT

窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）是由3GPP標(biāo)準(zhǔn)化組織定義的一種技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，是一種專(zhuān)為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)的窄帶射頻技術(shù)。NB-IoT使用了授權(quán)頻段，有3種部署方式：獨(dú)立部署、保護(hù)帶部署、帶內(nèi)部署。移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)覆蓋范圍取決于基站密度和鏈路預(yù)算。NB-IoT具有164 dB的鏈路預(yù)算，GPRS的鏈路預(yù)算有144 dB（TR 45.820），LTE是142.7 dB（TR 36.888）。與GPRS和LTE相比，NB-IoT鏈路預(yù)算有20 dB的提升，開(kāi)闊環(huán)境信號(hào)覆蓋范圍可以增加7倍。20 dB相當(dāng)于信號(hào)穿透建筑外壁發(fā)生的損失，NB-IoT室內(nèi)環(huán)境的信號(hào)覆蓋相對(duì)要好。一般，NB-IoT的通信距離是15 km。NB-IoT技術(shù)包含五大主要應(yīng)用場(chǎng)景，包括位置跟蹤、環(huán)境監(jiān)測(cè)、智能泊車(chē)、遠(yuǎn)程抄表、畜牧業(yè)。

3 結(jié)語(yǔ)

物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)多樣化的網(wǎng)絡(luò)，方案的設(shè)計(jì)要綜合考慮帶寬、覆蓋范圍、網(wǎng)絡(luò)容量、可靠性、電池壽命、成本、交互頻率和擴(kuò)展性等因素，才能最終形成設(shè)計(jì)方案。各技術(shù)之間并不是完全排斥的，互補(bǔ)共存要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于替代，低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)和局域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)形成的互補(bǔ)共存在物聯(lián)網(wǎng)中有多種體現(xiàn)方式，包括對(duì)原有解決方案的擴(kuò)展、增加生存周期的能力。當(dāng)前多種物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)都有其各自的應(yīng)用場(chǎng)景，這也是物聯(lián)網(wǎng)各種無(wú)線通信技術(shù)發(fā)展的必然過(guò)程。

[參考文獻(xiàn)]

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