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(gè)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(dòng)化或幫助做出決策。由于數據類(lèi)型和應用程序的多樣性，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(diǎn)。 

物聯(lián)網(wǎng)通信參數

在實(shí)現飛躍和部署物聯(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)議是在節點(diǎn)之間建立的一組規則，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：

速度或數據速率：在一段時(shí)間內要傳輸的信息量。它通常以bps（每秒位數）、kbps、Mbps 或Gbps表示。 

范圍： 兩個(gè)相互通信的節點(diǎn)之間的最大距離。它主要取決于發(fā)射功率、使用的頻帶和調制類(lèi)型。它還可能受到氣象條件或節點(diǎn)物理位置的影響。在圖 1 中，您可以看到數據速率與各種物聯(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)議的數據速率與范圍。

功耗：節點(diǎn)在其生命周期內工作所需的能量。該參數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用，因此功耗是一個(gè)關(guān)鍵參數。這意味著(zhù)它將影響其他元素，例如傳感器的數量或通信功率傳輸。此外，由于電池的使用壽命有限，因此功耗會(huì )對維護策略產(chǎn)生直接影響。

互操作性：節點(diǎn)之間交換信息的能力，即使它們是不同類(lèi)型的。

可擴展性：部署更多節點(diǎn)、增加最終用戶(hù)數量以及無(wú)需遷移技術(shù)即可存儲和處理的數據量的挑戰。

成本：安裝和維護特定技術(shù)的價(jià)格。功耗、維護和可擴展性對網(wǎng)絡(luò )成本有很大影響。

網(wǎng)絡(luò )拓撲： 節點(diǎn)相互通信的方式。拓撲可以與傳統網(wǎng)絡(luò )中使用的相同。星型、網(wǎng)狀、點(diǎn)對點(diǎn)和點(diǎn)對多點(diǎn)是拓撲的一些示例，如圖 2 所示。

圖 2.不同網(wǎng)絡(luò )拓撲的示例。

安全性： 保護發(fā)送和接收數據的方式。必須確保節點(diǎn)之間傳輸的通信僅到達預期節點(diǎn)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)無(wú)處不在，它們可以將敏感信息傳達給用戶(hù)；因此，需要保護通信免受第三方的侵害。 

物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議基礎

協(xié)議允許節點(diǎn)以結構化的方式在它們之間進(jìn)行交互。由于物聯(lián)網(wǎng)設備的需求和用例在過(guò)去幾年中迅速發(fā)展，協(xié)議也是如此?？偠灾?，主要有兩種類(lèi)型的協(xié)議：網(wǎng)絡(luò )和數據。這種分類(lèi)來(lái)自廣泛用于IT通信網(wǎng)絡(luò )的OSI（開(kāi)放系統互連）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(gè)大致的了解。

藍牙： 該協(xié)議工作在2.4 GHz頻率范圍內，可用于短距離 (<100 m)應用。藍牙低功耗(BLE) 是其發(fā)展的又一步，它顯著(zhù)降低了該協(xié)議所需的功率。這種類(lèi)型有利于從傳感器或可穿戴設備傳輸少量數據。圖 3 中可以看到一個(gè)示例節點(diǎn)網(wǎng)絡(luò )布局。 

圖 3.智能家居中的藍牙物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)示例。  

蜂窩：當前的蜂窩基礎設施也可用于擴展物聯(lián)網(wǎng)節點(diǎn)的通信能力。根據所選擇的頻段和特定技術(shù)，它可以適用于低功率應用（例如2G）以及高數據速率應用（例如 LTE）。此外，還有蜂窩通信的子類(lèi)型，例如LTE-M和NB-IoT，它們的誕生分別是為了提供更多的數據帶寬或更低的功耗。

LoRaWAN：它是專(zhuān)為電池供電系統設計的低功耗、廣域 (LPWA) 協(xié)議。它在sub GHz 433/868/915 MHz和2.4 GHz內運行。LoRaWAN網(wǎng)絡(luò )通常遵循星型拓撲結構，其中元素是：端節點(diǎn)、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(chǎng)通信（NFC）： NFC工作在13.56 MHz頻段，范圍為幾厘米。這種類(lèi)型的通信用于擴展密切接觸的通信。在NFC中，有一個(gè)有源節點(diǎn)（例如智能手機）生成一個(gè)射頻場(chǎng)，為標簽提供能量。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(zhuān)用的基礎設施。這意味著(zhù)它可以在全球范圍內使用，但需要本地運營(yíng)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據速率而被廣泛選擇。它的主要缺點(diǎn)是其高功耗，因此它不經(jīng)常用于電池供電的應用中。

Wi-Sun： Wi-Sun 是由Wi-Sun聯(lián)盟創(chuàng )建的現場(chǎng)區域網(wǎng)絡(luò ) (FAN) 協(xié)議，旨在實(shí)現低功耗和低延遲。它通過(guò)網(wǎng)狀拓撲在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)和消費者應用程序。ZigBee RF4CE 旨在取代紅外遙控器（例如，電視和DVD系統），并且無(wú)需在遙控器和設備之間設置視線(xiàn)。

Z-wave：適用于家庭自動(dòng)化應用（圖 5），工作在 ISM 頻段，速率高達100 Kbps。它的應用程序遵循網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )拓撲結構，最多執行 4 個(gè)希望。

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

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