物联网在经过多年由概念到实践的蛰伏,起伏之后,现在已经呈燎原之势,物联网时代已经到来。起的太早的,有些已经在沙滩上了,再晚了的怕是赶不上潮头。

不得不承认,物联网的世界正在迅速发展和变化。

由于这个行业本身还处于起步阶段,所以对于无线通信技术有很多选择,不同的物联网领域也有不同的标准。

在为物联网应用程序选择无线通信技术时,需要考虑许多因素。

这些因素包括:范围、带宽、延迟时间、功耗、频带、安全性和成本。

下表展示了物联网无线通信技术的主要特点:

下图是一个大概的概念图,可以直观感受一下各方的区别。

每一种无线通信技术的设计都是为了填补一个特定的利基市场,每一个都有好处和权衡。

例如,蓝牙

蓝牙是一种流行且普遍存在的协议,并一直在持续发展。它的第一个官方规范是由蓝牙技术联盟(Bluetooth SIG)于1999年发布的。最初作为移动耳机和流语音/音频数据协议,现已发展成为功能强大且节能的无线技术,而低功耗蓝牙(Bluetooth LE)在功耗敏感的物联网终端节点应用中很受欢迎。

为了确保在2.4GHz频段内可靠工作,它采用了一种强大的跳频扩频方法,可以在40个信道上传输数据。随着蓝牙5.0版本增强特性的发布,低功耗蓝牙为物联网设计提供了极大的灵活性,包括多个物理层(PHY)选项、125kbps至2Mbps的数据速率、多个功率级别(从1mW到100mW),以及多种安全选项,甚至达政府级安全。

BLE的一个主要缺点是范围。

虽然这一范围比Z-Wave、ZigBee、Ant+和WirelessHART等其他一些无线通信技术要高,但对于许多远程传感器的部署来说,它的范围仍然太短。

Zigbee

Zigbee于2004年首次由Zigbee联盟(Zigbee Alliance)标准化,运行于IEEE 802.15.4物理无线电规范之上,相对于蓝牙和Wi-Fi具有更低的功耗。由于其网状拓扑结构和经过验证的可扩展性,可轻松支持超过250个节点的网络,因此广泛应用于家庭自动化和工业网状网络。

低功耗和“自修复”可扩展性的结合使得Zigbee独一无二。采用具有短数据包长度的802.15.4 MAC/PHY、16通道直接序列扩频(DSSS)调制方案和用于消息故障处理的MAC层机制,Zigbee可以在低功率封包内运行。此外,输出发射器功率可以配置为省电模式,尤其是在采用相邻电池供电 “路由节点” 进行中继消息的集中式网络之中。这种处理网状路由功能的优化方法可以使内存资源需求相对较低,只需要不到160 kB的闪存和通常32 kB的RAM。这为应用开发人员和消费者提供了更低成本的芯片和最终更经济的解决方案。

Z-Wave

Z-Wave®技术是一种开放的、国际公认的国际电信联盟(ITU)标准(G.9959)。它是当今领先的无线智能家居技术之一,在全球拥有2700多种经过认证的可互操作产品。Z-Wave由Z-Wave联盟(Z-Wave Alliance)管理,并得到全球700多家公司的支持,是家居安全、能源、酒店、办公和轻型商业应用智能生活解决方案的关键推动者。Z-Wave技术由Zensys于1999年开发,Zensys是一家总部位于哥本哈根的初创公司,后来于2008年12月被Sigma Designs收购,最近于2018年4月被Silicon Labs收购。

Z-Wave的主要吸引力之一在于它在sub-GHz频段提供网状网络,避开了有时拥挤的2.4 GHz工业、科学和医疗(ISM)频段,即大多数其他基于标准的物联网协议都在使用的频段。

互操作性和向后兼容性是Z-Wave技术理念的关键原则。

如果低功耗和远程能力都很重要的话,LoRaWAN可能是最佳选择。

LoRaWAN的主要技术特点是能够进行1-20km的长距离传输,城市里,无线距离范围在1~2公里,郊区或空旷地区,无线距离最高可达20km。节点数可达万级甚至百万级,一个网关可以连接多少个节点或终端设备。数据速率范围0.3~50kbps,较低的数据速率可以使电池寿命达到3-10年。

由于其低功耗,该技术与能源收集应用程序非常匹配,但是权衡的形式是增加数据延迟和接口基础设施。

在LoRaWAN系统中,必须安装一个主天线网关,该网关可以从部署的设备收集数据并将其推送到云中或存储在专用网络上。

当应用程序要求增加安装位置、灵活性和远程功能时,解决方案可能需要使用现有蜂窝基础设施的系统。

目前,世界各地都有这样的系统可供使用,或在今后几年内上线。

与LoRaWAN不同的是,这些系统可以部署在许多不需要网关硬件投资的地方,它们使用蜂窝系统,并且将受到与一个或多个蜂窝提供商的使用合同的约束。

这些系统的功耗比LoRaWAN高,但在功耗方面已经有了改进。

最初的2G、3G和4G通信技术都有很高的功耗,但新一代的NB-IoT和LTE-M1标准还处于起步阶段,尚未普及,功耗要低得多。

功耗最终取决于于使用情况。

如果低功耗和电池寿命长对您的传感器系统很重要,这里还有一些提示。

  • 考虑专为低功耗设计的技术。

  • 注意传感器系统的设计,始终牢记功耗。

  • 使所有系统组件尽可能多地休眠,因为这是最低的能耗状态。

  • 仅在必要时传输数据,因为这是无线电的最高能量消耗状态。(减少传输和收集相同数量信息的一种方法是在所需的时间间隔收集数据,并在多次数据获取之后传输多个信息包。这只在系统不需要低延迟的传感器数据时才有效)。

  • 在系统中添加一种能为电池(如太阳能电池板)充电的能源。太阳能电池板几乎可以无限期地延长系统的电池寿命。

光是物联网传感器最强大和最有效的能源之一。无论是在室内还是室外,太阳能电池都能为物联网系统获取最大的能量。