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IoT通讯技术选型及模型设计的思考

2017/5/29    来源:极客头条    作者:刘彦玮      
关键字:IoT通讯技术  物联平台  
近几年随着大型物联平台的出现,智能设备数量和种类持续增长以及芯片厂商不断的技术突破,新的使用领域和互联场景不断出现,IoT进入到一个快速增长和爆发的时代。网络通讯作为物联网的基础,IoT项目如何进行通讯技术选型至关重要。
    IoT时代的无线通讯技术
 
    “世界上最遥远的距离就是没有网络”,网络通讯是IoT的基础,常见的无线网络通讯技术有:WiFi、NFC、ZigBee、Bluetooth、WWAN(Wireless Wide Area Network,包括GPRS、3G、4G、5G等)、NB-IoT、Sub-1GHz等。它们在组网、功耗、通讯距离、安全性等方面各有差别,因此拥有不同的适用场景。WiFi、Bluetooth、WWAN是现阶段物联网的主力,占所有应用的95%以上。ZigBee主要用在全屋智能领域,NB-IoT是针对IoT设计的下一代网络。
 
    那么如何在众多无线通讯技术中找到适合自己的呢?下面根据我的经验做一下简单总结,供大家参考。
 
    为什么选WiFi 
 
    WiFi最大的优点是连接快速、持久、稳定,它是IoT设备端连接的首选方案,唯一需要考虑的是智能设备对WiFi覆盖范围的依赖导致smart devices的活动范围比较小,不适合随时携带和户外场景。
 
    举例:各种智能家电可以通过WiFi被远程控制。
 
    为什么选Bluetooth 
 
    Bluetooth最大的优点是不依赖于外部网络、便携、低功耗。只要有手机和智能设备,就能保持稳定的连接,走到哪连到哪。所以大部分运动和户外使用的设备都会优先考虑Bluetooth。它的主要不足是:不能直接连接云端,传输速度比较慢,组网能力比较弱。
 
    举例:智能手环,共享单车的智能蓝牙锁,iBeacon定位。
 
    为什么选WWAN 
 
    WiFi的不足是智能设备移动范围小,蓝牙的短板是设备不能直连云端和组网能力弱,而WWAN既可以随时移动,也可以随时联网,完美弥补了WiFi和Bluetooth的不足。但实际上它也存在二个短板:一是它在使用的过程中会产生费用,二是网络状况不稳定,常常遇到无网或弱网的环境。
 
    举例:车载智能设备,政府的城市公共自行车。
 
    无线模块选型分析
 
    前面介绍了主流的三种无线技术,下面是一些特殊场景用到的无线技术选型。
 
    ZigBee的使用 
 
    在全屋智能(精装修智能房屋)的场景中,从交付开始,家中就已存在大量IoT设备,如果使用WiFi方案,每个设备配网会非常麻烦,并且WiFi每次做移动或修改密码,智能设备都要做相应的调整。如果使用蓝牙方案,以目前的BLE 4.2标准来说,蓝牙的组网只能一个Central连接7个外设(部分芯片会有能力扩充,因为比较少见,所以这里忽略),蓝牙组网能力弱,也满足不了需求。所以在全屋智能场景中,经常会使用ZigBee+WiFi的二合一网关。ZigBee和蓝牙一样都是近距离低功耗的通讯技术,但它相比蓝牙最大的优势就是强大的组网能力,ZigBee和WiFi的二合一网关通过ZigBee连接IoT设备,通过WiFi将数据同步到云端。
 
    Sub-1GHz的使用 
 
    飞行器常常在没有WiFi,山上等GPRS无信号或弱网的环境中使用,而且通常有较远的飞行距离,这样WiFi、Bluetooth、ZigBee和WWAN这种单一的无线模块不能很好的解决飞行器的通讯需求,所以需要多种无线模块的组合使用。通过Bluetooth让遥控器和手机连接,通过Sub-1GHz处理长距离飞行时飞行器和遥控器的通讯,通过其他波长处理中距离或短距离飞行中的数据通信。这种组合既能满足手机操控,又能在中距离有高质量的图像数据,在远距离还能继续控制。
 
    同样功能的设备不一定选相同的通讯模块
 
    例如补水仪,统一的功能,都是从设备喷出水汽到皮肤,给皮肤补水,但有便携式和固定式两种,便携式体积小,便于携带,随时使用,可以选择Bluetooth;固定式功能多,可以冷热交替补水,一般在家中使用,选WiFi没错。
 
    总结和整理 
 
IoT通讯技术选型及模型设计的思考
 
    上表对前面介绍的无线通讯技术做了个总结,方便大家了解其中的差别,选到适合自己的方案。
 
    IoT物联模型
 
    应用侧的架构,根据接入设备的种类和数量,复杂度会相差很大,其中物联平台的架构最为复杂,例如阿里智能、微信物联、米家、百度物联这类平台级的系统。不过能做平台级物联系统的公司还很少,大部分还是针对特定设备类型或共同特征的智能设备的载体,它们的结构相对简单些,也是本文重点介绍的部分。
 
    以智能手机、智能设备,智能云三者交互为例,主要涉及的无线通讯方式就是WiFi、WWAN、Bluetooth,其中WiFi和WWAN的场景几乎一致,Bluetooth架构多一层媒介层,本文主要介绍这三种场景。
 
    WWAN/WiFi和Bluetooth在应用架构设计上最重要的区别是WWAN的智能设备可以直接和云端交互,而Bluetooth智能设备需要一个中转媒介,大部分时候,这个媒介指的是智能手机,偶尔也可能是其他的形态,比如蓝牙网关,或是一台装有操作系统的智能冰箱。
 
    WWAN和WiFi物联模型的主要区别在于WWAN设备只要插上上网卡,就可以上网,而WiFi设备需要多一步配网的过程。
 
    WWAN/WiFi物联模式
 
    WWAN/WiFi物联模型如图1所示。 
 
WWAN/WiFi物联模式
 
    图1 WWAN/WiFi物联模式
 
Bluetooth物联模式
 
    图2 Bluetooth物联模式
 
    WiFi在设备初次使用时,首先需要配网操作。通过WiFi在手机和智能设备之间建立点对点连接,手机把WiFi的SSID和密码传递到智能设备,然后再断开手机与智能设备的直连,把智能设备连接的WiFi网络切换至用于连接的WiFi设备(在家的场景,通常指的是家中的路由器)。WiFi smart device在联网成功后,会向云端发送设备激活的消息,此后设备端和云端就建立了一个稳定,长期的连接,保证了数据上行和命令下发。
 

责任编辑:李欢
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