[嵌入式]物联网（二）

物联网通信技术

1.前言

• 通信技术是物联网的基础，万物互联离不开各种通信技术的支持。如果把物联网比作信息的物流系统，那么通信技术就是不同的交通运输方式。通信技术的最终目的是连通感知终端与云平台应用。
• 常见的通信技术可以分为有线通信和无线通信技术。有线通信技术与无线通信技术根据场景及技术特点，又细分出许多不同的标准。

2.有线通信技术

• Ethernet（以太网）是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准。以太网络使用CSMA/CD（载波监听多路访问及冲突检测）技术。
• 常见的串口协议有RS-232、RS-422、 RS-485等。RS-232是个人计算机上的通讯接口之一，由电子工业协会(Electronic IndustriesAssociation， EIA) 所制定的异步传输标准接口。 RS-232采取不平衡传输方式，即所谓单端通讯. 而RS-485则采用平衡传输，即差分传输方式。
• 通用串口总线(USB)是连接计算机系统和外部设备的一种串口总线标准，也是一种输入输出接口的技术规范，被广泛地应用与个人电脑和移动设备等信息通讯产品。最新一代的USB是USB4，传输速度为40Gbit/s。USB在速度上远比并行端口（例如EPP、 LPT）与串行接口（例如RS-232）等传统电脑用标准总线快上许多。 USB 1.1（ USB 2.0 FullSpeed）的最大传输速率为12Mbps， USB 2.0（ USB 2.0 HiSpeed）为480Mbps， USB 3.0（ USB 3.2Gen1） 为 5Gbps， USB 3.1（ USB 3.2 Gen2x1） 为 10Gbps，而USB 3.2（ USB 3.2 Gen2x2）更达20Gbps。

3.无线通信技术

• 短距无线通信技术

  蓝牙（ Bluetooth）：是一种无线技术标准，可实现固定设备、移动设备和楼宇个人域网之间的短距离数据交换（使用2.4-2.485GHz的ISM波段的UHF无线电波）。蓝牙技术最初由电信巨头爱立信公司于1994年创制，当时是作为RS232数据线的替代方案。蓝牙可连接多个设备，克服了数据同步的难题。 如今蓝牙由蓝牙技术联盟（ Bluetooth Special Interest Group，简称SIG）管理。蓝牙技术联盟在全球拥有超过25,000家成员公司，它们分布在电信、计算机、网络、和消费电子等多重领域。 蓝牙 5.0 在低功耗模式下具备更快更远的传输能力，传输速率是蓝牙 4.2 的两倍（速度上限为 2Mbps），有效传输距离是蓝牙 4.2 的四倍（理论上可达 300 米），数据包容量是蓝牙 4.2 的八倍。

  Wi-Fi :是一种允许电子设备连接到一个无线局域网(WLAN)的技术，通常使用2.4G UFH或5G SHF ISM射频频段。最新的WIFI6支持9.6Gbps的传输速率以及低至20ms的时延。

  Zigbee: ZigBee技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。这一名称（又称紫蜂协议）来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飞翔和“嗡嗡” (zig)地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。ZigBee是一种短距离、低功耗的无线通信技术，特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率。广泛应用于工业和智慧家庭领域。

  Z-Wave：是一种新兴的基于射频的、低成本、低功耗、高可靠、适于网络的短距离无线通信技术，工作频带为908.42MHz(美国)~868.42MHz(欧洲)，采用FSK(BFSK/GFSK)调制方式，数据传输速率为9.6 kbps，信号的有效覆盖范围在室内是30m，室外可超过100m，适合于窄宽带应用场合。 Z-Wave技术设计用于住宅、照明商业控制以及状态读取应用，例如抄表、照明及家电控制、 HVAC、接入控制、防盗及火灾检测等。

• 蜂窝移动网络

  5G网络是第五代移动通信网络，其峰值理论传输速度可达10Gbps,比4G网络的传输速度快数百倍。举例来说，一部1G电影可以在8秒之内下载完成。目前5G技术已经确定了8大关键能力指标：峰值速率达到20Gbps、用户体验数据率达到100Mbps、频谱效率比IMT-A提升3倍、移动性达500公里/时、时延达到1毫秒、连接密度每平方公里达到10的6次方个、能效比IMT-A提升100倍、流量密度每平方米达10Mbps。

• LPWA通信技术

  SigFox:利用超窄带UNB技术，传输功耗水平非常低。SigFox也是商用化速度较快的一个LPWAN网络技术，它采用超窄带技术，使得网络设备消耗50微瓦的功率为双向单向通信或100微瓦。这一协议由SigFox公司拥有，其创始人是法国企业家Ludovic Le Moan，主要打造低攻耗、低成本的无线物联网专用网络。

  LoRa： LoRa是LPWA通信技术中的一种，是美国Semtech公司采用和推广的一种基于扩频技术的超远距离无线传输方案。这一方案改变了以往关于传输距离与功耗的折衷考虑方式，为用户提供一种简单的能实现远距离、长电池寿命、大容量的系统，进而扩展传感网路。目前， LoRa主要在全球免费频段运行。

  NB-IoT: 是基于蜂窝的窄带物联网，其构建于蜂窝网络，只消耗大约180KHz的带宽。可直接部署GSM网络、UMTS网络或LTE网络，以降低部署成本、实现平滑升级。 NB-IoT自身具备的低功耗、广覆盖、低成本、大容量等优势，使其可以广泛应用于多种垂直行业，如远程抄表、资产跟踪、智能停车、智慧农业等。

  eMTC: 是爱立信提出的无线物联网解决方案。eMTC基于LTE接入技术设计了无线物联网络特性，主要面对低速率、深度覆盖、低功耗、大连接的物联网应用场景。

• 无线通信技术对比

  在未来的数百亿个IoT连接中，网络容量要求将有所不同。根据业界的说法， 10％的节点需要高带宽和高速通信技术，例如高速4G， 5G等。 30％的节点需要中速传输技术，主要技术是Cat.1和eMTC； 60％的节点需要低速连接技术，例如NB-IoT， LoRa等。 与NB-IoT相比， Cat.1在通信功能上具有更明显的优势。 NB-IoT适用于仅传输少量数据且处于固定状态的场景。典型的情况是三米（水表，电表，煤气表）。Cat.1不仅可以传输更大的数据，而且具有良好的移动性和语音功能。