物(wù)联网通信协议——网络协议

2022-06-11

物(wù)联网通信协议——网络协议

物(wù)联网的主要支柱之一是其连接性。它由一个巨大的元素网络组成，包括不同大小(xiǎo)和形状的物(wù)體(tǐ)和人，它们相互连接以收集和共享信息。通常，收集信息并将其用(yòng)于自动化或帮助做出决策。由于数据类型和应用(yòng)程序的多(duō)样性，需要不同的通信和网络协议。

在本文(wén)中，我们将回顾一些主要物(wù)联网协议的主要特征，以及它们的一些优缺点。 

物(wù)联网通信参数

在实现飞跃和部署物(wù)联网解决方案之前，了解每种技术的限制因素至关重要。通信协议是在节点之间建立的一组规则，用(yòng)于以可(kě)靠和安全的方式交换信息。

以下是通信协议的一些主要方面：

速度或数据速率：在一段时间内要传输的信息量。它通常以bps（每秒(miǎo)位数）、kbps、Mbps 或Gbps表示。 

范围： 两个相互通信的节点之间的最大距离。它主要取决于发射功率、使用(yòng)的频带和调制类型。它还可(kě)能(néng)受到气象条件或节点物(wù)理(lǐ)位置的影响。在图 1 中，您可(kě)以看到数据速率与各种物(wù)联网网络协议范围的粗略图表。

图 1.各种物(wù)联网网络协议的数据速率与范围。

功耗：节点在其生命周期内工作所需的能(néng)量。该参数定义了需要永久電(diàn)源或使用(yòng)電(diàn)池。由于有(yǒu)许多(duō)使用(yòng)電(diàn)池的应用(yòng)，因此功耗是一个关键参数。这意味着它将影响其他(tā)元素，例如传感器的数量或通信功率传输。此外，由于電(diàn)池的使用(yòng)寿命有(yǒu)限，因此功耗会对维护策略产生直接影响。

互操作性：节点之间交换信息的能(néng)力，即使它们是不同类型的。

可(kě)扩展性：部署更多(duō)节点、增加最终用(yòng)户数量以及无需迁移技术即可(kě)存储和处理(lǐ)的数据量的挑战。

成本：安装和维护特定技术的价格。功耗、维护和可(kě)扩展性对网络成本有(yǒu)很(hěn)大影响。

网络拓扑： 节点相互通信的方式。拓扑可(kě)以与传统网络中使用(yòng)的相同。星型、网状、点对点和点对多(duō)点是拓扑的一些示例，如图 2 所示。

图 2.不同网络拓扑的示例。

安全性： 保护发送和接收数据的方式。必须确保节点之间传输的通信仅到达预期节点。物(wù)联网技术已经无处不在，它们可(kě)以将敏感信息传达给用(yòng)户；因此，需要保护通信免受第三方的侵害。 

物(wù)联网协议基础

协议允许节点以结构化的方式在它们之间进行交互。由于物(wù)联网设备的需求和用(yòng)例在过去几年中迅速发展，协议也是如此。总而言之，主要有(yǒu)两种类型的协议：网络和数据。这种分(fēn)类来自广泛用(yòng)于IT通信网络的OSI（开放系统互连）模型。

下面您可(kě)以对主要的物(wù)联网网络协议有(yǒu)一个大致的了解。

蓝牙： 该协议工作在2.4 GHz频率范围内，可(kě)用(yòng)于短距离 (<100 m)应用(yòng)。蓝牙低功耗(BLE) 是其发展的又(yòu)一步，它显着降低了该协议所需的功率。这种类型有(yǒu)利于从传感器或可(kě)穿戴设备传输少量数据。图 3 中可(kě)以看到一个示例节点网络布局。 

图 3.智能(néng)家居中的蓝牙物(wù)联网网络节点示例。  

蜂窝：当前的蜂窝基础设施也可(kě)用(yòng)于扩展物(wù)联网节点的通信能(néng)力。根据所选择的频段和特定技术，它可(kě)以适用(yòng)于低功率应用(yòng)（例如2G）以及高数据速率应用(yòng)（例如 LTE）。此外，还有(yǒu)蜂窝通信的子类型，例如LTE-M和NB-IoT，它们的诞生分(fēn)别是為(wèi)了提供更多(duō)的数据带宽或更低的功耗。

LoRaWAN：它是专為(wèi)電(diàn)池供電(diàn)系统设计的低功耗、广域 (LPWA) 协议。它在sub GHz 433/868/915 MHz和2.4 GHz内运行。LoRaWAN网络通常遵循星型拓扑结构，其中元素是：端节点、网关和一组服務(wù)器。OSI参考模型如图 4 所示。 

图 4. LoRa 和 LoRaWan 的OSI参考模型。  

近场通信（NFC）： NFC工作在13.56 MHz频段，范围為(wèi)几厘米。这种类型的通信用(yòng)于扩展密切接触的通信。在NFC中，有(yǒu)一个有(yǒu)源节点（例如智能(néng)手机）生成一个射频场，為(wèi)标签提供能(néng)量。它工作在13.56 MHz的频段，范围為(wèi)几厘米。

Sigfox： Sigfox 使用(yòng)基于技术的超窄带 (UNB)，它在ISM频段中工作，需要专用(yòng)的基础设施。这意味着它可(kě)以在全球范围内使用(yòng)，但需要本地运营商(shāng)。

Wi-Fi： 工作在2.4 GHz 和5 GHz频率下，Wi-Fi 连接因其普遍性和高数据速率而被广泛选择。它的主要缺点是其高功耗，因此它不经常用(yòng)于電(diàn)池供電(diàn)的应用(yòng)中。

Wi-Sun： Wi-Sun 是由Wi-Sun联盟创建的现场區(qū)域网络 (FAN) 协议，旨在实现低功耗和低延迟。它通过网状拓扑在sub GHz频段和2.4 GHz频段运行。

ZigBee： 此通信协议适用(yòng)于2.4 GHz频段，适用(yòng)于受限區(qū)域的短距离 (<100 m)。ZigBee用(yòng)于传输少量信息，即需要真正低延迟的地方，并广泛用(yòng)于行业和消费者应用(yòng)程序。ZigBee RF4CE 旨在取代红外遥控器（例如，電(diàn)视和DVD系统），并且无需在遥控器和设备之间设置视線(xiàn)。

Z-wave：适用(yòng)于家庭自动化应用(yòng)（图 5），工作在 ISM 频段，速率高达100 Kbps。它的应用(yòng)程序遵循网状网络拓扑结构，最多(duō)执行 4 个希望。

图 5. Z-Wave 物(wù)联网网络在家庭中的示例应用(yòng)。

下表（表 1）显示了列出的通信协议的主要特征，按范围排序：

表 1. 通信协议特性