本文主要從5大方面具體介紹了關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)通訊的相關(guān)知識，分別是什么是物聯(lián)網(wǎng)通信、物聯(lián)網(wǎng)通信有哪些通信技術(shù)、有哪些協(xié)議、協(xié)議是如何選擇的以及物聯(lián)網(wǎng)通訊技術(shù)選型考量因素。enjoy~
通信對物聯(lián)網(wǎng)來說十分常用且關(guān)鍵，無論是近距離無線傳輸技術(shù)還是移動通信技術(shù)，都影響著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。
隨著時代進步和發(fā)展，社會逐步進入互聯(lián)網(wǎng)+，各類傳感器采集數(shù)據(jù)越來越豐富，大數(shù)據(jù)應(yīng)用隨之而來，人們考慮把各類設(shè)備直接納入互聯(lián)網(wǎng)以方便數(shù)據(jù)采集、管理以及分析計算。
簡而言之，物聯(lián)網(wǎng)智能化已經(jīng)不再局限于小型設(shè)備、小網(wǎng)絡(luò)階段，而是進入到完整的智能工業(yè)化領(lǐng)域，智能物聯(lián)網(wǎng)化在大數(shù)據(jù)、云計算、虛擬現(xiàn)實上步入成熟，并納入互聯(lián)網(wǎng)+整個大生態(tài)環(huán)境。
一、什么是物聯(lián)網(wǎng)通信
物聯(lián)網(wǎng)的概念是在1999年提出的，簡單而言，物聯(lián)網(wǎng)就是“物物相連的互聯(lián)網(wǎng)”，其核心就是將所有物品通過射頻識別等信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來, 實現(xiàn)智能化識別和管理。物聯(lián)網(wǎng)是指各類傳感器和現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)相互銜接的一個新技術(shù)。
1. 物聯(lián)網(wǎng)分為有線連接和無線連接
連接方式可以分成有線連接和無線連接，我們這里講的連接，其目的都是要進行通信，因此也就分別使用有線通信技術(shù)和無線通信技術(shù)。
2. 物聯(lián)網(wǎng)通信分為短距離通信和長距離通信
有很多的場合人和物只需要跟附近的通信終端通信，例如在家里，辦公室，工廠等等。這個場景一般局域網(wǎng)或者wifi就可以。但是也存在長距離的應(yīng)用場景，例如兩個城市之間的網(wǎng)絡(luò)要連接起來，在高速上的車輛或乘客，甚至是海洋上的漁船。
通常我們把通信距離在100m以內(nèi)的通信稱之為短距離通信，而通信距離超過1000m的稱之為長距離通信。
現(xiàn)實中有很多種通信技術(shù)可以滿足各種不同的通信需求，但是還沒有哪一種通信技術(shù)可以滿足所有的通信需求。
二、物聯(lián)網(wǎng)通信有哪些通信技術(shù)
通信技術(shù)主要是強調(diào)信息從信源到目的地的傳輸過程所使用的技術(shù)，還有一個問題是各種通信技術(shù)之間如何能協(xié)同工作呢？
為此，國際標(biāo)準化組織提出了開放系統(tǒng)互連參考模型OSI，也就是網(wǎng)絡(luò)分成了物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會話層、表示層和應(yīng)用層。也就是這個偉大的標(biāo)準最終形成了互聯(lián)網(wǎng)，以及無所不連的物聯(lián)網(wǎng)。
1. 有線通信：以太網(wǎng)
以太網(wǎng)（Ethernet）是一種局域網(wǎng)通信技術(shù)， IEEE組織的IEEE 802.3標(biāo)準制定了以太網(wǎng)的技術(shù)標(biāo)準，它規(guī)定了包括物理層的連線、電子信號和介質(zhì)訪問層協(xié)議的內(nèi)容。
以太網(wǎng)使用雙絞線作為傳輸媒介，在沒有中繼的情況下，最遠可以覆蓋200米的范圍。最普及的以太網(wǎng)類型數(shù)據(jù)傳輸速率為100Mb/s，更新的標(biāo)準則支持1KMb/s和10KMb/s的速率。
2. 有線通信：串口通信技術(shù)
串口（Serial port）是一種非常通用的用于設(shè)備之間通信的接口，也廣泛用于設(shè)備以及儀器儀表之間的通信。常見的串口有RS-232（使用 25 針或 9 針連接器）和工業(yè)電腦應(yīng)用的半雙工RS-485與全雙工RS-422。
3. 有線通信：Modbus
和同前面幾種通信技術(shù)不一樣，通常認為Modbus只是使用串行方式進行通信的應(yīng)用層協(xié)議標(biāo)準，它并不包含電氣方面的規(guī)范。
Modbus最初是Modicon于1979年為使用可編程邏輯控制器（PLC）通信而發(fā)表的，后來衍生出Modbus RTU，Modbus ASCII和Modbus TCP三種模式，前兩種所用的物理接口是上面介紹的串口，后一種使用Ethernet接口。
4. 無線短距通信：Wi-Fi
Wi-Fi是一種無線局域網(wǎng)通信技術(shù)，全稱Wireless-Fidelity，無線保真，通信距離通常在幾十米。
Wi-Fi的缺點是通信距離有限，穩(wěn)定性差，功耗較大，組網(wǎng)能力差。
5. 無線短距通信：藍牙
藍牙（BlueTooth）是一種設(shè)備之間進行無線通信的技術(shù)，曾經(jīng)標(biāo)準化為IEEE 802.15.1，現(xiàn)在藍牙技術(shù)聯(lián)盟（SIG）來負責(zé)維護其技術(shù)標(biāo)準，藍牙標(biāo)準最新版本藍牙5在2016年6月被宣布。
藍牙使用短波特高頻（UHF）無線電波，經(jīng)由2.4至2.485GHz的ISM頻段來進行通信，通信距離從幾米到幾百米不等。
Bultooth Smart技術(shù)的藍牙設(shè)備之間可以直接“對話”。但是藍牙的缺點主要是其各個版本不兼容，安全性差（4.0以后得到改進），組網(wǎng)能力差，以及在2.4GHz頻率上的電波干擾問題等等。
6. 無線短距通信：ZigBee
ZigBee被標(biāo)準化為IEEE 802.15.4，工作頻段有三個：868MHz-868.6MHz、902MHz-928MHz和2.4GHz-2.4835GHz，其中最后一個頻段世界范圍內(nèi)通用，16個信道，并且該頻段為免付費、免申請的無線電頻段。
三個頻段傳輸速率分別為20kbps，40kbps以及250kbps。但是實際中ZigBee遠沒有像Wi-Fi或者藍牙那樣得到廣泛的應(yīng)用，這是由于它復(fù)雜，成本高，抗干擾性差，ZigBee協(xié)議沒有開源，以及和IP協(xié)議不的對接比較復(fù)雜等等又限制了它在實際中的應(yīng)用。
7. 無線短距通信：LoRa
LoRa來源于Long Range這個單詞，是一種長距離通信的通信技術(shù)。LoRa技術(shù)基于線性Chirp擴頻調(diào)制，延續(xù)了移頻鍵控調(diào)制的低功耗特性，但是大大增加了通信范圍。
LoRa技術(shù)應(yīng)用典型場景包括：超長電池壽命（幾年），節(jié)點之間長距離通信，低速率（如每小時只要傳遞幾次數(shù)據(jù)）。和NB-IoT技術(shù)一樣，也可以犧牲低功耗指標(biāo)來提高速率。
8. 無線遠距通信GPRS
GPRS是通用分組無線電服務(wù)（General Packet Radio Service）的縮寫，GPRS是終端和通信基站之間的一種遠程通信技術(shù)。
最后，由于移動通信終端的普及，其成本已經(jīng)大大降低，因此在物聯(lián)網(wǎng)中采用GPRS通信技術(shù)，其硬件成本相比Wi-Fi或者ZigBee都有較大的優(yōu)勢。
但是GPRS終端在通信時要使用電信運營商的基礎(chǔ)設(shè)施，因此需要繳納的費用，即數(shù)據(jù)流量費，這個服務(wù)費用限制了大量設(shè)備連接到網(wǎng)絡(luò)。
GPRS的速率較低，是另外一個問題。 GPRS通信質(zhì)量受信號強弱影響較大，無信號覆蓋或者較弱的地方通信效果很差，可能影響業(yè)務(wù)的完成。
9. 無線近距通信：NFC
NFC，Near-field communication，中文常翻譯為近場通信。NFC是一種短距高頻的無線電技術(shù)，屬于RFID技術(shù)的一種，工作頻率在13.56MHz，有效工作距離在20cm以內(nèi)。其傳輸速度有106Kb/s、212Kb/s或者424Kb/s三種。通過卡、讀卡器以及點對點三種業(yè)務(wù)模式進行數(shù)據(jù)讀取與交換。
但是NFC沒有其他無線通信那種無線信號被竊聽的風(fēng)險，但是其NFC卡過于簡單以及被動式響應(yīng)的設(shè)計也是不安全的因素。見到報道的風(fēng)險例如：即NFC銀行卡內(nèi)的交易信息，很容易被其他讀卡器，甚至智能手機讀取。
三、物聯(lián)網(wǎng)通信有哪些協(xié)議
我們將物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議分為兩類，一類是傳輸協(xié)議，另一類是通信協(xié)議。 傳輸協(xié)議通常負責(zé)子網(wǎng)中設(shè)備之間的聯(lián)網(wǎng)和通信。
我們之前已經(jīng)為每個人做過一門科學(xué)，并且對文章進行了詳細介紹。 通信協(xié)議主要是運行在傳統(tǒng)Internet TCP / IP協(xié)議上的設(shè)備通信協(xié)議，并負責(zé)通過Internet在設(shè)備之間進行數(shù)據(jù)交換和通信。
1. HTTP協(xié)議
HTTP協(xié)議是典型的CS通訊模式，由客戶端主動發(fā)起連接，向服務(wù)器請求XML或JSON數(shù)據(jù)。該協(xié)議最早是為了適用web瀏覽器的上網(wǎng)瀏覽場景和設(shè)計的，目前在PC、手機、pad等終端上都應(yīng)用廣泛，但并不適用于物聯(lián)網(wǎng)場景。
2. REST/HTTP（松耦合服務(wù)調(diào)用）
REST （RepresentationalState Transfer），表征狀態(tài)轉(zhuǎn)換，是基于HTTP協(xié)議開發(fā)的一種通信風(fēng)格，目前還不是標(biāo)準。
適用范圍：REST/HTTP主要為了簡化互聯(lián)網(wǎng)中的系統(tǒng)架構(gòu)，快速實現(xiàn)客戶端和服務(wù)器之間交互的松耦合，降低了客戶端和服務(wù)器之間的交互延遲。因此適合在物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用層面，通過REST開放物聯(lián)網(wǎng)中資源，實現(xiàn)服務(wù)被其他應(yīng)用所調(diào)用。
3. CoAP協(xié)議
CoAP （ConstrainedApplication Protocol），受限應(yīng)用協(xié)議，應(yīng)用于無線傳感網(wǎng)中協(xié)議。
適用范圍：CoAP是簡化了HTTP協(xié)議的RESTful API，CoAP是6LowPAN協(xié)議棧中的應(yīng)用層協(xié)議，它適用于在資源受限的通信的IP網(wǎng)絡(luò)。
4. MQTT協(xié)議（低帶寬）
MQTT （MessageQueuing Telemetry Transport ），消息隊列遙測傳輸，由IBM開發(fā)的即時通訊協(xié)議，相比來說比較適合物聯(lián)網(wǎng)場景的通訊協(xié)議。
MQTT協(xié)議采用發(fā)布/訂閱模式，所有的物聯(lián)網(wǎng)終端都通過TCP連接到云端，云端通過主題的方式管理各個設(shè)備關(guān)注的通訊內(nèi)容，負責(zé)將設(shè)備與設(shè)備之間消息的轉(zhuǎn)發(fā)。
5. DDS協(xié)議（高可靠性、實時）
DDS（DataDistribution Service for Real-Time Systems），面向?qū)崟r系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分布服務(wù)，這是大名鼎鼎的OMG組織提出的協(xié)議，其權(quán)威性應(yīng)該能證明該協(xié)議的未來應(yīng)用前景。
6. AMQP協(xié)議（互操作性）
AMQP（AdvancedMessage Queuing Protocol），先進消息隊列協(xié)議，這是OASIS組織提出的，該組織曾提出OSLC（OpenSource Lifecyle）標(biāo)準，用于業(yè)務(wù)系統(tǒng)例如PLM，ERP，MES等進行數(shù)據(jù)交換。
適用范圍：最早應(yīng)用于金融系統(tǒng)之間的交易消息傳遞，在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，主要適用于移動手持設(shè)備與后臺數(shù)據(jù)中心的通信和分析。
7. XMPP協(xié)議（即時通信）
XMPP（ExtensibleMessaging and Presence Protocol）可擴展通訊和表示協(xié)議，XMPP的前身是Jabber，一個開源形式組織產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)即時通信協(xié)議。XMPP目前被IETF國際標(biāo)準組織完成了標(biāo)準化工作。
即時通信的應(yīng)用程序，還能用在網(wǎng)絡(luò)管理、內(nèi)容供稿、協(xié)同工具、檔案共享、游戲、遠端系統(tǒng)監(jiān)控等。
8. JMS（Java Message Service）
JMS （JavaMessage Service），JAVA消息服務(wù)，這是JAVA平臺中著名的消息隊列協(xié)議。
Java消息服務(wù)（JavaMessage Service）應(yīng)用程序接口，是一個Java平臺中關(guān)于面向消息中間件（MOM）的API，用于在兩個應(yīng)用程序之間，或分布式系統(tǒng)中發(fā)送消息，進行異步通信。Java消息服務(wù)是一個與具體平臺無關(guān)的API，絕大多數(shù)MOM提供商都對JMS提供支持。
四、物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的選擇
1. 發(fā)布/訂閱服務(wù)更適合物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下通信
DDS、MQTT、AMQP和JMS都是基于發(fā)布/訂閱模式，發(fā)布/訂閱框架具有服務(wù)自發(fā)現(xiàn)、動態(tài)擴展、事件過濾的特點，它解決了物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在應(yīng)用層的數(shù)據(jù)源快速獲取、物的加入和退出、興趣訂閱、降低帶寬流量等問題，實現(xiàn)物的聯(lián)接在空間上松耦合（雙方無需知道通信地址）、時間上松耦合和同步松耦合。
2. 服務(wù)質(zhì)量（QoS）是物聯(lián)網(wǎng)通信中的重要考慮因素
在服務(wù)策略的幫助下，DDS能夠有效地控制和管理網(wǎng)絡(luò)帶寬、內(nèi)存空間等資源的使用，同時也能控制數(shù)據(jù)的可靠性、實時性和數(shù)據(jù)的生存時間，通過靈活使用這些服務(wù)質(zhì)量策略，DDS不僅能在窄帶的無線環(huán)境上，也能在寬帶的有線通信環(huán)境上開發(fā)出滿足實時性需求的數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)。
五、物聯(lián)網(wǎng)通訊技術(shù)選型考量因素
上面介紹了幾種通訊技術(shù)，下面，我們介紹選擇通訊技術(shù)時需要考量的幾個點。
1. 覆蓋范圍
覆蓋范圍是指節(jié)點（終端）和網(wǎng)關(guān)（基站）的有效通信范圍，是衡量通信技術(shù)的一個重要指標(biāo)。物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用通常是具備數(shù)據(jù)量小、設(shè)備數(shù)量多、分布散等特點，因此覆蓋范圍便是很重要的一個因素。
覆蓋范圍越大需要的基站數(shù)量也就越少，同時基站和布設(shè)的成本以及難度也會大大降低。在覆蓋范圍上LoRa、NB-IOT、ZETA的覆蓋范圍都是在數(shù)十公里上的，ZigBee和藍牙都是在百米以內(nèi)。
如果你的應(yīng)用場景需要覆蓋范圍廣是硬性指標(biāo)，那么就不用考慮后面兩種了。從上圖可以看來，通常情況下通訊頻段越低其覆蓋范圍越大，這里主要是因為越低的頻段在空氣和物體中傳播時衰減越小，反之亦然。
2. 通信速率
通信速率是節(jié)點或網(wǎng)關(guān)在時間內(nèi)可以傳輸數(shù)據(jù)的數(shù)量。假設(shè)一個網(wǎng)關(guān)的通信速率是10kbps（1280字節(jié)），一個傳感器的一次數(shù)據(jù)是8字節(jié)。
那么也就是說這個網(wǎng)關(guān)或節(jié)點最多每秒可以收發(fā)1280字節(jié)/8字節(jié)=160個傳感器的數(shù)據(jù)。當(dāng)然這只是理論值，實際會因避免數(shù)據(jù)沖突以及數(shù)據(jù)下發(fā)等因素影響。通訊速率和網(wǎng)關(guān)的信道數(shù)量有關(guān)，信道越多速率越高。
在常用通訊技術(shù)上來說一般是速率越高越好，不過在物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)本身特性就沒有特別大的數(shù)據(jù)量需要傳輸，因此在考慮通訊速率時主要考慮在一個區(qū)域下有多少設(shè)備？會產(chǎn)生多大的并發(fā)數(shù)據(jù)量？什么通訊技術(shù)的網(wǎng)關(guān)可以承載這些數(shù)量，以此選擇適合的通訊技術(shù)并預(yù)留一些冗余即可。
3. 通信頻段
頻段指的是電磁波的頻率范圍，單位為Hz，我們常說的2.4G或5GWIFI其實指的就是頻段。無線電的頻段是有免授權(quán)和授權(quán)兩種類型的，像是WIFI用的2.4G、5G和LoRa在中國使用的470~510MHz等都是免授權(quán)頻段，因此我們可以直接免費使用。
還有一些頻段是受國家管制的，是需要向國家申請才可使用。因此我們選擇頻段的時候需要考慮頻段是否需要授權(quán)，如果是非授權(quán)頻段也要考試頻段是否擁擠？以及如何處理同頻段干擾問題。
無線電的頻段越高其數(shù)據(jù)的傳輸速率也就越高，當(dāng)然功耗隨之增加。物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)很多的設(shè)備通常都是數(shù)據(jù)量小、使用電池供電，所以需要設(shè)備盡可能降的低功耗，像是WiFi這種高功耗的通訊技術(shù)使用場景就非常有限了，通常只會用在小范圍內(nèi)的有源設(shè)備上。
4. 運營商網(wǎng)絡(luò)&私有網(wǎng)絡(luò)
運營商網(wǎng)絡(luò)是指聯(lián)通、移動、電信等公司搭建的通訊網(wǎng)絡(luò)，這類網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)是運營商搭建的，因此是不可以通過此類網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)本地設(shè)備的局域網(wǎng)通訊，也無法實現(xiàn)本地多數(shù)據(jù)源的邊緣計算。
運營商網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍大、信號穩(wěn)定、用戶接入即可使用，當(dāng)然也是需要支付通訊費用。
像是共享單車這類數(shù)據(jù)量小、設(shè)備分散且不固定的應(yīng)用場景，使用運營商網(wǎng)絡(luò)是最適合的，但如果是場地固定、設(shè)備集中或需要多數(shù)據(jù)源以及大量數(shù)據(jù)的邊緣計算場景，那么搭建私有網(wǎng)絡(luò)是比較合適的，這樣會省去很多通訊費用，并且數(shù)據(jù)的響應(yīng)速度也會比較快。
5. 功耗
功耗是物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)一直要做取舍和頭疼的問題，除了上面說的頻段越高，傳輸速率越大，能耗越高之外，還有一個影響功耗的因素就是通訊協(xié)議。
像是WIFI這類通訊協(xié)議相對比較復(fù)雜，并且會保持長連接，因此會比較費電。而像是LoRa、ZigBee、NB-IOT這類技術(shù)的通訊協(xié)議簡單報文長度短，且具備多種工作模式，可以根據(jù)應(yīng)用場景調(diào)整工作模式從而實現(xiàn)減低功耗的目的。
6. 單跳&多跳通訊
單跳的通訊方式是節(jié)點——網(wǎng)關(guān)——云端，也就是說節(jié)點的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)關(guān)直接上云，不可以在網(wǎng)關(guān)之間進行路由轉(zhuǎn)發(fā)。
這種方式單個網(wǎng)關(guān)的信號范圍就是其可以使用的范圍，如果想覆蓋更大或更遠的范圍則只能增加網(wǎng)關(guān)，但是每個網(wǎng)關(guān)需要連接以太網(wǎng)進將數(shù)據(jù)上云，因此網(wǎng)關(guān)的聯(lián)網(wǎng)成本和復(fù)雜度較高，需要網(wǎng)關(guān)布設(shè)的地方同時具備電源和網(wǎng)絡(luò)覆蓋。
多跳通訊方式是節(jié)點——網(wǎng)關(guān)——中繼——云端的架構(gòu)，也就是說數(shù)據(jù)可以在網(wǎng)關(guān)和中繼之間做路由跳轉(zhuǎn)，最后通一個網(wǎng)關(guān)將多個中繼下終端的數(shù)據(jù)上云。
這種多跳方式可以通過增加中繼覆蓋更大或更遠的范圍，并且只需要一個網(wǎng)關(guān)具備數(shù)據(jù)上云能力即可。這樣的話哪些中繼設(shè)備只需要有電源供應(yīng)即可，甚至可以使用電池供電，這樣布設(shè)成本和布設(shè)難度將大大降低。
這種方式最適合的應(yīng)用場景是高壓線路的通訊等范圍大、數(shù)據(jù)量小方面的應(yīng)用，因為一般高壓電基站都是在空曠的田野或山區(qū)中假設(shè)，相聯(lián)網(wǎng)相對比較麻煩，通過多跳通訊只要一個網(wǎng)關(guān)能聯(lián)網(wǎng)上云就可以帶動很多網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)上云。
LoRa等通訊都是屬于單跳通訊，ZETA、ZigBee、WIFI、藍牙等通訊是屬于多跳通訊。在使用多跳通訊的時候需要注意的是上云網(wǎng)關(guān)通訊速率的大小直接限制了通過它上云網(wǎng)關(guān)的總通訊速率大小。
總結(jié)
在萬物互聯(lián)的時代，不同場景下的各種傳感器如何選擇合適的物聯(lián)網(wǎng)通信方式至關(guān)重要，對于系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性有很大影響。了解各種通信技術(shù)和通信協(xié)議是硬件AI產(chǎn)品經(jīng)理的必修課。
#專欄作家#
老張，人人都是產(chǎn)品經(jīng)理專欄作家。AI產(chǎn)品經(jīng)理，專注于自然語言處理和圖像識別領(lǐng)域?，F(xiàn)智能保險創(chuàng)業(yè)公司合伙人，希望與人工智能領(lǐng)域創(chuàng)業(yè)者多多交流。
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