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常見的物聯網通信方式

2017/1/5 14:01:08??????點擊:

一、前言

早期的物聯網是指兩個或多個設備之間在近距離內的數據傳輸,解決物物相連,早期多采用有線方式,比如RS323、RS485,考慮設備的位置可隨意移動的方便性(有根線太丑了),后期更多的使用無線方式;

隨著時代進步和發展,社會逐步進入互聯網+,各類傳感器采集數據越來越豐富,大數據應用隨之而來,人們考慮把各類設備直接納入互聯網以方便數據采集、管理以及分析計算。簡而言之,物聯網智能化已經不再局限于小型設備、小網絡階段,而是進入到完整的智能工業化領域,智能物聯網化在大數據、云計算、虛擬現實上步入成熟,并納入互聯網+整個大生態環境。

二、物聯網的發展

最早的物聯網只是簡單把兩個設備用信號線連接在一起:

常見的物聯網通信方式

后來使用了無線,也出現了簡單的組網:

常見的物聯網通信方式

在互聯網+時代,越來越多的傳感器、設備接入互聯網,互聯網也不單是通過網線傳輸,引入了空中網、衛星網等,應用的領域也越來越廣泛:

常見的物聯網通信方式

三、常見的物聯網通信方式

筆者對常用的物聯網通信方式進行歸納總結分為四大種類,見下圖:

常見的物聯網通信方式

1.有線傳輸

設備之間用物理線直接相連,不是很方便。主要有電線載波或載頻、同軸線、開關量信號線、RS232串口、RS485、USB,這里只對常用的RS232串口、RS485、USB做介紹。

RS232串口:串行通信接口,全名是“數據終端設備(DTE)和數據通訊設備(DCE)之間 串行二進制數據交換接口技術標準”,是電腦與其它設備傳送信息的一種標準接口;該標準規定采用一個25個腳的 DB25連接器,對連接器的每個引腳的信號內容加以規定,還對各種信 號的電平加以規定;RS-232屬單端信號傳送,存在共地噪聲和不能抑制共模干擾等問題,因此一般用于20m以內的通信,常用的串口線一般只有1~2米。見圖:

常見的物聯網通信方式

RS-485總線:在要求通信距離為幾十米到上千米時或者有多設備聯網需求時,RS232無法滿足,因此誕生了RS-485 串行總線標準。RS-485采用平衡發送和差分接收,具有抑制共模干擾的能力,加上總線收發器具有高靈敏度,能檢測低至200mV的電壓,使得傳輸信號能在千米以外得到恢復,RS-485采用半雙工工作方式,可以聯網構成分布式系統,用于多點互連時非常方便,可以省掉許多信號線,允許最多并聯32臺驅動器和32臺接收器。

USB:通用串行總線,是一個外部總線標準,支持設備的即插即用和熱插拔功能,具有傳輸速度快、使用方便、連接靈活,獨立供電等優點。USB用一個4針(USB3.0標準為9針)插頭作為標準插頭,采用菊花鏈形式可以把所有的外設連接起來,最多可以連接127個外部設備,并且不會損失帶寬??蛇B接鍵盤、鼠標、打印機、掃描儀、攝像頭、充電器、閃存盤、、移動硬盤、外置光驅/軟驅、USB網卡、ADSL Modem、Cable Modem 、MP3機、手機、數碼相機等幾乎所有的外部設備。已成功替代串口和并口,并成為個人電腦、智能設備的必配接口之一。

常見的物聯網通信方式

2、近距離無線傳輸

設備之間用無線信號傳輸信息。主要有無線RF433/315M、藍牙、Zigbee、Z-ware、IPv6/6Lowpan。

RF433/315M:無線收發模組,采用射頻技術,工作在ISM頻段(433/315MHz),一般包含發射器和接收器,頻率穩定度高,諧波抑制性好,數據傳輸率1K~128Kbps,采用GFSK的調制方式具有超強的抗干擾能力。應用范圍: (1)無線抄表系統 (2)無線路燈控制系統(3)鐵路通信(4)航模無線遙控(5)無線安防報警(6)家居電器控制 (7)工業無線數據采集(8)無線數據傳輸。低功耗的RF433可在2.1-3.6V電壓范圍內工作,在1SEC周期輪詢喚醒省電模式(Polling mode)下,接收僅僅消耗不到20uA,一節3.6V/3.6A的鋰亞電池可工作10年以上。

藍牙(Bluetooth):使用2.4—2.485GHz的ISM波段的UHF無線電波、基于數據包、有著主從架構的一種無線技術標準,可實現固定設備、移動設備和樓宇個人域網之間的短距離數據交換。由藍牙技術聯盟(SIG)管理,IEEE將藍牙技術列為IEEE 802.15.1,但如今已不再維持該標準,藍牙技術擁有一套專利網絡,可發放給符合標準的設備。藍牙使用跳頻技術,將傳輸的數據分割成數據包,通過79個指定的藍牙頻道分別傳輸數據包。每個頻道的頻寬為1 MHz。藍牙4.0使用2 MHz 間距,可容納40個頻道。質量好的無線藍牙耳機電池可以使用時間一般是2-3年,通常是數周。

Zigbee:是基于IEEE802.15.4標準的低速、短距離、低功耗、雙向無線通信技術的局域網通信協議,又稱紫蜂協議。特點是近距離、低復雜度、自組織(自配置、自修復、自管理)、低功耗、低數據速率。ZigBee協議從下到上分別為物理層(PHY)、媒體訪問控制層(MAC)、傳輸層(TL)、網絡層(NWK)、應用層(APL)等,其中物理層和媒體訪問控制層遵循IEEE 802.15.4標準的規定,主要用于傳感控制應用(Sensor and Control)??晒ぷ髟?.4GHz(全球流行)、868MHz(歐洲流行)和915 MHz(美國流行)3個頻段上,分別具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的傳輸速率,單點傳輸距離在10-75m的范圍內, ZigBee是可由一個到65535個無線數傳模塊組成的一個無線數傳網絡平臺,在整個網絡范圍內,每一個ZigBee網絡數傳模塊之間可以相互通信,從標準的75m距離進行無限擴展。ZigBee 節點非常省電,其電池工作時間可以長達6 個月到2 年左右,在休眠模式下可達10 年,下圖是Zigbee的組網圖(該圖來源于網上):

常見的物聯網通信方式

Z-Wave:是由丹麥公司Zensys所一手主導的基于射頻的、低成本、低功耗、高可靠、適于網絡的短距離無線通信技術,工作頻帶為908.42MHz(美國)~868.42MHz(歐洲),采用FSK(BFSK/GFSK)調制方式,數據傳輸速率為9.6 kb~ 40kb/s,信號的有效覆蓋范圍在室內是30m,室外可超過100m,適合于窄寬帶應用場合。Z-Wave采用了動態路由技術,每一個Z-Wave網絡都擁有自己獨立的網絡地址(HomeID);網絡內每個節點的地址(NodeID),由控制節點(Controller)分配。每個網絡最多容納232個節點(Slave),包括控制節點在內。Zensys提供Windows開發用的動態庫(Dynamically Linked Library, DLL),開發者該DLL內的API函數來進行PC軟件設計。通過Z-Wave技術構建的無線網絡,不僅可以通過本網絡設備實現對家電的遙控,甚至可以通過Internet網絡對Z-Wave網絡中的設備進行控制。

IPv6/6Lowpan:基于IPv6的低速無線個域網標準,即IPv6 over IEEE 802.15.4。IEEE 802.15.4標準設計用于開發可以靠電池運行1到5年的緊湊型低功率廉價嵌入式設備(如傳感器)。該標準使用工作在2.4GHz頻段的無線電收發器傳送信息,使用的頻帶與Wi-Fi相同,但其射頻發射功率大約只有Wi-Fi的1%。6LoWPAN的出現使各類低功率無線設備能夠加入IP家庭中,與Wi-Fi、以太網以及其他類型的設備并網;IETF 6LoWPAN技術具有無線低功耗、自組織網絡的特點,是物聯網感知層、無線傳感器網絡的重要技術,ZigBee新一代智能電網標準中SEP2.0已經采用6LoWPAN技術,隨著美國智能電網的部署,6LoWPAN將成為事實標準,全面替代ZigBee標準。

3.傳統互聯網

互聯網發展到現在,基本上所有的軟件系統都運行在互聯網基礎上,人們從互聯網上獲取各類數據,進行交流溝通、工作,基本上所有人都知道互聯網,這里只做簡單描述。

WIFI:基于IEEE 802.11標準的無線局域網,可以看作是有線局域網的短距離無線延伸。組建WIFI只需要一個無線AP或是無線路由器就可以,成本較低。

以太網:包括標準的以太網(10Mbit/s)、快速以太網(100Mbit/s)和10G(10Gbit/s)以太網。它們都符合IEEE802.3,IEEE802.3規定了包括物理層的連線、電信號和介質訪問層協議的內容。

常見的物聯網通信方式

4、移動空中網

移動無線通信技術發展到現在,移動終端直接接入到互聯網世界,隨著通信資費下降以及3G/4G無線模塊成本下降,由于3G/4G可以很方便直接與互聯網通信,越來越多的設備采用移動網技術。

3G/4G:第三和第四代移動通信技術,4G是集3G與WLAN于一體,能夠快速高質量地傳輸數據、圖像、音頻、視頻等。4G可以在有線網沒有覆蓋的地方部署,能夠以100Mbps以上的速度下載,能夠滿足幾乎所有用戶對于無線服務的要求,具有不可比擬的優越性。4G移動系統網絡結構可分為三層:物理網絡層、中間環境層、應用網絡層。