智慧城市让生活更美好!

谈一谈物联网通信技术那些事!

  通信圈里,技术追求一直在不断进步,说到物联网,各通信厂商已经开始吊胃口了。

  

 

  物联网的无线通信技术标准很多,按传输距离可以分为两类:一类是蓝牙/BLE、WiFi、Zigbee、Z-wave等适合局域网的短距离通信技术;另一类是LPWAN(low-power Wide-Area Network,低功耗广域网),即广域网通信技术。

 

  LPWAN又可分为两类:一类是工作于未授权频谱的LoRa、SigFox等技术;另一类是工作于授权频谱下,3GPP支持的2/3/4/5G蜂窝通信技术,比如EC-GSM、eMTC、NB-IoT等。

  

 

  【蓝牙】

    蓝牙(Bluetooth)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。正如爱立信蓝牙组负责人所说,设计蓝牙的最初想法是“结束线缆噩梦”。后来由蓝牙技术联盟(Bluetooth Special Interest Group,Bluetooth SIG)制定技术标准。蓝牙(Bluetooth)是一种近距离无线技术的标准,它可实现移动设备、固定设备和楼宇个人域网之间的短距离数据进行交换(使用2.4—2.485GHz的ISM波段的UHF无线电波),特别是蓝牙智能或蓝牙低能耗(BLE)是物联网应用中的重要协议。

 

  BLE即Bluetooth low energy。蓝牙4.0开始支持BLE。BLE主要面向微型无线传感器或使用完全异步通信的遥控器等。这些设备发送的数据量非常少(通常几个字节),而且发送次数也很少(例如每秒几次到每分钟一次,甚至更少。如健康领域:手机监测血压;体育领域:手机计步器等。蓝牙5.0标准已推出。但蓝牙也有很明显的短板:连接设备有限(理论上 7 个设备),不能自组网。

  

  【WIFI】

    WIFI是一种允许电子产品连接到无线局域网(WLAN)的技术,WIFI通常使用2.4G UH射频频段。连接到局域网中通常有密码保护也有开放性的,只要在WIFI信号覆盖范围之内的区域都可以搜索到WIFI信号,这样就被允许在任何WLAN范围内的设备可以连接上。目前WIFI在家庭、商场和企业中使用最常见的WIFI标准是802.11n,其提供了在数百兆比特每秒的严格吞吐量,这对文件传输是具有一定优势的,但对许多物联网应用中WIFI是比较耗电的。

  

 

  有一个普遍的观点是,凡是可以接入 220V 市电的智能设备,不需要考虑耗电问题,这时通过 WiFi 连接是最好的选择。但对于体积小、安装位置不固定的物联网设备来说,要想获得长久的续航时间,使用 WiFi 自然是不可行的,而且 WiFi 技术在安全性方面也有所欠缺,这可能会成为悬在智能家居头上的一把达摩克利斯之剑。

  【NFC】

    NFC,Near-fieldcommunication,中文常翻译为近场通信。NFC是一种短距高频的无线电技术,属于RFID技术的一种,工作频率在13.56MHz,有效工作距离在20cm以内。其传输速度有106Kb/s、212Kb/s或者424Kb/s三种。通过卡、读卡器以及点对点三种业务模式进行数据读取与交换。NFC最早是于2002年由飞利浦半导体、诺基亚和索尼共同研发。2004年,NFC论坛成立,致力于近场通信技术的标准化和推广。NFC通信技术目前在移动支付和消费类电子等方面有广泛的应用。例如很多手机都已经支持NFC应用,公交卡这类的小额支付系统都是使用的NFC技术。

  

  缺点:NFC没有其他无线通信那种无线信号被窃听的风险,但是其NFC卡过于简单以及被动式响应的设计也是不安全的因素。见到报道的风险例如:即NFC银行卡内的交易信息,很容易被其他读卡器,甚至智能手机读取。另外,如通信距离短,通信速率低,也是它的缺点,这限制了NFC只适合特定的某些物联网应用。

  【射频RF】

 

    射频其实就是射频电流,它是一种高频交流变化电磁波的简称,又称小无线。可以辐射到空间的电磁频率,其频率范围从300KHZ`300GHZ之间,电流变化每秒小于1000次就是低频电流,每秒变化大于10000次的就是高频电流,而射频就是电流变化每秒大于10000次的高频电流。射频系统是由标签(Tag,即射频卡)、天线和阅读器三个部分组成。

  

 

  【Zigbee】

    Zigbee(又称紫蜂协议)来源于蜜蜂的八字舞,其优点是低功耗、自组织、低复杂度、短距离、低数据速率。Zigbee跟蓝牙一样具有大量的操作基础和应用领域, Zigbee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议,根据国际规定标准,Zigbee技术是一种低功耗、近距离的无线通信技术。ZigBee是一种无线连接,可工作在2.4GHz(全球流行)、868MHz(欧洲流行)和915MHz(美国流行)3个频段上,分别具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的传输速率,它的传输距离在10-75m的范围内,但可以继续增加。

  

 

  与蓝牙的点对点传输方式相比,ZigBee 协议的优势在于自组网能力,最多支持 65000 个设备组网;对于智能家居来说,ZigBee 协议还有一个宝贵的优点就是它的安全性很高,至今全球尚未出现一起破解先例。

 

  目前在智能家居领域有很多厂商的产品都是基于ZigBee技术的,可以说ZigBee技术在智能家居(HA: Home Automation)协议方面占据了半壁江山。现在市面比较常见的Zigbee产品应用就是小米的智能网关。利用一个中心控制系统(网关)通过Zigbee通信协议连接多个智能设备,该中央控制系统通过WIFI与手机链接,实现远程智能控制。

  

 

  【Z-Wave】

    Z-Wave是由丹麦公司Zensys所一手主导的无线组网规格,Z-wave联盟(Z-wave Alliance)虽然没有ZigBee联盟强大,但是Z-wave联盟的成员均是已经在智能家居领域有现行产品的厂商,该联盟已经具有160多家国际知名公司,范围基本覆盖全球各个国家和地区。不同于ZigBee技术的近距离无线组网通信技术,Z-Wave锁定的技术平台就是家庭自动化,是由芯片与软件开发商Zensys与另外多家组建的一个新的联盟——Z-Wave联盟,推动在家庭自动化领域采用Z-Wave协议。Cisco,Intel相继投资Zensys,并加入Z-Wave联盟。微软也是Z-Wave联盟成员。

  

 

    为何Z-wave在智能家居方面占据了强势地位呢?这主要基于Z-Wave的属性。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9.6kbps,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。

  虽然 Z-Wave 具有结构简单,性能可靠的特点,但目前想获得Z-Wave 芯片的授权还比较困难,更为关键的是 Z-Wave 所用频段(865.2MHz-956MHz)在我国是非民用的。

  

  以上是短距离通信技术。下面介绍广域网通信技术。物联网的快速发展对无线通信技术提出了更高的要求,专为低带宽、低功耗、远距离、大量连接的物联网应用而设计的LPWAN(low-power Wide-AreaNetwork,低功耗广域网)快速兴起。物联网应用需要考虑许多因素,例如节点成本,网络成本,电池寿命,数据传输速率(吞吐率),延迟,移动性,网络覆盖范围以及部署类型等。

 

  

 

  

 

  【LoRa】

    LoRa是LongRange的缩写,是LPWAN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,进而扩展传感网络。目前,LoRa 主要在全球免费频段运行,包括433、868、915 MHz等。LoRa技术具有远距离、低功耗(电池寿命长)、多节点、低成本的特性。

    LoRa使用的是免授权ISM频段,但各国或地区的ISM频段使用情况是不同的。在中国市场,由中兴主导的中国LoRa应用联盟(CLAA)推荐使用了470-518MHz。而470-510MHz这个频段是无线电计量仪表使用频段。由于LoRa是工作在免授权频段的,无需申请即可进行网络的建设,网络架构简单,运营成本也低。

 

  LoRa的商业模式是通过垄断核心芯片的制造和销售来获利。Semtech公司提供建网技术和标准,支持合作者开发硬件和网络,鼓励建设用于公用或私用的网络。随着网络规模的扩张,对于核心芯片的需求也会越来越大,芯片卖得越多,Semtech公司就越赚钱。

  【SigFox】

 

    SIGFOX是一家法国公司,成立于2009年,是低功耗广域网的开山鼻祖,创建了连接低功耗设备的无线网络,主要用于低功耗物联网,如:电表等,这类应用需要连续地发送少量的数据。目前火热的LPWA技术,最先是从非授权频谱技术开始发展的,2009年成立的Sigfox就是第一家进入了该领域的公司。他们研发了一套非常简单的通信协议,可以运行在非授权频谱上,覆盖范围高达3-10公里,在低频使用的情况下可提供数年的电池寿命。在欧洲广泛使用868MHz,在美国是915MHz。

  

 

  Sigfox的商业模式恰恰与LoRa相反,Sigfox放弃了大部分硬件收入,通过销售软件技术和网络服务来实现盈利。Sigfox把所有硬件产品都开放给生产合作伙伴,这就是Sigfox能把模组价格做到低廉的关键所在,但是芯片、模块等硬件价格低,对厂商并不是一件好事,它等于没有利润。另外,Sigfox公司既是标准制定者,也是网络运营商。它拥有建设网络相关的所有核心技术,采取和电信运营商合作或者自建网络的方式部署网络,通过控制network和Cloud获利。其终极目标是从物联网的每一条数据中都能分得一杯羹,这无疑是动了电信运营商的奶酪。在前期,这一模式对电信运营商还是有吸引力的。Sigfox网络已覆盖法国、西班牙全全境,美国、荷兰和英国部分城市。

  【EC-GSM】

    扩展覆盖GSM技术EC-GSM(ExtendedCoverage-GSM [1] )。延伸覆盖版的GSM技术,称为Extended Coverage GSM(EC-GSM-IoT),运用此技术,现有已布建的GSM(2G)基地台也能更适合用于物联网应用,相同的GSM基地台,可以拥有更大的通讯覆盖面积,支援更多GSM终端节点的通讯。按照3GPP的说明,EC-GSM-IoT在GMSK的调制方式下可以达到70-350kbps的上下行速率,8PSK调制下的速率则可以达到240kbps。3GPP同样要求符合EC-GSM-IoT标准的终端模块能够在5Wh的电量下至少待机10年。EC-GSM-IoT的单基站容量最多可以达到5万个结点,相比普通GPRS,在33dBm功率水平下的覆盖范围提升了20dB,这一点与NB-IoT相当。独立部署EC-GSM需要的最小组网频谱是2.4MHz,运营商重新规划这段频谱的难度较大。很多运营商己决定GSM退网,其产业链前景不明朗。

 

  在3GPP规范中,有三种授权频谱的物联网无线连接技术,分别是NB-IoT、eMTC、EC-GSM。EC-GSM是基于GSM(2G)技术的,现在基本上不关注了。所以,重点就是NB-IoT和eMTC。

  【eMTC】

    LTE-M,即LTE-Machine-to-Machine,LTE-机器到机器,是基于LTE演进的物联网技术,在R12中叫Low-Cost MTC,在R13中被称为LTE enhanced MTC(LTE enhancements for Machine Type Communications) ,即eMTC,增强型机器类通信,旨在基于现有的LTE载波满足物联网设备需求。eMTC基于蜂窝网络进行部署,支持上下行最大1Mbps的峰值速率,属于物联网中速率,其用户设备通过支持1.4MHz的射频和基带带宽,可以直接接入现有的LTE网络。eMTC被称为运营商切入物联网的第二张牌。

 

  eMTC在智能物流上,具有防盗、防调换、实时温度传感和可定位优势;能够实时监控及定位,将信息记录及上传,可以对行驶轨迹查询。在智能可穿戴设备中,可支持健康监测、视频业务、数据回传和定位。eMTC也可以以屏为抓手,为运营商管道增值,这些应用场景包括:智能充电桩、候机宝、电梯卫士、智能公交站牌、公共自行车管理等方面。

  【NB-IoT】

    国内三大运营商都在推NB-IoT技术,窄带物联网(Narrow Band Internet of Things, NB-IoT)成为万物互联网络的一个重要分支。NB-IoT构建于蜂窝网络,只消耗大约180KHz的带宽,可直接部署于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有以下四大特征:

  NB-IoT网络架构如下:

  一表看懂四大低功耗广域网技术区别:

  NB-IoT在畜牧业中的应用

  畜牧业主要分为圈养和放养,中国的北部和西部边疆为主要放牧区,放养的优势在于牲畜肉质品质高、降低饲料成本等,但是随之而来的是在牲畜管理上的诸多不便。科学养殖必定会成为未来发展的趋势。

  牛、羊群个体规模庞大,GPRS基站容量会有不足的情况,电池续航会存在问题,农场都比较偏远,信号覆盖强度也会有问题,可能导致数据无法传输…NB-IoT技术的诞生,完美解决一系列困扰。

  

  NB-IoT在远程抄表中的应用

  水气表和我们的生活息息相关,NB-IoT远程抄表在继承了GPRS远程抄表功能的同时还拥有海量容量,相同基站通讯用户容量是GPRS远程抄表的10倍。更低功耗,在相同的使用环境条件下NB-IoT终端模块的待机时间可长达十年以上。新技术信号覆盖更强(可覆盖到室内与地下室)。更低的模块成本,预期的单个连接模块不超过1美元,以后还会更低。

 

  NB-IoT在井盖监控中的应用

  井盖被盗或者破坏不仅会直接造成公共财产的损失,而且还可能会对附近的行人和车辆造成不可挽回的人身伤害和经济损失。

 

    使用NB-IoT对井盖进行定位监测管理,可以及时掌握井盖的状态信息,并在井盖移动或者被破坏时利用NB-IoT网络向服务器发出警报通知管理人员,从而最大程度避的免伤害与损失。

  NB-IoT在智能家居中的应用(智能锁)

  目前智能锁使用非机械钥匙作为用户识别ID的技术,主流技术有,感应卡,指纹识别,密码识别,面部识别等,极大的提高了门禁的安全性,但是以上安全性的前提是通电状态下,如果处于断电状态下智能锁则形同虚设。

  使用NB-IoT技术应用于智能家居系统,NB-IoT拥有低功耗的特点,仅使用两节AA电池可待机十年,采集各项基本数据,将数据传输到服务器,采集到异常数据自动向用户发出警报。

  NB-IoT用于路灯监控

  每当夜幕降临,城市中各种各样、色彩缤纷的路灯亮起,为城市披上了一层绚丽的外衣。

  采用NB-IoT无线网络,实现远程分布式远程控制,分时间段控制道路两侧路灯全亮、全关、隔杆亮灯,系统能够根据当地情况灵活调整时间控制路灯,路灯故障检测功能,主动上报故障路灯位置。

  

  NB-IoT在消防系统中的应用(烟感器)

  新闻报道里时常有火灾发生,烟雾传感器是消防系统的哨兵,可实时检测烟雾,传感器检测到烟雾浓度超标,会发送信息到后台服务器,并启动警铃,广播喇叭等相关设备,在实际应用中按照消防要求,烟感器的安装分布密集,不方便走线并且成本大。

  使用NB-IoT无线烟感器可避免走线困难的问题,大大节约了安装成本。

  NB-IoT应用于资产定位追踪系统

  随着信息化和各种智能终端设备的深入发展,人员及资产定位的需求将持续升温。位置服务领域的应用也呈现出碎片化的特点,如:智慧园区的资产盘点,医疗废弃物跟踪处理,宠物的定位...

  NB-IoT技术,对于定位资产追踪无论是在室内隐秘地段还是室外的区域的物件都可以产生连接。NB-IoT技术,其低功耗,广覆盖,低成本,小尺寸等特点使得其将成为资产追踪领域不可或缺的通信方式。

  2018年12月6日~7日 ,由华强聚丰旗下电子发烧友网主办“2018中国IoT大会”将在深圳科兴科学园国际会议中心召开,届时,来自高通、华为、微软、ARM、Silicon Labs、安森美、ST、Qorvo、瑞萨、NXP、Cypress、Honeywell、AMS、Dialog、IDT、Imagination、MathWorks、周立功、Sigfox、Keysight、东芝、美的、海尔等的专家将齐聚深圳,共同探讨推进物联网在国内的发展。

  

 

  

上一篇:澳大利亚国立大学智能物联网的冬季学习之旅!

下一篇:年度科技盛会GTC China 将在苏州举行!