如何选择物联网通信技术?
发布时间:2019-06-27 14:42


原标题:如何选择物联网通信技术?

作者结合了与物联网相关项目的经验,并组织相关知识与大家分享。本文主要介绍了互联网相关的通信技术和选择物联网通信技术的一些注意事项,以期帮助那些希望了解物理网络通信技术或正在进行这种选择的朋友。

我想很多人都听过“云管端”这个词,它指的是提供云终端服务和支持的设备和软件。 “结束”是指可以通过网络连接到云的设备(例如手机,计算机,传感器,执行器,设备等)。 “管”是连接云和端的管,这是物联网的互联网通信技术。

在互联网行业中,除了云管理之外,术语“边缘计算”也是众所周知的,但今天我们主要谈论物联网通信技术,然后我们有时间谈论边缘计算。

I.通信技术概述

首先,根据各种通信技术的应用和特点,我简单地做了如下划分,如下所示:

WIFI,UWB,蓝牙,ZigBee和RFID是短距离通信技术,可用于构建专用网络。 (构建专用网络是为了支持多个设备的协同边缘计算需求,这将有机会在以后进行讨论。)其中,WIFI,UWB和蓝牙是具有高通信速度的技术,可用于传输音频,视频或图像。 ZigBee和RFID具有低得多的通信速率,但它们具有其他优点,稍后将对其进行详细说明。

4G,NB-IOT,LoRa,ZETA,Sub-1Ghz(Sub-1Ghz指的是低于1Ghz的通信)这些类别是具有相对长的传输距离的WAN技术,其中4G和NB-IOT属于运营商网络。您必须为此网络建立许可证。当然,对于用户来说,运营商网络的使用也需要付费。同时,由于它不支持私有网络的建立,因此不可能通过专用网络实现多终端协作边缘计算。

LoRa,Sub-1Ghz,ZETA和其他低频广域通信技术最适合物联网通信场景。公司可以建立自己的专用网络,所有这些网络都属于免费频率范围,无需申请相关许可即可使用。

二,考虑物联网通信技术的选择

上面描述了几种通信技术。在选择通信技术时,需要考虑以下几点。下图中的相关技术参数表供您参考(尽管有些变量影响相关参数但仍具有参考值)

1.覆盖范围

覆盖范围是指节点(终端)和网关(基站)的有效通信范围,是衡量通信技术的重要指标。物联网应用通常以少量数据,大量设备和分散分布为特征。因此,覆盖是一个非常重要的因素。覆盖范围越大,所需的基站数量越少,基站和部署的成本和难度就大大降低。您可以计算出蓝牙300基站可以覆盖50米的范围,而LoRa 5000基站可以覆盖3000米的范围。如果要覆盖3,000米范围,您需要覆盖多少个蓝牙基站?布局成本是多少? (注意:这只是一个套期保值假设,实际上并不仅仅考虑一个因素。)

从上面可以看出,LoRa,NB-IOT和ZETA的覆盖范围在几十公里,而ZigBee和蓝牙在100米范围内。如果您的应用程序需要涵盖广泛的指标,那么您不必考虑后两者。从上图中可以看出,通信频带越低,覆盖范围越大。主要原因是频带在空气和物体中传播的越低,衰减越低,反之亦然。

2.沟通率

通信速率是节点或网关在给定时间段内可以传输的数据量。假设网关的通信速率是10kbps(1280字节)并且传感器的主要数据是8字节。也就是说,该网关或节点可以每秒发送和接收1280字节/8字节=160个传感器。当然,这只是一个理论值,会受到诸如避免数据冲突和数据问题等因素的影响。通信速率与网关信道的数量有关,信道越多,速率越高。

在通用通信技术中,速率越高越好。但是,在物联网行业中,没有特别大量的数据要传输。那么,在考虑通信速率时,在一个区域内考虑了多少设备?将生成多少并发数据?通信技术网关可以携带这些数量以选择适当的通信技术并保留一些冗余。

3.通讯频段

频带是指电磁波的频带,单位是Hz。我们通常说2.4G或5GWIFI是指频段。有两种类型的无线电频段:免许可证和授权。 2.4G,5G用于WIFI,470~510MHz用于中国的LoRa都是免许可频段,因此我们可以直接免费使用它们。还有一些频段受国家控制,需要在使用之前应用于该国家。因此,当我们选择频段时,我们需要考虑频段是否需要授权。如果是未经许可的频段,测试频率范围是否满?以及如何处理相同的频段干扰问题。

无线电频带越高,数据传输速率越高,当然,功耗也会增加。物联网行业中的许多设备通常具有少量数据并使用电池电量,因此设备需要尽可能低。诸如WiFi的高功率通信技术非常有限并且通常仅被使用。在一小部分有源设备上。

4.运营商网络的专用网络

运营商网络是指中国联通,中国移动和电信等公司建立的通信网络。这些网络的网关由运营商构建。因此,不能通过这样的网络执行本地设备的LAN通信,并且不能实现多个数据的本地源。边缘计算。运营商的网络覆盖范围很大,信号稳定,用户可以访问。当然,您还必须为通信付费。

在第一张照片中,除了4G,NB-IOT是传输网络,如LoRa,WiFi,Zigbee,蓝牙,ZETA,RFID等技术可以构建私有的局域网。这些网络要求用户创建网关网络。这些网络不需要通过运营商网络的通信成本,也可以使用其LAN功能从多个本地数据源实现边缘计算。但是,组织和维护基站的成本很高,因此根据业务场景考虑使用何种类型的网络更为合适。

对于共享自行车等应用,其中数据量较小且设备分散且不固定,使用运营商网络更合适,但如果是固定站点,集中设备或场景边缘计算需要多个数据源和大量数据,因此建立专用网络更为合适,这将节省大量的通信成本和更快的数据响应。

5.功耗

能源消耗是物联网行业一直不得不做出改变和头痛的问题。除了上述较高频率范围之外,传输速率越高并且功耗越高,还存在影响功耗的通信协议。诸如WIFI之类的通信协议相对复杂并且具有长连接,因此它们将更昂贵。通信协议,如LoRa,ZigBee和NB-IOT,具有简单的消息长度和多种工作模式,可根据应用场景进行调整,以达到降低功耗的目的。

6.单跳多跳通信

如上图所示,单跳通信模式是节点——网关——云,这意味着节点数据通过网关直接连接到云,并且网关之间的路由是不可能的。这样,单个网关的信号范围就是可以使用的范围。如果要覆盖更广泛或更远的范围,则只能添加一个网关,但每个网关都需要连接到以太网才能在云端输入数据,从而使网关的网络成本降低。并且复杂性很高,并且网关布局需要具有功率和网络覆盖。

多跳通信的模式是——网关——中继——云架构,即数据可以在网关和中继之间路由,最后网关将数据从几个中继终端传递到云。这种多跳方法可用于增加更大或更远距离的中继范围,并且只需要一个网关在数据中具有云特征。在这种情况下,继电器装置仅需要具有电源,甚至可以使用电池电源,因此布局的成本和难度将大大降低。最合适的应用场景是高压线路通信和小数据量的应用,因为在开放的场地或山区假设高压电力基站,并且网络连接相对成问题。由于网关可以连接到云,因此它可以从多个网关路由数据。

LoRa和其他通信属于单跳通信,ZETA,ZigBee,WIFI,蓝牙和其他通信属于多跳通信。当使用多跳通信时,应该注意,云网关的通信速度直接限制了通过云网关的总通信速率。

三,详细通用材料的通信技术

有许多通信技术。以下是一些最合适的Internet应用程序,您将详细查看其功能和应用程序方案。

1. LoRa

LoRa是一种由法国Cyco公司开发的长距离调制技术,后来被Semtech从美国收购。它具有较长的传输距离,基于线性色散频谱(CSS)的变体,具有前向纠错能力(FEC),高接收灵敏度和抗噪性。在国内市场,LoRa运行在470~510MHz的自由频率范围之间。

LoRaWAN是一种基于LoRa的通信协议。与LoRa相比,除了物理层定义之外,它还包括数据链路层定义。 LoRa可以通过散射因子(SF)调整通信速率和距离。传播因子越高。传输速率越低,传输距离越大。这就像一辆摩托车,燃料运行速度快,跑开,但负载很小,卡车可以携带很多东西,但运行速度慢,距离短。因此,在设置扩频因子时,需要根据数据量和传输距离进行权衡。

LoRaWAN信道的实际速率约为0.3~11kbps。目前,中国常用的终端芯片有两种,网关芯片有型号。拓扑是星型拓扑,即每个网关通过网络将数据传输到中央服务器,节点同时将数据发送到多个网关,中央服务器进行冗余检测和其他处理。其网关容量主要由数据的同时大小决定。

LoRaWAN具有A类、B类、C类的通讯模式。

终端双向通讯(A类):

节点可以随时向网关发送信息。发送后,它将打开两个持续时间较短的接收窗口,以接收网关下行数据。以这种方式,可以执行上行链路和下行链路通信。这样,节点将在必要时向网关发送信息,并且不与网关通信以确认信息传递时间。该方法的优点在于通信逻辑简单且功耗不增加,因为网关增加了通信次数以确定数据报告时间,但是该方法遇到数据冲突问题。这种类型的方法适用于仅执行数据报告,不需要执行精确命令操作,对功耗敏感并且可能接受一些数据丢失并且适用于电池供电设备的传感器。

具备特定时间接收窗口的双向通讯(B类):

B类方法基于A类方法添加更多接收窗口以接收数据,B类方法通过接收网关发送的信标执行时间同步,并且根据时钟同步在特定时间定义时钟同步。打开更多接收窗口,网关可以根据打开窗口的时间主动向节点发送数据。除了被动地接收数据之外,该方法适合于在特定时间向节点发送数据。

最大接收窗口通讯(C类):

在C型模式下,接收窗口在发送其他数据时始终处于活动状态。此方法消耗更多功率,但服务器可以随时以最小的数据延迟发送数据。对于需要随时接收数据和指令的有源设备或执行器而言,情况通常如此。

基于以上信息,LoRaWAN是一种覆盖范围广的通信技术(无覆盖超过十公里,几公里的遮挡),功耗低,传输速率超过十kbps,可自由构建专用网络,结合这些功能。我们可以分析,其中大多数用于数据量较小的行业,设备所在的区域很大,需要建立专用网络,如农业监测,环境数据收集和数据报告。市政设备的状况。

2.关于能源消耗

影响功耗的因素很多,例如通信类型,传播因子,数据大小,通信间隔,电池容量和传感器功耗。以前读过很多文章,LoRa可以使用XX年,但没有提到上述效果。没有引用,超时参数对于这种类型的数据并不是很好。以下功耗参数是实际的朋友项目的值。虽然传感器本身没有通信模式,传播因子,数据范围和能耗,但仍具有一定的参考意义。

3. NB-IOT

NB-IOT是一种基于现有蜂窝网络并占用200KHz频带的低覆盖率和带宽物联网通信技术。虽然200KHz频段是开放的,但它可以直接部署到GSM网络,UMTS网络和LET网络。

联通和移动部署在900MHz和1800MHz频段,电信部署在800MHz。波特率大于160 kbps且小于250 kbps,采用双工模式。覆盖范围和LoRa基本没有差别,郊区可以达到十几公里,市区可以达到几公里,

其低功耗主要在通信协议中进行优化,减少了不必要的通信数据,并且使用悬挂机制来节省能量。 NB-IOT是一个无法在专用网络上构建的许可频段,因此我不太了解它们的功耗和实际通信速率。

由于NB-IOT可以部署在现有的蜂窝网络中,目前大多数一线和二线城市都已覆盖。 NB-IOT适用于数据量小,功耗低,设备面积大,设备移动性强的场景。 OFO使用NB-IOT通信来满足少量数据,低功耗和设备区域的光。需要大量不断运动的站点。

3. ZETA

ZETA是上海引入的免许可频段的LPWAN(低功率WAN)标准。该标准使用UNB(超窄带)多通道通信,并且基于传统的LPWAN渗透性能,通过分布式访问机制实现。互联网上关于ZETA的信息相对较少。我曾经访问过它,并了解到它的特点是超低频2kHz频段(如果我没记错的话)。除了低功耗之外,通信协议有点类似于LoRa和ZigBee的组合。它可以执行多跳的自组织网络,并分配和确认通信时间和其他机制。继电器装置可以使用电池供电执行超过一年的工作时间。

4. ZigBee

上面提到的WAN WAN通信技术,我们将看到LAN通信技术。

作为WIFI,蓝牙是一种常见的局域网通信技术,也有物联网应用,因为这两种技术比较常见,我们不再多说,主要是看看Zigbee在物联网通信程序的应用和功能。

ZigBee是一种基于IEEE802.15.4协议的低功耗短距离无线通信技术。它主要工作在2.4 GHz,868 MHz和915 MHz三个频段,通信速率分别为250kb/s,20kb/s和40kb/s。数量接入设备理论可以达到60,000多个设备(实际接入设备受通信速率限制,无法达到理论接入值)。传统的通信范围约为20米。作为物联网的互联网通信技术,它还具有低功耗的特点。在低功耗的待机模式下,两个普通干电池(5000~6000毫安)可以使用超过6个月(仅参考此参数,不能获得多个冲击功率)。消耗的详细条件)。

由于ZigBee是免费授权频段,因此可以构建专用网络。同时,它还支持多跳通信,即设备可以接收数据和转发数据,以便中继设备可以用于将数据转发到可以多跳到云的网关。办法。在信号较弱的区域,可以通过添加中继设备来增加覆盖区域和信号强度,而无需增加可以将数据放入云中的网关。

除了上述功能外,ZigBee还具有双向提交功能。当受控设备接收到命令时,它将执行结果返回给控制设备(类似于MQTT协议)。同样,控制设备将在发出命令后监视它是否接收到反馈信号。非接收意味着数据冲突并且控制设备重新发送指令以实现指令的绝对执行。这对于控制设备非常用户友好。

我听说小米有一句话说“有源设备的WIFI和无源设备的蓝牙”,但现在小米和云顶也使用了ZigBee。我认为正是因为ZigBee具有低功耗和高速(与LoRa相比),完全可以满足住宅监控设备和运行设备的通信要求。同时,它还可以解决几个房间的信号盲区,并通过重传建立专用网络。小米和云顶将使用它,特别是低功耗可以建立一个专用网络。我不知道小米是否会将ZigBee模块添加到小帅的同事那里,因此他可以执行本地存储和执行指令。毕竟,网络异常仍然比较常见,如果这些指令可以在本地处理和执行,这对于物联网设备的稳定运行非常重要。

三,最后的总结

LoRa、ZETA、SUB-1Ghz:适用于大项目、大区域、设备数量多、数据量不大、设备固定的场景。例如,在建筑城市或农业环境中监视设备状态,环境监视,远程控制等,监视和控制需要建立专用网络的设备和应用场景。 LoRa在协议,规范和生态方面已经成熟,适用于大多数企业。 ZETA仍在发展,并在交易中具有一些优势。如果使用它,一般生态学不是很丰富,成熟的程序并不多。 SUB-1Ghz需要开发自己的通信协议,这是很多工作。很难扩展其他品牌的设备,因此公司没有足够的能量来制造车轮。

NB-IOT:适用移动性强、设备分散、设备数量大、数据量小、设备独立无需多设备协同的运行场景。例如,移动货物或车辆的监视和控制,低精度定位,建筑城市中设备状态的监视,环境监视,远程控制等。三个主要的NB-IOT运营商被安置在一线和二线城市。生态和解决方案相对成熟,构建基站没有问题或成本。但是,您需要支付手机等通信流量。

4G:适用于大数据量、功耗不敏感、移动性强、使用地区偏远的场景。例如,车桥通信定位,铁桥的监控和控制,没有其他互联网物联网覆盖的区域和设备数量不值得建设网关的一些位置。

ZigBee、蓝牙、WiFi:适用于小区域、数据量稍大、设备固定、设备数量少、需要多设备联动运行的场景。例如,智能家居或小型独立商店等小区域。 ZigBee最适合上述场景。它的能耗,通信速度合适,协议完整稳定,中等位置可以通过多次跳转覆盖。蓝牙解决方案已经成熟,但功耗略高,保持长链路数量太少。 WiFi功耗非常大,在无源设备上基本上无法使用,但通信速度很快。

不同的场景和要求使用不同的通信技术。选择模板时,您可以先列出硬指示器,然后在该范围内进行有限的搜索和选择。例如,我们在选择时选择的两个具体仪表已经很好地覆盖并且可以构建专用网络,因此NB-IOT和ZigBee等基础知识不会浪费时间。

最后,为每个人分享物联网的生态地图:

本文由@贾明华发表。原来,每个人都是产品经理。未经许可,禁止复制

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