物聯網通信協議——網絡協議

2022-06-11

物聯網通信協議——網絡協議

物聯網的主要支柱之一是其連接性。它由一個巨大的元素網絡組成，包括不同大小和形狀的物體和人，它們相互連接以收集和共享信息。通常，收集信息并將其用于自動化或幫助做出決策。由于數據類型和應用程序的多樣性，需要不同的通信和網絡協議。

在本文中，我們將回顧一些主要物聯網協議的主要特征，以及它們的一些優缺點。 

物聯網通信參數

在實現飛躍和部署物聯網解決方案之前，了解每種技術的限制因素至關重要。通信協議是在節點之間建立的一組規則，用于以可靠和安全的方式交換信息。

以下是通信協議的一些主要方面：

速度或數據速率：在一段時間內要傳輸的信息量。它通常以bps（每秒位數）、kbps、Mbps 或Gbps表示。 

范圍： 兩個相互通信的節點之間的最大距離。它主要取決于發射功率、使用的頻帶和調制類型。它還可能受到氣象條件或節點物理位置的影響。在圖 1 中，您可以看到數據速率與各種物聯網網絡協議范圍的粗略圖表。

圖 1.各種物聯網網絡協議的數據速率與范圍。

功耗：節點在其生命周期內工作所需的能量。該參數定義了需要永久電源或使用電池。由于有許多使用電池的應用，因此功耗是一個關鍵參數。這意味著它將影響其他元素，例如傳感器的數量或通信功率傳輸。此外，由于電池的使用壽命有限，因此功耗會對維護策略產生直接影響。

互操作性：節點之間交換信息的能力，即使它們是不同類型的。

可擴展性：部署更多節點、增加最終用戶數量以及無需遷移技術即可存儲和處理的數據量的挑戰。

成本：安裝和維護特定技術的價格。功耗、維護和可擴展性對網絡成本有很大影響。

網絡拓撲： 節點相互通信的方式。拓撲可以與傳統網絡中使用的相同。星型、網狀、點對點和點對多點是拓撲的一些示例，如圖 2 所示。

圖 2.不同網絡拓撲的示例。

安全性： 保護發送和接收數據的方式。必須確保節點之間傳輸的通信僅到達預期節點。物聯網技術已經無處不在，它們可以將敏感信息傳達給用戶；因此，需要保護通信免受第三方的侵害。 

物聯網協議基礎

協議允許節點以結構化的方式在它們之間進行交互。由于物聯網設備的需求和用例在過去幾年中迅速發展，協議也是如此?？偠灾?，主要有兩種類型的協議：網絡和數據。這種分類來自廣泛用于IT通信網絡的OSI（開放系統互連）模型。

下面您可以對主要的物聯網網絡協議有一個大致的了解。

藍牙： 該協議工作在2.4 GHz頻率范圍內，可用于短距離 (<100 m)應用。藍牙低功耗(BLE) 是其發展的又一步，它顯著降低了該協議所需的功率。這種類型有利于從傳感器或可穿戴設備傳輸少量數據。圖 3 中可以看到一個示例節點網絡布局。 

圖 3.智能家居中的藍牙物聯網網絡節點示例。  

蜂窩：當前的蜂窩基礎設施也可用于擴展物聯網節點的通信能力。根據所選擇的頻段和特定技術，它可以適用于低功率應用（例如2G）以及高數據速率應用（例如 LTE）。此外，還有蜂窩通信的子類型，例如LTE-M和NB-IoT，它們的誕生分別是為了提供更多的數據帶寬或更低的功耗。

LoRaWAN：它是專為電池供電系統設計的低功耗、廣域 (LPWA) 協議。它在sub GHz 433/868/915 MHz和2.4 GHz內運行。LoRaWAN網絡通常遵循星型拓撲結構，其中元素是：端節點、網關和一組服務器。OSI參考模型如圖 4 所示。 

圖 4. LoRa 和 LoRaWan 的OSI參考模型。  

近場通信（NFC）： NFC工作在13.56 MHz頻段，范圍為幾厘米。這種類型的通信用于擴展密切接觸的通信。在NFC中，有一個有源節點（例如智能手機）生成一個射頻場，為標簽提供能量。它工作在13.56 MHz的頻段，范圍為幾厘米。

Sigfox： Sigfox 使用基于技術的超窄帶 (UNB)，它在ISM頻段中工作，需要專用的基礎設施。這意味著它可以在全球范圍內使用，但需要本地運營商。

Wi-Fi： 工作在2.4 GHz 和5 GHz頻率下，Wi-Fi 連接因其普遍性和高數據速率而被廣泛選擇。它的主要缺點是其高功耗，因此它不經常用于電池供電的應用中。

Wi-Sun： Wi-Sun 是由Wi-Sun聯盟創建的現場區域網絡 (FAN) 協議，旨在實現低功耗和低延遲。它通過網狀拓撲在sub GHz頻段和2.4 GHz頻段運行。

ZigBee： 此通信協議適用于2.4 GHz頻段，適用于受限區域的短距離 (<100 m)。ZigBee用于傳輸少量信息，即需要真正低延遲的地方，并廣泛用于行業和消費者應用程序。ZigBee RF4CE 旨在取代紅外遙控器（例如，電視和DVD系統），并且無需在遙控器和設備之間設置視線。

Z-wave：適用于家庭自動化應用（圖 5），工作在 ISM 頻段，速率高達100 Kbps。它的應用程序遵循網狀網絡拓撲結構，最多執行 4 個希望。

圖 5. Z-Wave 物聯網網絡在家庭中的示例應用。

下表（表 1）顯示了列出的通信協議的主要特征，按范圍排序：

表 1. 通信協議特性