物联网通信技术概述

物联网通信技术概述
前上海华东师范大学 通信工程系 电子信息实验教学中心
(上海市示范试验中心)主任 马 潮 副教授
一
基本概念
二
有线通信
三
短距离无线通信（节点）
四
长距离无线通信（接入层）
有线连接和无线连接
连接方式可以分成有线连接和无线连接，我们这里讲 的连接，其目的都是要进行通信，因此也就分别使用有线 通信技术和无线通信技术。
以太网主要涉及的组网低层技术和协议，中上层协议为TCP/IP
短距离无线通信（节点）
随着通信与物联网技术的不断发展，在各种产 品应用越来越多的开始出现无线通信的元素。
通过无线通信，设备不再只是独立工作，而是 可以通过网络协同工作，增强设备的灵活性与功能。
短距离无线通信是无线通讯中最常见的一种情 况，一般指通讯范围不超过 100m的无线通信。下 面整理了目前在短距离无线通信中的常用方案，并 将不同的方案进行了比较。
常用于常规的家电控制中。
RFID
RFID(Radio Frequency Identification)技术，又称无线射频识别， 是一种通信技术，俗称电子标签。可通过无线电讯号识别特定目标并读写 相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。
射频的话，一般是微波，1-100GHz，适用于短距离识别通信。 RFID读写器也分移动式的和固定式的，目前RFID技术应用很广，如: 图书馆，门禁系统，食品安全溯源等。
的传输，常见的接口有SPI及串口。无线数传一般工作在315 MHz/433 MHz/868 MHz/915 MHz/2.4 GHz这些频段，这些频段 是公开频段，不需要进行使用申请。无线数传有两种不同的 传输方式：透明传输和非透明传输。透明传输是指数据所发 即所得，不需要进行协议转换；而非透明传输是指用户需要 操作一些寄存器，或是需要进行协议的转化与解析。典型的 数传芯片有Si4432、nRF24L01、CC1100，
器则接收无线数据、并进行一些容错处理。无线编解码芯片 相当于只实现了无线网络的物理层，利用无线构件了一个数 据的通路，一般提供若干个”通道”供使用者使用。一般常 用于汽车无线遥控开关、门禁遥控开关、玩具遥控器中，常 见型号有PT2262/2272。
无线数传芯片
无线数传芯片 无线数传芯片允许使用者通过芯片提供的接口进行数据
优点： 串口通信的最大有点就是普及率高，串口至今PC电脑还是标配 （现在USB口模拟），通常为了方便连接打印机。大部分的工业设备都有 串口，那些没有串口的设备，在其开发时，常见方法也是通过串口连接到 进行开发的电脑上的，因此串口是设备进行通信的最简单最容易的方法。
缺点：串口通信的组网能力差，虽然通常情况比无线稳定，但串口的 通信速度以太网比起来还是有很大差距，一般来讲，只适合低速率和小数 据量的通信。
ZigBee
ZigBee(802.15.4) 随着物联网、车联网与智能家居概念的宣传，ZigBee
开始进入我们设计人员的视线。ZigBee基于IEEE 802.15.4标 准，由ZigBee联盟制定，具有自组网、低速率、低功耗的 特点，尤其适合小型设备、节点之间组网的需要。ZigBee 的第一个版本制定于2004年，经历了ZigBee2004、 ZigBee2006、ZigBee2007及ZigBee Pro等版本。
随着PLC在工业领域的广泛应用，Modbus也成为工业领域最受欢迎的通 信协议，它采用主/从（Master/Slave）方式通信，即一对多的方式连接，一 个主控制器最多可以支持247个从属控制器。
优点： Modbus的主要优点有： - 标准化、开放，免费使用，无许可证 费，无需知识产权授权。 - 支持多种电气接口，如串口和Ethernet接口等， 支持多种传输介质，如双绞线、光纤、无线等。 - Modbus协议的帧格式简 单、紧凑，通俗易懂。易开发，易用。
有线通信
串口通信技术 串口（Serial port）是一种非常通用的用于设备之间通信
的接口，也广泛用于设备以及仪器仪表之间的通信。常见 的串口有RS-232、uart（TTL电平）和工业电脑应用的半双 工RS-485与全双工RS-422。
串口通信使用串行方式进行通信，即串口按位（bit）发送和接收字节 序列。简易串口通信使用3根线完成：地线，发送和接收。串口通信可以 在使用发送线发送数据的同时用接受线接收数据，它很简单并且能够实现 较远距离的通信，其通信长度可达1200米（RS485、半双工）。
优点： ZigBee以其低功耗、低成本，低速率、高容量、支持Mash网络、 支持大量网络节点以及有较高安全等优点一度被认为的物联网最有前景 的通信技术。 缺点： 如今，实际中ZigBee远没有像Wi-Fi或者蓝牙那样得到广泛的应用， 这是由于它复杂，成本高，抗干扰性差，ZigBee协议没有开源，以及和IP 协议不的对接比较复杂等等又限制了它在实际中的应用。
在上述各层之间进行数据交换的规则和约定就是通信协 议。遵守OSI标准的通信协议能够做到上层协议与下层协议的 实现无关，因此能最大限度的复用下层协议。
这里提到的通信技术在通信硬件上就有不同的特性，以 支持有线/无线，长距/短剧，节能/高速等特性。但同时也使 得其在物理层向上的若干层都需要使用自己的通信协议。所 以通信技术的名称也往往是一些通信协议的名称，并且通信 技IrDA IrDA 使用红外线进行通讯，是一种低成本的通
讯方案。该标准制定了一个半双工的通讯系统，通 讯范围1m-10m左右，传输角度 30到60度。
因为使用红外线作为通讯媒介， IrDA的数据传 输率最大可以达到 4Mbps。
IrDA 较大的劣势就是其对传输路径的要求比较 高（不能遮挡），抗干扰性差，传输距离、收发角 度都有限制，减小了它的应用领域。
WiFi
WiFi(802.11) Wifi相信大家都非常熟悉了，Wifi被广泛应用于笔
记本电脑、手机、平板电脑中，用于支持设备通过 无线的方式连接互联网。Wifi的通信吞吐率很高， 且与现存的网络设备具有良好的兼容性。Wi-Fi是一 种无线局域网通信技术，全称Wireless-Fidelity，无 线保真，IEEE组织的IEEE 802.11标准制定了以太网 的技术标准。Wi-Fi终端指使用高频无线电信号发送 和接收数据，使用以太网通信协议，通信距离通常 在几十米。
现实中有很多种通信技术可以满足各种不同的通信需求， 但是还没有哪一种通信技术可以满足所有的通信需求，如果 还考虑成本，功耗，效率等因素的话。把数据传输到更远的 距离以及传输更多的数据常常意味着更高的能耗和更高的成 本。因而短距离通信和长距离通信在技术实现，功耗，成本 等各个方面均不同，是将物连接进网络时候需要考虑的因素 之一。
缺点： Modbus主要存在以下问题： - 组网能力差，只有主从方式通信 网络规模有限，从属控制器数量限制了网络规模 - 安全性差，无认证、无权 限管理，明文传输使得它在非受控环境下是非常有风险的
有线通信
以太网 以太网（Ethernet）是一种局域网通信技术， IEEE组织的
IEEE 802.3标准制定了以太网的技术标准，它规定了包括物理 层的连线、电子信号和介质访问层协议的内容。 以太网使用 双绞线作为传输媒介，在没有中继的情况下，最远可以覆盖 200米的范围。最普及的以太网类型数据传输速率为100Mb/s， 更新的标准则支持1KMb/s和10KMb/s的速率。
以太网技术的最大优点是它是目前应用最普遍的局域网技术，已经逐步 取代了其他局域网标准如令牌环、FDDI和ARCNET等。现在我们熟悉的互联 网就是指所有这些大大小小的局域网连接在一起以后，形成的覆盖全球的 网络。物联网是连接的物超过人口以后的互联网，因而实际中，任何连接 到物联网的物总是连接到一个以太网的终端上的。
低频ID(125K) 低频ID工作频率在125KHz，有效距离在20cm以内。目前有很多图书
馆，门禁系统，食品安全溯源等还在使用。低频ID保密功能比较差，容易 复制，已经逐步淘汰。
NFC NFC，Near-field communication，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。
WiFi
2016年WiFi联盟最新公布的802.11ah WiFi标准—WiFi HaLow， 使得WiFi可以被运用到更多地方如：小尺寸、电池供电的可穿戴 设备同时也适用于工业设施内的部署，以及介于两者之间的应用。 HaLow采用900MHz频段，低于当前WiFi的2.4GHz和5GHz频段。更 低功耗，同时HaLow的覆盖范围可以达到1公里，信号更强，且 不容易被干扰。这些特点使得WiFi更加顺应了物联网时代的发展。
通信技术和通信协议
通信技术主要是强调信息从信源到目的地的传输过程所 使用的技术，还有一个问题是各种通信技术之间如何能协同 工作呢？为此，国际标准化组织提出了开放系统互连参考模 型OSI，也就是网络分成了物理层、数据链路层、网络层、传 输层、会话层、表示层和应用层。也就是这个伟大的标准最 终形成了互联网，以及无所不连的物联网。
有线通信
Modbus 通常认为Modbus只是使用串行方式进行通信的应用层协议
标准，它并不包含电气方面的规范。Modbus最初是Modicon于 1979年为使用可编程逻辑控制器（PLC）通信而发表的，后来衍 生出Modbus RTU，Modbus ASCII和Modbus TCP三种模式，前两种 所用的物理接口是上面介绍的串口，后一种使用Ethernet接口。
优点：WiFi的优点是局域网部署无需使用电线，降低部署和 扩充的成本。由于WiFi模块的价位持续下跌，使得它已成为企业 和家庭的普遍的基础设施。另外，WiFi联盟指定了一套全球统一 标准：不同于移动电话，任何WiFi标准设备将在世界上任何地方 正确运行。