物联网中的通信技术

阅读引言：本文主要大致为大家带来物联网中的常见的通信方式的知识梳理。

一、概述

二、无线通信技术

1.物联网电子标签 RFID

1.1 RFID 概念

1.2 RFID 系统组成

2.WI-FI技术

3.UWB技术

4.ZigBee技术

5.NFC技术

6.蓝牙技术

7.EnOcean技术

一、概述

物联网的通信层担负着极其重要的信息传递、交换和传输的重任，目前是通信、计算机和自动化等领域一个新兴的研究热点，它必须能够可靠地、实时地采集覆盖区中的各种信息并进行处理，处理后的信息可通过有线或无线方式发送给远端。众所周之，统一的技术标准加速了互联网的发展，这包括在全球范围进行传输的互联网通信协议TCP/IP 协议，路由器协议，终端的构架与操作系统等。

因此，我们可以在世界上的任何一个角落，使用任一台电脑连接到互联网中去，很方便的实现电脑互联。而物联网的规模和终端的形式都在互联网的基础上有了一个很大的发展和延伸，联结的物体数量更多，终端的软硬件结构形式和智能化程度更加复杂多变。互联网的TCP/IP 方式（包括IPv6）、MPLS、移动3G、卫星通信等通信技术将会在物联网的信息通信传输中扮演重要的角色，但是，在互联网向着物物相连迈进的最后的接入系统中，短距离无线传输技术将成为物联网通信技术中的关键技术分支之一。

二、无线通信技术

1.物联网电子标签 RFID

物联网主要涉及电子标签、传感器、芯片及智能卡等三大领域，而在对传感网技术的开发和市场的拓展中，其中非常关键的技术之一是RFID 技术。实质是利用RFID 技术结合已有的网络技术、数据库技术、中间件技术等，构筑一个由大量联网的阅读器Reader 和无数移动的标签Tag 组成比互联网更为庞大的物联网，因此RFID 技术成为物联网发展的排头兵。

1.1 RFID 概念

RFID（Radio Frequency Identification ）即射频识别技术，俗称电子标签，通过射频信号自动识别目标对象，并对其信息进行标志、登记、储存和管理。国际上目前还没有统一的 RFID 编码规则。目前，日本支持的UID（Universal Identification，泛在识别）标准和欧美支持的EPC（Electronic Product Code，电子产品码）标准是当今影响力最大的两大标准，我国的RFID 标准还未形成。

1.2 RFID 系统组成

( 1 ) 系统组成
电子标签：由芯片和标签天线或线圈组成，通过电感耦合或电磁反射原理与读写器进行通信；读写器：读取(在读写卡中还可以写入)标签信息的设备；天线：可以内置在读写器中，也可以通过同轴电缆与读写器天线接口相连。
( 2 ) 系统应用流程
对物体属性进行标识，属性包括静态和动态的属性，静态属性可以直接存储在标签中，动态属性需要先由传感器实时探测；识别设备完成对物体属性的读取，并将信息转换为适合网络传输的数据格式；将物体的信息通过网络传输到信息处理中心（处理中心可能是分布式的，如家里的电脑或者手机，也可能是集中式的，如中国移动的IDC），由处理中心完成物体通信的相关计算。
( 3 ) RFID 应用领域
RFID 应用领域广泛，涉及到各个领域，各个方面。在物流领域，可应用在物流过程中的货物追踪，信息自动采集，仓储应用，港口应用，邮政，快递。在零售领域，可应用在商品的销售数据实时统计，补货，防盗。在制造业领域，可应用在生产数据的实时监控，质量追踪，自动化生产。在服装业领域，可应用在自动化生产，仓储管理，品牌管理，单品管理，聚到管理。在身份识别和防伪领域，可应用与电子护照，身份证，学生证等各种电子证件的检查，以及贵重物品（烟、酒、药品）、票据等的防伪等。在资产管理领域，可对各类资产（贵重的或数量大的相似性高的或危险品等）进行管理。在军事领域，可应用弹药、枪支、物资、人员、卡车等的识别与追踪。在食品领域，可应用于水果、蔬菜、生鲜食品的保鲜管理问题。在交通领域，可应用于高速不停车、出租车管理，公交车枢纽管理，铁路机车识别等。在航空领域，可以用于制造、旅客机票管理，行李包裹追踪等……随着科学技术的不断发展，物联网的运用也会进一步深入。

2.WI-FI技术

        Wi-Fi(Wireless Fidelity,无线高保真)是一种无线通信协议（IEEE802.11b），Wi-Fi 的传输速率最高可达11Mb/s，虽然在数据安全性方面比蓝牙技术要差一些，但在无线电波的覆盖范围方面却略胜一筹，可达100 m 左右。
        Wi-Fi 是以太网的一种无线扩展，理论上只要用户位于一个接入点四周的一定区域内，就能以最高约11Mb/s 的速率接入互联网。实际上，如果有多个用户同时通过一个点接入，带宽将被多个用户分享，Wi-Fi 的连接速度会降低到只有几百kb/s，另外，Wi-Fi 的信号一般不受墙壁阻隔的影响，但在建筑物内的有效传输距离要小于户外。
        最初的 IEEE802.11 规范是在1997 年提出的，称为802.11b，主要目的是提供WLAN 接入，也是目前WLAN 的主要技术标准，它的工作频率是2.4GHz，与无绳电话、蓝牙等许多不需频率使用许可证的无线设备共享同一频段。随着Wi-Fi 协议新版本如802.11a 和802.11g 的先后推出，Wi-Fi 的应用将越来越广泛。速度更快的802.11g 使用与802.11b 相同的正交频分多路复用调制技术，它也工作在2.4GHz 频段，速率达54Mb/s。根据最新的发展趋势判断，802.11g 将有可能被大多数无线网络产品制造商选择作为产品标准。微软推出的桌面操作系统Windows XP 和嵌入式操作系统Windows CE，都包含了对Wi-Fi 的支持。

3.UWB技术

        超宽带技术UWB（Ultra Wideband）是一种无线载波通信技术，它不采用正弦载波，而是利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，因此其所占的频谱范围很宽。
        UWB 可在非常宽的带宽上传输信号，美国FCC 对UWB 的规定为：在3.1～10.6GHz频段中占用500MHz 以上的带宽。由于UWB 可以利用低功耗、低复杂度发射/接收机实现高速数据传输，在近年来得到了迅速发展。它在非常宽的频谱范围内采用低功率脉冲传送数据而不会对常规窄带无线通信系统造成大的干扰，并可充分利用频谱资源。基于UWB 技术而构建的高速率数据收发机有着广泛的用途。
        UWB 技术具有系统复杂度低，发射信号功率谱密度低，对信道衰落不敏感，低截获能力，定位精度高等优点，尤其适用于室内等密集多径场所的高速无线接入，非常适于建立一个高效的无线局域网（WLAN）或无线个域网(WPAN)。

4.ZigBee技术

        ZigBee 主要应用在短距离并且数据传输速率不高的各种电子设备之间。ZigBee 联盟成立于2001 年8 月。2002 年下半年，Invensys、Mitsubishi、Motorola 以及Philips 半导体公司四大巨头共同宣布加盟ZigBee 联盟，以研发名为ZigBee 的下一代无线通信标准。所有这些公司都参加了负责开发ZigBee 物理和媒体控制层技术标准的IEEE 802.15.4 工作组。2016年5 月ZigBee 联盟首先正式在中国上海退出ZigBee3.0，ZigBee3.0 统一了采用不同应用层协议的ZigBee 设备的发现、加入和组网方式，使得ZigBee 设备的组网更便捷、更统一，并推出了ZigBee3.0 认证来规范各个厂商使用标准的ZigBee3.0 协议，以保证基于ZigBee3.0设备的互通性。
        ZigBee 联盟负责制定网络层以上协议。目前，标准制订工作已完成。ZigBee 协议比蓝牙、高速率个人区域网或802.11x 无线局域网更简单实用。
        ZigBee 可以说是蓝牙的同族兄弟，它使用2.4 GHz 波段，采用跳频技术。与蓝牙相比ZigBee 更简单、速率更慢、功率及费用也更低。它的基本速率是250kb/s，当降低到28kb/s时，传输范围可扩大到134m，并获得更高的可靠性。另外，它可与254 个节点联网，可以比蓝牙更好地支持游戏、消费电子、仪器和家庭自动化应用。

ZigBee 技术特点主要包括以下几个部分：

( 1 ) 数据传输速率低。只有 10kb/s～250kb/s，专注于低速率传输应用。
( 2 ) 功耗低。在待机模式下，两节普通 5 号干电池可使用6 个月以上，这也是ZigBee的一个独特优势。
( 3 ) 成本低。因为 ZigBee 数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本; 积极投入 ZigBee 发的Motorola 以及Philips，均已推出应用芯片。据Philips 估计，应用于主机端的芯片成本和其它终端产品的成本比蓝牙更具价格竞争力。
( 4 ) 网络容量大。每个ZigBee 网络最多可以支持255 个设备，也就是说每个ZigBee 设备可以与另外254 台设备相连接。
( 5 ) 有效范围小。有效覆盖范围 10～75m 之间，具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定，基本上能够覆盖普通的家庭或办公室环境。
( 6 ) 工作频段灵活。使用的频段分别为2.4GHz、868MHz（欧洲）及915MHz（美国），均为免执照频段。

5.NFC技术

NFC（Near Field Communication，近距离无线传输）是由Philips、NOKIA 和Sony 主推的一种类似于RFID(非接触式射频识别)的短距离无线通信技术标准。和RFID 不同，NFC 采用了双向的识别和连接，在20cm 距离内工作于13.56MHz 频率范围。
NFC 最初仅仅是遥控识别和网络技术的合并，但现在已发展成无线连接技术。它能快速自动地建立无线网络，为蜂窝设备、蓝牙设备、Wi-Fi 设备提供一个“虚拟连接”，使电子设备可以在短距离范围进行通讯。NFC 的短距离交互大大简化了整个认证识别过程，使电子设备间互相访问更直接、更安全和更清楚。

        NFC 通过在单一设备上组合所有的身份识别应用和服务，帮助解决记忆多个密码的麻烦，同时也保证了数据的安全保护。有了NFC，多个设备如数码相机、PDA、机顶盒、电脑、手机等之间的无线互连，彼此交换数据或服务都将有可能实现。
        此外 NFC 还可以将其它类型无线通讯(如Wi-Fi 和蓝牙)“加速”，实现更快和更远距离的数据传输。每个电子设备都有自己的专用应用菜单，而NFC 可以创建快速安全的连接，并且无需在众多接口的菜单中进行选择。与知名的蓝牙等短距离无线通讯标准不同的是，NFC 的作用距离进一步缩短且不像蓝牙那样需要有对应的加密设备。
        同样，构建Wi-Fi 家族无线网络需要多台具有无线网卡的电脑、打印机和其它设备。除此之外，还得有一定技术的专业人员才能胜任这一工作。而NFC 被置入接入点之后，只要将其中两个靠近就可以实现交流，比配置Wi-Fi 连结容易得多。

6.蓝牙技术

蓝牙无线技术采用的是一种扩展窄带信号频谱的数字编码技术，通过编码运算增加了发送比特的数量，扩大了使用的带宽。蓝牙使用跳频方式来扩展频谱。跳频扩频使得带宽上信号的功率谱密度降低，从而大大提高了系统抗电磁干扰、抗串话干扰的能力，使得蓝牙的无线数据传输更加可靠。
在频带和信道分配方面，蓝牙系统一般工作在 2.4GHz 的ISM 频段。起始频率为2.402GHz，终止频率为2.480GHz，还在低端设置了2MHz 的保护频段，高端设置了3.5MHz 的保护频段。共享一个公共信道的所有蓝牙单元形成一个微网，每个微网最多可以有8 个蓝牙单元。在微网中，同一信道的各单元的时钟和跳频均保持同步。蓝牙具有以下的射频收发特性。蓝牙采用时分双工传输方案，使用一个天线利用不同的时间间隔发送和接收信号，且在发送和接收信息中通过不断改变传输方向来共用一个信道，实现全双工传输；蓝牙发射功率可分为3 个级别：100mW、2.5mW 1mW。一般采用的发送功率为1mW，无线通信距离为10m，数据传输速率达1Mb/s。若采用新的蓝牙2.0 标准，发送功率为100mW，可使蓝牙的通信距离达100m，数据传输速率也达到10Mb/s。除此之外，蓝牙标准还对收发过程的寄生辐射、射频容限、干扰和带外抑制等做了详尽的规定，以保证数据传输的安全。蓝牙无线设备实现串行通信是通过无线射频链接，利用蓝牙模块实现。蓝牙模块主要由无线收发单元、链路控制单元和链路管理及主机I/O 这3 个单元组成。就蓝牙射频模块来说，为了在提高收发性能的同时减小器件的体积和成本，各公司都采用了自己特有的一些技术，从而使蓝牙射频模块的结构都不尽相同。但就其基本原理来说，蓝牙射频模块一般由接收模块、发送模块和合成器这三个模块组成。

其中，合成器是收发模块中最关键的部分。合成器在频道选择和接收模式时采用锁相环技术。在接收模式下，锁相环路闭合，用于提供接收模块解调信号所需稳定的本振。在发送模式下，锁相环路开路，调制信号直接加载到VCO 上对载波进行调制。此时载波频率由环路滤波器输出电压保持通常合成器的工作频率仅为发射频率的一半，以减少与射频放大器的耦合。2010 年7 也蓝牙技术联盟(SIG)宣布正式采用以低功耗技术为代表优势的蓝牙核心规格4.0 版本。这对会员而言，也标志着蓝牙技术联盟的资格认证计划现已向所有蓝牙4.0 规格产品开放。蓝牙低功耗技术前身为 NOKIA 开发的Wibree 技术，本身是一项专为移动设备开发的极低功耗的移动无线通信技术，在被蓝牙技术联盟接纳并规范化之后重新命名为BluetoothLow Energy(蓝牙低功耗)。该技术的特点在于超低的峰期、平均值及待机耗能;低成本的无线标准，且能确保多种设备之间的兼容性与互操作性;以使手机及PC 相关配件的体积更小，成本更低。
        根据蓝牙技术联盟发布的核心规范白皮书，Bluetooth4.0 低功耗模式有双模和单模两种应用。双模应用中，蓝牙低功耗功能集成在现有的经典蓝牙控制器中，或在现有经典蓝牙技术(2.1+EDR/3.0+HS)芯片上增加低功耗堆栈，整体架构基本不变，因此成本增加有限。单模应用向高度集成、紧凑的设备，具备轻量级链路层，支持超低功耗的待机模式操作、简单
设备恢复、可靠的点对多点数据传输、安全的加密连接等;而链路层则适用于网络连接传感
器，并确保在无线传输中，皆能通过蓝牙低功耗传输。
        2013 年12 月6 日，蓝牙技术联盟发布了蓝牙4.1，当LTE 与蓝牙同时传输数据时，蓝牙4.1 自动协调两者的传输信息，提升连接速度的同时更加智能化。要知道，减少设备之间重新连接的时间，意味着如果你走出蓝牙4.1 覆盖的范围且断开连接后，再次进入信号范围后，设备将会自动连接蓝牙。2014 年12 月4 日颁布。其传输速度更快，两台设备之间蓝牙传输数据的速度提高了2.5倍。不仅如此，由于蓝牙智能Bluetooth Smart 数据包的容量提高了，其可纳的数据量相当于之前版本的10 倍左右。
        不过，其最大的改进还要算是能够支持6LowPAN，设备可直接通过IPv6 和6LoWPAN接入网络，即基于IPv6 协议的低功耗无线个人局域网技术；另一改进则表现在隐私方面，蓝牙设备只连接受信任的终端，与陌生终端连接之前会请求用户许可，以避免用户无意间暴露自己的位置或记录。
        2016 年6 月17 日，蓝牙技术联盟在伦敦正式发布了最新的蓝牙5.0 技术标准。全新的蓝牙5.0 标准将于今年年底或2017 年年初正式推出，同时也会更新支持该标准的设备。官方表示，全新蓝牙5.0 标准在性能上将远超目前的版本，也就是蓝牙4.2LE 版本，包括在有效传输距离上将是4.2LE 版本的4 倍，也就是说，理论上，蓝牙发射和接收设备之间的有效工作距离可达300 米。而传输速度将是4.2LE 版本的2 倍，速度上限为24Mbps。

7.EnOcean技术

EnOcean 是一种新型的无线传输技术，由德国的EnOcean GmbH 公司提出，该技术的同Zigbee、WiFi、Bluetooth、Z-Wave 等无线技术相比最大的优点就是极低的功耗，可以在1mW 的发射功率传输距离超过300 米。EnOcean 无线通信标准被采纳为国际标准“ISO/IEC 14543-3-10”，这也是世界上唯一使用能量采集技术的无线国际标准。EnOcean 能量采集模块能够采集周围环境产生的能量，从光、热、电波、振动、人体动作等获得微弱电力。这些能量经过处理以后，用来供给EnOcean 超低功耗的无线通讯模块，实现真正的无数据线，无电源线，无电池的通讯系统。EnOcean 无线标准ISO/IEC14543-3-10 使用868MHz，902MHz，928MHz 和315MHz 频段，传输距离在室外是300 米，室内为30 米。
物与该领域的其他技术相比，EnOcean 技术的特点是无需电池。比方说，50-60 层的高层大厦的管理系统有时会使用4000-6000 个传感器单元。如果各传感器单元使用以电池为驱动的技术，电池的更换和管理将成为巨大的负担，令大厦管理公司无所适从。其他技术的弱点就是以电池驱动装置。EnOcean 技术能够保证在照明关闭5 天的情况下仍然可以工作。EnOcean 技术是作为非常简单的标准设计的。EnOcean 无线信号所需的电力是ZigBee 的1/30-1/100。另外，由于使用了1GHz 以下的频段，因此EnOcean 的传输距离较使用2.4GHz 的Zigbee 及BLE 要远，且干扰更少。