常见的物联网通信方式

常见的物联网通信方式常见的物联网通信方式 随着时代进步和发展 社会逐步进入互联网 各类传感器采集数据越来越丰富 大数据应用随之而来 人们考虑把各类设备直接纳入互联网以方便数据采集 管理以及分析计算 简而言之 物联网智能化已经不 再局限于小型设备 小网络阶段 而是进入到完整的智能工业化领域 智能物联网化在大数据 云计算 虚 拟现实上步入成熟 并纳入互联网 整个大生态环境 一 前言一 前言 早期的物联网是指两个或多个设备之间在近距离内的数据传输 解决物物相连 早期多采用有线方式 比如 RS323 RS485 考虑设备的位置可随意移动的方便性 有根线太丑了 后期更多的使用无线方 式 随着时代进步和发展 社会逐步进入互联网 各类传感器采集数据越来越丰富 大数据应用随之而 来 人们考虑把各类设备直接纳入互联网以方便数据采集 管理以及分析计算 简而言之 物联网智能化 已经不再局限于小型设备 小网络阶段 而是进入到完整的智能工业化领域 智能物联网化在大数据 云 计算 虚拟现实上步入成熟 并纳入互联网 整个大生态环境 二 物联网的发展二 物联网的发展 最早的物联网只是简单把两个设备用信号线连接在一起 后来使用了无线 也出现了简单的组网 在互联网 时代 越来越多的传感器 设备接入互联网 互联网也不单是通过网线传输 引入了空中 网 卫星网等 应用的领域也越来越广泛 三 常见的物联网通信方式三 常见的物联网通信方式 笔者对常用的物联网通信方式进行归纳总结分为四大种类 见下图 1 有线传输 有线传输 设备之间用物理线直接相连 不是很方便 主要有电线载波或载频 同轴线 开关量信号线 RS232 串口 RS485 USB 这里只对常用的 RS232 串口 RS485 USB 做介绍 RS232 串口串口 串行通信接口 全名是 数据终端设备 DTE 和数据通讯设备 DCE 之间 串行 二进制数据交换接口技术标准 是电脑与其它设备传送信息的一种标准接口 该标准规定采用一个 25 个 脚的 DB25 连接器 对连接器的每个引脚的信号内容加以规定 还对各种信 号的电平加以规定 RS 232 属单端信号传送 存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题 因此一般用于 20m 以内的通信 常用 的串口线一般只有 1 2 米 见图 RS 485 总线 总线 在要求通信距离为几十米到上千米时或者有多设备联网需求时 RS232 无法满足 因此诞生了 RS 485 串行总线标准 RS 485 采用平衡发送和差分接收 具有抑制共模干扰的能力 加上 总线收发器具有高灵敏度 能检测低至 200mV 的电压 使得传输信号能在千米以外得到恢复 RS 485 采用半双工工作方式 可以联网构成分布式系统 用于多点互连时非常方便 可以省掉许多信号线 允许 最多并联 32 台驱动器和 32 台接收器 USB 通用串行总线 是一个外部总线标准 支持设备的即插即用和热插拔功能 具有传输速度快 使用方便 连接灵活 独立供电等优点 USB 用一个 4 针 USB3 0 标准为 9 针 插头作为标准插头 采用菊花链形式可以把所有的外设连接起来 最多可以连接 127 个外部设备 并且不会损失带宽 可连接 键盘 鼠标 打印机 扫描仪 摄像头 充电器 闪存盘 移动硬盘 外置光驱 软驱 USB 网卡 ADSL Modem Cable Modem MP3 机 手机 数码相机等几乎所有的外部设备 已成功替代串口和 并口 并成为个人电脑 智能设备的必配接口之一 2 近距离无线传输 近距离无线传输 设备之间用无线信号传输信息 主要有无线 RF433 315M 蓝牙 Zigbee Z ware IPv6 6Lowpan RF433 315M 无线收发模组 采用射频技术 工作在 ISM 频段 433 315MHz 一般包含 发射器和接收器 频率稳定度高 谐波抑制性好 数据传输率 1K 128Kbps 采用 GFSK 的调制方式具 有超强的抗干扰能力 应用范围 1 无线抄表系统 2 无线路灯控制系统 3 铁路通信 4 航 模无线遥控 5 无线安防报警 6 家居电器控制 7 工业无线数据采集 8 无线数据传输 低功耗 的 RF433 可在 2 1 3 6V 电压范围内工作 在 1SEC 周期轮询唤醒省电模式 Polling mode 下 接收仅 仅消耗不到 20uA 一节 3 6V 3 6A 的锂亚电池可工作 10 年以上 蓝牙 蓝牙 Bluetooth 使用 2 4 2 485GHz 的 ISM 波段的 UHF 无线电波 基于数据包 有着主 从架构的一种无线技术标准 可实现固定设备 移动设备和楼宇个人域网之间的短距离数据交换 由蓝牙 技术联盟 SIG 管理 IEEE 将蓝牙技术列为 IEEE 802 15 1 但如今已不再维持该标准 蓝牙技术拥 有一套专利网络 可发放给符合标准的设备 蓝牙使用跳频技术 将传输的数据分割成数据包 通过 79 个指定的蓝牙频道分别传输数据包 每个频道的频宽为 1 MHz 蓝牙 4 0 使用 2 MHz 间距 可容纳 40 个频道 质量好的无线蓝牙耳机电池可以使用时间一般是 2 3 年 通常是数周 Zigbee 是基于 IEEE802 15 4 标准的低速 短距离 低功耗 双向无线通信技术的局域网通信协 议 又称紫蜂协议 特点是近距离 低复杂度 自组织 自配置 自修复 自管理 低功耗 低数据速 率 ZigBee 协议从下到上分别为物理层 PHY 媒体访问控制层 MAC 传输层 TL 网络层 NWK 应用层 APL 等 其中物理层和媒体访问控制层遵循 IEEE 802 15 4 标准的规定 主要用于传感控制应 用 Sensor and Control 可工作在 2 4GHz 全球流行 868MHz 欧洲流行 和 915 MHz 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 单点传输距离在 10 75m 的 范围内 ZigBee 是可由一个到 65535 个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台 在整个网络范围内 每一个 ZigBee 网络数传模块之间可以相互通信 从标准的 75m 距离进行无限扩展 ZigBee 节点非常 省电 其电池工作时间可以长达 6 个月到 2 年左右 在休眠模式下可达 10 年 下图是 Zigbee 的组网 图 该图来源于网上 Z Wave 是由丹麦公司 Zensys 所一手主导的基于射频的 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 6 kb 40kb s 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 Z Wave 采用了动态路由技术 每一个 Z Wave 网络都拥有自己独立 的网络地址 HomeID 网络内每个节点的地址 NodeID 由控制节点 Controller 分配 每个网络最多 容纳 232 个节点 Slave 包括控制节点在内 Zensys 提供 Windows 开发用的动态库 Dynamically Linked Library DLL 开发者该 DLL 内的 API 函数来进行 PC 软件设计 通过 Z Wave 技术构建的无 线网络 不仅可以通过本网络设备实现对家电的遥控 甚至可以通过 Internet 网络对 Z Wave 网络中的 设备进行控制 IPv6 6Lowpan 基于 IPv6 的低速无线个域网标准 即 IPv6 over IEEE 802 15 4 IEEE 802 15 4 标准设计用于开发可以靠电池运行 1 到 5 年的紧凑型低功率廉价嵌入式设备 如传感器 该标 准使用工作在 2 4GHz 频段的无线电收发器传送信息 使用的频带与 Wi Fi 相同 但其射频发射功率大约 只有 Wi Fi 的 1 6LoWPAN 的出现使各类低功率无线设备能够加入 IP 家庭中 与 Wi Fi 以太网以 及其他类型的设备并网 IETF 6LoWPAN 技术具有无线低功耗 自组织网络的特点 是物联网感知层 无线传感器网络的重要技术 ZigBee 新一代智能电网标准中 SEP2 0 已经采用 6LoWPAN 技术 随着美 国智能电网的部署 6LoWPAN 将成为事实标准 全面替代 ZigBee 标准 LoRa 易于建设和部署的低功耗广域物联技术 易于建设和部署的低功耗广域物联技术 使用线性调频扩频调制技术 即保持了像 FSK 频 移键控 调制相同的低功耗特性 又明显地增加了通信距离 同时提高了网络效率并消除了干扰 即不同 扩频序列的终端即使使用相同的频率同时发送也不会相互干扰 因此在此基础上研发的集中器 网关 Concentrator Gateway 能够并行接收并处理多个节点的数据 大大扩展了系统容量 主要在全球免 费频段运行 即非授权频段 包括 433 868 915 MHz 等 LoRa 网络主要由终端 内置 LoRa 模块 网关 或称基站 服务器和云四部分组成 应用数据可双向传输 传输距离可达 15 到 20 公里 3 传统互联网 传统互联网 互联网发展到现在 基本上所有的软件系统都运行在互联网基础上 人们从互联网上获取各类数据 进行交流沟通 工作 基本上所有人都知道互联网 这里只做简单描述 WIFI 基于 IEEE 802 11 标准的无线局域网 可以看作是有线局域网的短距离无线延伸 组建 WIFI 只需要一个无线 AP 或是无线路由器就可以 成本较低 以太网 以太网 包括标准的以太网 10Mbit s 快速以太网 100Mbit s 和 10G 10Gbit s 以太网 它们都符合 IEEE802 3 IEEE802 3 规定了包括物理层的连线 电信号和介质访问层协议的内容 4 移动空中网 移动空中网 移动无线通信技术发展到现在 移动终端直接接入到互联网世界 随着通信资费下降以及 3G 4G 无 线模块成本下降 由于 3G 4G 可以很方便直接与互联网通信 越来越多的设备采用移动网技术 GPRS General Packet Radio Service 是通用分组无线服务技术的简称 它是 GSM 移动电话用 户可用的一种移动数据业务 属于第二代移动通信中的数据传输技术 介于 2G 和 3G 之间的技术 也被 称为 2 5G 可说是 GSM 的延续 GPRS 以封包 Packet 式来传输 传输速率可提升至 56 114Kbps 3G 4G 第三和第四代移动通信技术 4G 是集 3G 与 WLAN 于一体 能够快速高质量地传输数据 图像 音频 视频等 4G 可以在有线网没有覆盖的地方部署 能够以 100Mbps 以上的速度下载 能够 满足几乎所有用户对于无线服务的要求 具有不可比拟的优越性 4G 移动系统网络结构可分为三层 物 理网络层 中间环境