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如何选择物联网协议?

2020-06-29 12:09:55 69

近年来,物联网市场竞争激烈,从物联网平台厂商,设备生产商,到服务提供商,都在涌入这片红海。预计到今年,全球联网设备数量将达到260亿个,年复合增长率达到20%;全球联网设备带来的数据将达到44ZB,这一数据将是2012年的22倍,年复合增长率48%。

尽管物联网在环境监测、智能电力、智能交通、工业监控、智能家居等经济和社会各个领域的应用特点千差万别,但是每个应用的基本架构都包括感知、传输和应用三个层次,各种行业和各种领域的专业应用子网都是基于三层基本架构构建的。

接入协议一般负责子网内设备间的组网及通信,接入协议大多都不属于TCP/IP协议族,只能用于设备子网(设备与网关组成的局域网)内的通讯;传输协议主要是运行在传统互联网TCP/IP协议之上的设备通讯协议,负责设备通过互联网进行数据交换及通信。采用接入协议的物联网设备,需要通过网关进行协议转换,转换成通讯协议才能接入互联网。而采用通讯协议的物联网设备,则可以直接接入互联网。

常用的接入协议包括Wi-Fi、RFID、NFC、ZigBee、Bluetooth、LoRa、NB-IoT、GSM、GPRS、3/4/5G网络、Ethernet、RS232、RS485、USB等等;常用的通讯协议包括HTTP、CoAP、MQTT、XMPP、AMQP、JMS等。接入协议位于网络层次架构中的物理/数链层,通讯协议位于应用层。

那么,既然有了可以直接接入互联网的通讯协议,那么接入协议的意义何在呢?相对于通讯协议,接入协议所依赖的硬件资源要求更低,功耗更低,网络传输的数据量也更小,因此,在控制领域等一些场景中更具优势。

这些场景中,物联网设备往往没有外接电源,因此要求功耗尽可能低,比如,一节纽扣电池能够供电一年左右。这样的要求是HTTP等协议的所需的硬件环境难以胜任的。目前市场上常见的接入协议有ZigBee、蓝牙以及Wi-Fi协议等。

ZigBee协议

ZigBee目前在工业控制领域应用广泛,在智能家居领域也有一定应用。它有以下主要优势:低成本,ZigBee协议数据传输速率低,协议简单,所以开发成本也比较低。并且zigbee协议还免收专利费用。

低功耗:由于ZigBee协议传输速率低,节点所需的发射功率仅1mW,并采用休眠+唤醒模式,功耗极低。自组网:通过ZigBee协议自带的mesh功能,一个子网络内可以支持多达65000个节点连接,可以快速实现一个大规模的传感网络。安全性:使用crc校验数据包的完整性,支持鉴权和认证,并且采用aes-128对传输数据进行加密。

ZigBee协议的最佳应用场景是无线传感网络,比如水质监测、环境控制等节点之间需要自组网以相互之间传输数据的工业场景中。在这些场景中ZigBee协议的优势发挥的非常明显。目前国内外很多厂商也将ZigBee运用在智能家居方案中。

蓝牙协议

蓝牙协议大家都非常熟悉了,目前已经成为智能手机的标配通信组件。蓝牙之所以在近几年发展迅速,主要有以下两点原因:

低功耗:我认为这个是蓝牙的大杀器,使用纽扣电池的蓝牙设备可运行一年以上,这对不希望频繁充电的可穿戴设备具有十分大的吸引力。当前基本世面上的可穿戴设备基本都选用蓝牙4.0方案。

可手机接入:近年来支持蓝牙协议基本成为智能手机的标配,用户无需购买额外的接入模块。

WiFi协议

Wi-Fi最大的优点是连接快速、持久、稳定,它是物联网设备端连接的首选方案,唯一需要考虑的是智能设备对Wi-Fi覆盖范围的依赖导致智能设备的活动范围比较小,不适合随时携带和户外场景。相当于蓝牙和ZigBee,Wi-Fi协议的功耗成为其在物联网领域应用的一大瓶颈。但是随着现在各大芯片厂商陆续推出低功耗、低成本的Wi-Fi soc(如esp8266),这个问题也在逐渐被解决。

“配网”指的是,外部向Wi-Fi模块提供SSID和密码,以便Wi-Fi模块可以连接指定的热点或路由器并加入后者所建立的相关Wi-Fi网络。Wi-Fi模块一般不像电脑手机或平板等设备,有丰富的人机交互界面,可以方便的实现配网,因此,Wi-Fi模块的“配网”方式支持,会成为Wi-Fi模块特性的一个基本话题。

能提供方便、灵活多样、条件约束少的配网方式,常常成为Wi-Fi模块的卖点之一,更是Wi-Fi模块的使用者,在选型时需要慎重考虑评估的一个重要方面。

物联网应用

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