物聯網的成功取決于可連接至世界各地的設備,而無線通信將成為實現這一目標的主要手段。無線標準種類繁多,該如何做出恰當的選擇?目前,物聯網的身影在手機上隨處可見,蜂窩網絡、Wi-Fi、藍牙等通訊技術已是眾所周知。還有一些其他的技術,無論是否新技術,都為物聯網應用提供了另一種選擇。由于應用程序各不相同,范圍、數據需求、安全性和功率需求、電池使用壽命和目標市場等,這些因素將決定如何對技術進行選擇。
選擇無線標準時,功耗是一個關鍵的考慮因素。設備是電池充電還是插板充電呢?電池充電的設備必須盡可能節約能源,限制更換電池或給電池充電的必要性。電池的類型也是一個重要的考慮因素。如果想使用硬幣電池來運行設備,且幾年時間都不進行更換,那么,這個選擇將與預期定期充電的設備有很大的不同。數據率也是一個重要的考慮因素。有多少數據需要在設備和用戶的手機、云端或中央樞紐之間進行傳輸?某些無線通信技術的吞吐量比其他技術高,因此,進行適當的設計選擇至關重要。例如,多媒體流應用程序需要比健康追蹤器更高的吞吐量。
根據所預期的傳輸距離和設備的物理位置,頻率和傳輸功率在設計決策中占了很大的比例。設備通信的頻率將影響設備穿透墻壁和建筑物的能力,以及信號可以傳播的總距離。一般而言,相比高頻率,低頻率可以更好地穿透墻壁和建筑物。此外,還需要考慮設備需要發送數據的距離。由于應用程序的差異,可能需要遠程,如遠程農業監視器;或中程,如智能家居;或短程,如健康跟蹤器。
最后,查看網絡拓撲,或設備如何彼此連接以給用戶提供數據或控制環境,這一點也至關重要。是否會有一個中央樞紐,使所有的設備都與之通信?這些設備會直接與用戶的移動設備通訊么?或者,每個設備都能在網格配置中相互通信么?有了這么多的連接選項,于是更難抉擇出最佳選擇。接下來,讓我們詳細地探討這些選項,以及它們如何與特定的設備相關聯。
1、IEEE 802.11 / Wi-Fi
對于開發人員而言,Wi-Fi連接通常是一個常見的選擇,尤其是在家居產品和許多消費環境中,Wi-Fi可謂無處不在。根據IEEE標準,Wi-Fi的數據傳輸速率可以從1 Mbps到Gbps,里程可達300 m。對于Wi-Fi 和 IoT來說,最大的挑戰是電池續航時間有限。Wi-Fi供應商正使用新功能和新標準,努力降低Wi-Fi功耗,但需要一段時間才能正式推向市場。最新的IEEE 802.11 ah標準——使用915 MHz頻譜,數據率低至300 kbps,最高里程可達1 km,其新特性可將電池壽命延長至數月甚至數年。
標準:IEEE 802.11
頻率:2.4GHz 和5GHz帶寬頻率為915 MHz
里程:高達300m——使用IEEE 802.11ah標準高達1km
數據率:1 Mbps~7 Gbps
2、Bluetooth 藍牙
作為主要的短程通信標準之一,藍牙在許多消費品市場中的地位已經變得舉足輕重。預計,藍牙將成為可穿戴產品的主要技術。藍牙將無線配件與智能手機或平板電腦連接起來,并可作為互聯網網關使用。可穿戴式心率監測器將數據上傳至云端服務器,或手機遙控的門鎖向安全公司發送狀態信息,這是眾多物聯網應用的兩個案例,而這些應用都可以通過藍牙技術來實現。
低功耗藍牙是物聯網應用的重要協議,它提供了與藍牙類似的里程,卻大幅降低了功耗。不過,藍牙智能/BLE的設計并不針對文件傳輸,而是更適合小塊數據。由于其在智能手機和許多其他移動設備上進行了廣泛的整合,故而在個人設備上使用時有很多技術上的優勢。互聯網協議支持的最新版本將允許智能藍牙傳感器直接訪問互聯網。
標準:藍牙4.2核心規范
頻率:2.4GHz
里程:50-150m
數據率:1Mbps
3、6LoWPAN
6LoWPAN(低功耗無線個人區域網絡的IPv6)適用于低功耗且處理性能有限的設備。它旨在為小設備提供IoT連接,如硬幣電池供電的傳感器。該標準只定義了802.15.4數據鏈路層和TCP/IP棧之間可插入的有效適應層。
對于整個協議棧,仍然沒有全面的標準。此外,目前還不存在針對6LoWPAN解決方案的認證程序。由于數據鏈路層中有多種可選模式,不同的制造商開發的解決方案在網絡層無法互操作。盡管如此,這些解決方案可以被指定為6LoWPAN網絡,而在不同網絡中駐留的6LoWPAN設備可以通過Internet進行通信,只要它們使用相同的Internet應用程序協議。6LoWPAN設備還可以與任何基于IP的服務器或設備進行通信,包括Wi-Fi和以太網設備。
6LoWPAN通信協議仍然是一個全新的協議。初始安裝是2.4 GHz、868MHz和916MHz的ISM波段。由于802.15.4技術和IP通信技術的優勢,6LoWPAN處在一個有利的位置,可以推動不斷發展的云連接傳感器市場、低數據率應用和能量敏感型應用程序向前發展。
標準:RFC6282
頻率:適用于其他多種網絡媒體,包括智能藍牙或ZigBee或低功耗RF
里程:N/A
數據率:N/A
4、Thread 線程
有一個旨在家居智能環境的基于IP的IPv6網絡協議,即基于6LowPAN的線程。這個由Thread Group于2014年年中發布的免版稅協議基于各種標準,包括IEEE802.15.4、IPv6和6LoWPAN,并為物聯網提供了一種彈性的基于IP的解決方案。由于要在現有的IEEE802.15.4無線硅上工作,線程支持使用IEEE802.15.4無線電收發機的網狀網絡,且能處理高達250個節點,并具有很高的認證和加密能力。一個相對簡單的軟件升級應該允許用戶在現有的IEEE802.15.4設備上運行線程。
標準:線程,基于IEEE802.15.4和 6LowPAN
頻率:2.4GHz
里程:N/A
數據率:N/A
顯而易見的是,無論使用哪種連接,傳輸數據至云端時總要產生帶寬、存儲、延遲和成本方面的消耗。因此,出現了一種趨勢——使邊緣節點/網關更加智能,而霧運算可以通過將云端擴展到事物所在的位置來實現這一目標。使用這樣的模型具有多重優勢,因為它可以降低成本和功率,生成超低延遲,進行實時分析,且使邊緣具有高級安全性能。