文．Richard Edgar

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用必須進(jìn)行許多設(shè)備間及云端數(shù)據(jù)傳輸，借助在本地近端建立霧運(yùn)算架構(gòu)可有效減少傳輸量與延遲，而無線通信則是實(shí)現(xiàn)完整連接能力不可或缺的要項(xiàng)，如何為應(yīng)用系統(tǒng)選擇正確的無線技術(shù)將是設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵。

物聯(lián)網(wǎng)的成功取決于可連接至世界各地的設(shè)備，而無線通信將成為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的主要手段。無線標(biāo)準(zhǔn)種類繁多，該如何做出恰當(dāng)?shù)倪x擇？

目前，物聯(lián)網(wǎng)的身影在手機(jī)上隨處可見，蜂巢式網(wǎng)絡(luò)、Wi-Fi、藍(lán)牙(Blutooth)等通訊技術(shù)已是眾所周知。還有一些其他的技術(shù)，無論是否新技術(shù)，都為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供了另一種選擇。由于應(yīng)用程序各不相同，范圍、數(shù)據(jù)需求、安全性和功率需求、電池使用壽命和目標(biāo)市場(chǎng)等，這些因素將決定如何對(duì)技術(shù)進(jìn)行選擇。

選擇無線標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，功耗是一個(gè)關(guān)鍵的考慮因素。設(shè)備是電池充電還是插板充電呢？電池充電的設(shè)備必須盡可能節(jié)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(gè)重要的考慮因素。如果想使用鈕扣電池來運(yùn)行設(shè)備，且?guī)啄陼r(shí)間都不進(jìn)行更換(如溫度傳感器)，那么，這個(gè)選擇將與預(yù)期定期充電(如手表)的設(shè)備有很大的不同。

數(shù)據(jù)率也是一個(gè)重要的考慮因素。有多少數(shù)據(jù)需要在設(shè)備和用戶的手機(jī)、云端或中央樞紐之間進(jìn)行傳輸？某些無線通信技術(shù)的吞吐量比其他技術(shù)高，因此，進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)選擇至關(guān)重要。例如，多媒體流應(yīng)用程序需要比健康追蹤器更高的吞吐量。

根據(jù)所預(yù)期的傳輸距離和設(shè)備的物理位置，頻率和傳輸功率在設(shè)計(jì)決策中占了很大的比例。設(shè)備通訊的頻率將影響設(shè)備穿透墻壁和建筑物的能力，以及訊號(hào)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(shè)備需要發(fā)送數(shù)據(jù)的距離。由于應(yīng)用程序的差異，可能需要遠(yuǎn)程(km)，如遠(yuǎn)程農(nóng)業(yè)監(jiān)視器；或中程(m)，如智能家居；或短程(cm)，如健康跟蹤器。

最后，查看網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌蛟O(shè)備如何彼此連接以給用戶提供數(shù)據(jù)或控制環(huán)境，這一點(diǎn)也至關(guān)重要。是否會(huì)有一個(gè)中央樞紐，使所有的設(shè)備都與之通訊？這些設(shè)備會(huì)直接與用戶的行動(dòng)設(shè)備通訊嗎？或者，每個(gè)設(shè)備都能在網(wǎng)格配置中相互通訊嗎？

有了這么多的連接選項(xiàng)，于是更難抉擇出最佳選擇。接下來，讓我們?cè)敿?xì)地探討這些選項(xiàng)，以及它們?nèi)绾闻c特定的設(shè)備相關(guān)聯(lián)。

IEEE 802.11/Wi-Fi

對(duì)于開發(fā)人員而言，Wi-Fi連接通常是一個(gè)常見的選擇，尤其是在家居產(chǎn)品和許多消費(fèi)環(huán)境中，Wi-Fi可謂無處不在。根據(jù)IEEE標(biāo)準(zhǔn)，Wi-Fi的數(shù)據(jù)傳輸速率可以從1Mbit/s到Gbit/s，里程可達(dá)300m。對(duì)于Wi-Fi和物聯(lián)網(wǎng)來說，最大的挑戰(zhàn)是電池續(xù)航時(shí)間有限。Wi-Fi供貨商正使用新功能和新標(biāo)準(zhǔn)，努力降低Wi-Fi功耗，但需要一段時(shí)間才能正式推向市場(chǎng)。最新的IEEE 802.11ah標(biāo)準(zhǔn)使用915MHz頻譜，數(shù)據(jù)率低至300kbit/s，最高里程可達(dá)1km，其新特性可將電池壽命延長(zhǎng)至數(shù)月甚至數(shù)年。



標(biāo)準(zhǔn)：IEEE 802.11

頻率：2.4GHz和5GHz帶寬頻率為915MHz

里程：300m，使用IEEE 802.11ah標(biāo)準(zhǔn)高達(dá)1km

數(shù)據(jù)率：1Mbit/s~7Gbit/s



Bluetooth

作為主要的短程通訊標(biāo)準(zhǔn)之一，藍(lán)牙在許多消費(fèi)品市場(chǎng)中的地位已經(jīng)變得舉足輕重。預(yù)計(jì)，藍(lán)牙將成為可穿戴產(chǎn)品的主要技術(shù)。

藍(lán)牙將無線配件與智能手機(jī)或平板計(jì)算機(jī)連接起來，并可作為互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)使用?？纱┐魇叫穆时O(jiān)測(cè)器將數(shù)據(jù)上傳至云端服務(wù)器，或手機(jī)遙控的門鎖向保全公司發(fā)送狀態(tài)信息，這是眾多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的兩個(gè)案例，而這些應(yīng)用都可以通過藍(lán)牙技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。

低功耗藍(lán)牙(BLE)是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的重要協(xié)議，它提供了與藍(lán)牙類似的里程，卻大幅降低了功耗。不過，BLE的設(shè)計(jì)并不針對(duì)文件傳輸，而是更適合小塊資料。由于其在智能手機(jī)和許多其他行動(dòng)設(shè)備上進(jìn)行了廣泛的整合，故而在個(gè)人設(shè)備上使用時(shí)有很多技術(shù)上的優(yōu)勢(shì)?；ヂ?lián)網(wǎng)協(xié)議支持的最新版本將允許低功耗藍(lán)牙傳感器直接訪問互聯(lián)網(wǎng)。



標(biāo)準(zhǔn)：藍(lán)牙4.2核心規(guī)范

頻率：2.4GHz(ISM)

里程：50~150m(BLE)

數(shù)據(jù)率：1Mbit/s(BLE)



6LoWPAN

6LoWPAN(低功耗無線個(gè)人局域網(wǎng)絡(luò)的IPv6)適用于低功耗且處理性能有限的設(shè)備。它旨在為小設(shè)備提供物聯(lián)網(wǎng)連接，如鈕扣電池供電的傳感器。該標(biāo)準(zhǔn)只定義了802.15.4數(shù)據(jù)鏈路層和TCP/IP堆棧之間可插入的有效適應(yīng)層。

對(duì)于整個(gè)協(xié)議堆棧，仍然沒有全面的標(biāo)準(zhǔn)。此外，目前還不存在針對(duì)6LoWPAN解決方案的認(rèn)證計(jì)劃。由于數(shù)據(jù)鏈路層中有多種可選模式，不同的制造商開發(fā)的解決方案在網(wǎng)絡(luò)層無法互操作。盡管如此，這些解決方案可以被指定為6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)，而在不同網(wǎng)絡(luò)中駐留的6LoWPAN設(shè)備可以通過互聯(lián)網(wǎng)(Internet)進(jìn)行通訊，只要它們使用相同的Internet應(yīng)用程序協(xié)議。6LoWPAN設(shè)備還可以與任何基于IP的服務(wù)器或設(shè)備進(jìn)行通訊，包括Wi-Fi和以太網(wǎng)設(shè)備。

6LoWPAN通訊協(xié)議仍然是一個(gè)全新的協(xié)定。初始安裝是2.4GHz、868MHz和916MHz的ISM頻段。由于802.15.4技術(shù)(網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、大型網(wǎng)絡(luò)、可靠的通訊和低功耗操作)和IP通訊技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，6LoWPAN處在一個(gè)有利的位置，可以推動(dòng)不斷發(fā)展的云連接傳感器市場(chǎng)、低數(shù)據(jù)率應(yīng)用和功耗敏感型應(yīng)用程序向前發(fā)展。



標(biāo)準(zhǔn)：RFC6282

頻率：適用于其他多種網(wǎng)絡(luò)媒體，包括智能藍(lán)牙(2.4GHz)或ZigBee或低功耗RF(sub~1GHz)

里程：N/A

數(shù)據(jù)率：N/A



Thread

有一個(gè)旨在家居智能環(huán)境的基于IP的IPv6網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，即基于6LowPAN的Thread。這個(gè)由Thread Group于2014年中發(fā)布的免授權(quán)協(xié)議基于各種標(biāo)準(zhǔn)，包括無線空中接口協(xié)議IEEE802.15.4、IPv6和6LoWPAN，并為物聯(lián)網(wǎng)提供了一種彈性的基于IP的解決方案。由于要在現(xiàn)有的IEEE802.15.4協(xié)議上工作，Thread支持使用IEEE802.15.4收發(fā)器的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，且能處理高達(dá)250個(gè)節(jié)點(diǎn)，并具有很高的認(rèn)證和加密能力。一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的軟件升級(jí)即可允許用戶在現(xiàn)有的IEEE802.15.4設(shè)備上運(yùn)行Thread。



標(biāo)準(zhǔn)：Thread(基于IEEE 802.15.4和6LowPAN)

頻率：2.4GHz(ISM)

里程：N/A

數(shù)據(jù)率：N/A



ZigBee

作為網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，ZigBee(也使用IEEE 802.15.4)主要在2.4GHz的ISM頻段上運(yùn)行，但它也支援868MHz和916MHz的ISM頻段。盡管ZigBee的數(shù)據(jù)傳輸率最高可達(dá)250kbit/s，但實(shí)際應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)傳輸率往往要低得多。省電模式使鈕扣電池的操作可以維持幾年。

這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)由ZigBee Alliance維護(hù)。它定義了802.15.4數(shù)據(jù)鏈路層之上的協(xié)議層，并提供了一些應(yīng)用程序函式庫(kù)。ZigBee在智能電網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用非常成功。

盡管ZigBee標(biāo)準(zhǔn)有一個(gè)IP規(guī)范，但是它與主要應(yīng)用程序領(lǐng)域的公共函式庫(kù)分離，并且尚未得到廣泛的應(yīng)用。ZigBee網(wǎng)絡(luò)需要一個(gè)應(yīng)用級(jí)的網(wǎng)關(guān)進(jìn)行云連接。網(wǎng)關(guān)作為節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)，是ZigBee網(wǎng)絡(luò)的一部分，同時(shí)通過以太網(wǎng)或Wi-Fi來執(zhí)行TCP/IP堆棧。

ZigBee PRO和ZigBee遠(yuǎn)程控制(RF4CE)，以及其他可用的ZigBee配置文件，其針對(duì)的應(yīng)用程序需求是，在一個(gè)受限制的區(qū)域及100m范圍如家居環(huán)境或建筑物內(nèi)，數(shù)據(jù)率相對(duì)較低，不需要頻繁的數(shù)據(jù)交換。



標(biāo)準(zhǔn)：基于IEEE802.15.4的ZigBee 3.0

頻率：2.4GHz

里程：10~100m

數(shù)據(jù)率：250kbit/s



SigFox

Sigfox是一項(xiàng)遠(yuǎn)距離技術(shù)，就里程而言介于Wi-Fi和蜂巢式網(wǎng)絡(luò)之間。它使用ISM頻段，且不需要獲得許可，便可以在一個(gè)非常狹窄的頻段內(nèi)與連接對(duì)象傳輸數(shù)據(jù)。對(duì)于許多運(yùn)行小電池且僅需要低層次數(shù)據(jù)傳輸?shù)臋C(jī)器對(duì)機(jī)器(M2M)應(yīng)用程序來說，Wi-Fi的傳輸里程太短，而蜂巢式網(wǎng)絡(luò)成本昂貴且功耗大。Sigfox使用一種稱為超窄頻(UNB)的技術(shù)解決了此問題，其處理的是低數(shù)據(jù)傳輸，速度每秒10位到1000位。

標(biāo)準(zhǔn)：Sigfox

頻率：900MHz

里程：30~50km(鄉(xiāng)間環(huán)境)、3~10km(城市環(huán)境)

數(shù)據(jù)率：10~1000bit/s



NFC

近場(chǎng)通訊(NFC)是一項(xiàng)技術(shù)，可以在電子設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單和安全的雙向互動(dòng)，尤其適用于智能手機(jī)，使消費(fèi)者可以進(jìn)行非接觸式支付交易、訪問數(shù)字內(nèi)容及連接電子設(shè)備。從本質(zhì)上說，它擴(kuò)展了非接觸式卡技術(shù)的功能，使設(shè)備能夠在不超過4cm的距離內(nèi)共享信息。



標(biāo)準(zhǔn)：ISO/IEC 18000~3

頻率：13.56MHz(ISM)

里程：10cm

數(shù)據(jù)率：100~420kbit/s



LoRa

LoRaWAN的目標(biāo)是廣域網(wǎng)(WAN)應(yīng)用程序，旨在為低功耗廣域網(wǎng)提供各項(xiàng)功能，以支持物聯(lián)網(wǎng)、M2M、智慧城市和工業(yè)應(yīng)用的低成本行動(dòng)安全雙向通訊。其針對(duì)低功耗進(jìn)行了優(yōu)化，并支持具有數(shù)百萬臺(tái)設(shè)備的大型網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)率是0.3kbit/s到50kbit/s。



標(biāo)準(zhǔn)：LoRaWAN

頻率：不同

里程：2~5km(鄉(xiāng)間環(huán)境)、15km(城市環(huán)境)

數(shù)據(jù)率：0.3~50kbit/s



邁向物聯(lián)網(wǎng)新時(shí)代　 霧運(yùn)算技術(shù)恰逢其時(shí)

許多需要物聯(lián)網(wǎng)通訊的新興應(yīng)用將依賴設(shè)備之間的有效信息傳輸，它們通常使用基于云端的應(yīng)用程序。不過，在許多情況下，這將產(chǎn)生大量不必要的數(shù)據(jù)通訊。使用一個(gè)當(dāng)?shù)鼐徒渴鸬耐ㄓ嵵行目梢愿行У靥幚硌舆t。霧運(yùn)算便是支持設(shè)備有效通訊的絕佳選擇。

顯而易見的是，無論使用哪種連接，傳輸數(shù)據(jù)至云端時(shí)總要產(chǎn)生帶寬、存儲(chǔ)、延遲和成本方面的消耗。因此，出現(xiàn)了一種趨勢(shì)——使邊緣節(jié)點(diǎn)/網(wǎng)關(guān)更加智慧，而霧運(yùn)算可以通過將云端擴(kuò)展到裝置所在的位置來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。使用這樣的模式具有多重優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗梢越档统杀竞凸β?，生成超低延遲，進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，且使邊緣具有高級(jí)安全性能。

為應(yīng)用系統(tǒng)篩選正確的通訊標(biāo)準(zhǔn)將是決定解決方案與其他設(shè)備和人員互通的關(guān)鍵點(diǎn)。通常，不存在簡(jiǎn)單的“一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)適合所有”的解決方案，并且將需要多個(gè)無線通信組合來確保解決方案能夠與外部世界進(jìn)行互動(dòng)。在許多應(yīng)用程序中，我們可以看到多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的整合，從整合6LoWPAN的802.15.4，到藍(lán)牙智能(LE)、藍(lán)牙4.0、再到Wi-Fi。