許杰

摘 要：文章分別介紹了物聯(lián)網無線通信技術中的短距離通信技術RF433/315M，ZigBee，WiFi，藍牙，Z-wave，IPv6/6LoWPAN以及廣域網通信技術中的NB-IoT和LoRa，并分析了每類通信技術的特點及應用場景。

關鍵詞：短距離通信技術；廣域網通信技術；ZigBee；Z-Wave；NB-IoT；LoRa

1 物聯(lián)網概念

“物聯(lián)網”概念在1999年美國麻省理工學院首次被提出，隨著物聯(lián)網技術的不斷發(fā)展，物聯(lián)網的概念也隨之更新，當前主要是指信息和物理設備的融合，把物體和事件通過信息表達，在物與物之間實現(xiàn)信息交互，實現(xiàn)物體的識別、實時定位與管理。從功能的角度分析，物聯(lián)網是一個具有感知、互聯(lián)、計算和控制能力的信息系統(tǒng)。從功能角度抽取的物聯(lián)網體系結構一般包含物聯(lián)網從感知、傳輸、處理和執(zhí)行等部件[1]。

2 物聯(lián)網無線通信技術及應用場景

物聯(lián)網最初是指設備之間的數(shù)據(jù)傳輸，解決物與物相聯(lián)，采用的是有線方式，比如RS323，RS485，考慮設備的位置可移動的方便性，后期更多采用無線方式。物聯(lián)網的無線通信技術很多，主要有兩類：一是短距離通信技術包括無線RF433/315M，ZigBee，WiFi，藍牙，Z-wave，IPv6/6 LoWPAN等；另一類是低功耗廣域網（Low Power Wide Area Network，LPWAN），即廣域網通信技術。包括NB-IoT和LoRa等。

2.1 RF433/315M

無線收發(fā)模組，采用射頻技術，工作在ISM頻段（433/315 MHz），包含發(fā)射器和接收器，頻率相對穩(wěn)定，數(shù)據(jù)傳輸速率在1～128 kbps之間，一般選用GFSK的調制方式，具有比較強的抗干擾性能。主要應用集中在汽車、醫(yī)藥、食品、交通運輸、能源、軍工、動物管理以及人事管理等各領域。具體應用項目包括無線抄表系統(tǒng)、無線路燈控制系統(tǒng)、鐵路通信、航模無線遙控、無線安防報警、家居電器控制、工業(yè)無線數(shù)據(jù)采集等。

2.2 WiFi

基于符合IEEE 802.11標準的無線局域網，是有線局域網的無線延伸。WiFi只需要一個無線接入點就能組成無線局域網絡，實現(xiàn)簡單，成本低廉。WiFi具有速度較快的優(yōu)點，無需網橋設備可以直接接入互聯(lián)網，而且支持與手機進行數(shù)據(jù)通信，但WiFi芯片的封裝尺寸偏大，功耗較高，不利于大范圍使用。WiFi技術應用已經從家庭的網絡設備向傳統(tǒng)的醫(yī)療保健、庫存管理、教育等領域擴展。

2.3 藍牙（Bluetooth）

主要應用頻段在2.4～2.485 GHz的ISM波段的特高頻無線電波（Ultra High Frequency，UHF）頻段是基于數(shù)據(jù)包、依據(jù)主從架構的無線通信技術標準，可以實現(xiàn)固定設備、移動設備和局域網之間的短距信息傳輸。藍牙可以利用跳頻技術將數(shù)據(jù)分割成數(shù)據(jù)包，通過不同的藍牙頻道傳輸數(shù)據(jù)包。不同頻道的頻寬為1 MHz，藍牙4.0不同頻段間隔為2 MHz，可容納40個頻段。藍牙在近距離無線傳輸具有很大優(yōu)勢，主要應用于鼠標、鍵盤、耳機等近距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)目纱┐髟O備。

2.4 ZigBee

是基于IEEE802.15.4標準的低速、短距離、低功耗、雙向無線通信技術的局域網通信協(xié)議，又稱紫蜂協(xié)議[2]。ZigBee具有近距離、低復雜度、自組織（自配置、自修復、自管理）、低功耗、低數(shù)據(jù)速率的特點，由物理層、媒體訪問控制層（Media Access Control Layer，MAC）、傳輸層、網絡層、應用層組成。物理層和媒體訪問控制層依據(jù)IEEE 802.15.4標準，主要應用于傳感控制應用。ZigBee的蜂窩式的傳輸模式，具有數(shù)據(jù)轉發(fā)功能，主要用于可視距離的傳輸，適用室外空曠場所。ZigBee3.0技術整合了此前ZigBeePro一些應用場景，包括家庭電器、建筑物自動化、LED照明、醫(yī)療看護、零售、智慧能源等方面。

2.5 Z-Wave

是由丹麥公司Zensys開發(fā)的基于射頻的、低成本、低功耗、高可靠、可用于網絡的近距離無線通信技術，利用FSK（BFSK/GFSK）等調制方式，可以實現(xiàn)9.6～ 40 kb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，信號可以在室內傳輸30 m，室外可大于100 m，適用于窄寬帶應用場景。Z-Wave利用動態(tài)路由技術，使得每個Z-Wave網絡都有自己的網絡地址；網絡內每個節(jié)點的地址，由控制節(jié)點分配。每個網絡最多可以容納232個節(jié)點，包括控制節(jié)點。Zensys提供Windows開發(fā)用的動態(tài)鏈接庫（Dynamically Linked Library，DLL），開發(fā)者利用該DLL內的API函數(shù)來進行PC軟件設計[3]。利用Z-Wave技術搭建的無線近距離網絡，不僅可以實現(xiàn)對家電的遙控，甚至可以通過廣域網對Z-Wave網絡中的設備進行控制。

2.6 IPv6/6LoWPAN

符合IPv6 over IEEE 802.15.4標準的低速無線局域網，IEEE 802.15.4標準主要用于開發(fā)靠電池運行小型低功率廉價傳感器設備。該標準使用2.4 GHz頻段的無線收發(fā)設備傳送數(shù)據(jù)，使用的頻率與WiFi相同，但發(fā)射功率只有WiFi的1%。6 LoWPAN通信技術使各種低功率無線設備能夠融入IP家庭網絡中，并同時可以與WiFi、以太網以及其他類型的設備工作在同一網絡中；6 LoWPAN技術的低功耗、自組織網絡的特點，在物聯(lián)網感知層、無線傳感器網絡得到了廣泛的應用。

2.7 LoRa

LoRa由美國Semtech公司支持的基于擴頻技術的超遠距離物聯(lián)網無線通信技術。它使用線性調頻擴頻調制技術，既具有低功耗特性，又明顯增加通信距離，同時也提高了網絡效率并消除了干擾，即不同擴頻序列的終端即使使用相同的頻率同時發(fā)送也不會相互干擾，因此在此基礎上研發(fā)的集中器/網關（Concentrator/Gateway）能夠并行接收并處理多個節(jié)點的數(shù)據(jù)，大大擴展了系統(tǒng)容量[4]。LoRa主要使用免費的非授權頻段，并且是異步通信協(xié)議，具有功耗低、成本低廉的特點。LoRa網絡包括終端設備、網關、服務器組成，數(shù)據(jù)可以進行雙向傳輸，傳輸距離最遠可以達到15～20 km。LoRa技術具有得低功耗、大范圍覆蓋、易于部署的優(yōu)點，這使其非常適用于功耗低、遠距離、大規(guī)模等的物聯(lián)網應用場景，例如智能抄表系統(tǒng)、智慧停車、車輛定位追蹤、智慧農業(yè)、智慧工業(yè)、智慧城市等領域。

2.8 NB-IOT

窄帶物聯(lián)網（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）是由3GPP標準化組織定義的一種技術標準，是一種專為物聯(lián)網設計的窄帶射頻技術。NB-IoT使用了授權頻段，有3種部署方式：獨立部署、保護帶部署、帶內部署。移動網絡的信號覆蓋范圍取決于基站密度和鏈路預算。NB-IoT具有164 dB的鏈路預算，GPRS的鏈路預算有144 dB（TR 45.820），LTE是142.7 dB（TR 36.888）。與GPRS和LTE相比，NB-IoT鏈路預算有20 dB的提升，開闊環(huán)境信號覆蓋范圍可以增加7倍。20 dB相當于信號穿透建筑外壁發(fā)生的損失，NB-IoT室內環(huán)境的信號覆蓋相對要好。一般，NB-IoT的通信距離是15 km。NB-IoT技術包含五大主要應用場景，包括位置跟蹤、環(huán)境監(jiān)測、智能泊車、遠程抄表、畜牧業(yè)。

3 結語

物聯(lián)網是一個多樣化的網絡，方案的設計要綜合考慮帶寬、覆蓋范圍、網絡容量、可靠性、電池壽命、成本、交互頻率和擴展性等因素，才能最終形成設計方案。各技術之間并不是完全排斥的，互補共存要遠遠大于替代，低功耗廣域網絡和局域網絡技術形成的互補共存在物聯(lián)網中有多種體現(xiàn)方式，包括對原有解決方案的擴展、增加生存周期的能力。當前多種物聯(lián)網無線通信技術標準都有其各自的應用場景，這也是物聯(lián)網各種無線通信技術發(fā)展的必然過程。

[參考文獻]

[1]陳海明，崔莉，謝開斌.物聯(lián)網體系結構與實現(xiàn)方法比較研究[J].計算機學報，2013（1）：171.

[2]蒲泓全，賈軍營，張小嬌，等.ZigBee網絡研究綜述[J].計算機系統(tǒng)應用，2013（9）：6.

[3]彭建華，王新.ZigBee與Z-Wave通信技術比較研究[J].山西電子技術，2012（4）：62-64.

[4]鄭寧，楊曦，吳雙力.低功耗廣域網綜述[J].信息通信技術，2012（2）：47.