物聯網無線通信技術應用探討

許杰

摘 要：文章分別介紹了物聯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 物聯網概念

“物聯網”概念在1999年美國麻省理工學院首次被提出，隨著物聯網技術的不斷發展，物聯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，在物與物之間實現信息交互，實現物體的識別、實時定位與管理。從功能的角度分析，物聯網是一個具有感知、互聯、計算和控制能力的信息系統。從功能角度抽取的物聯網體系結構一般包含物聯網從感知、傳輸、處理和執行等部件[1]。

2 物聯網無線通信技術及應用場景

物聯網最初是指設備之間的數據傳輸，解決物與物相聯，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

無線收發模組，采用射頻技術，工作在ISM頻段（433/315 MHz），包含發射器和接收器，頻率相對穩定，數據傳輸速率在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、無線路燈控制系統、鐵路通信、航模無線遙控、無線安防報警、家居電器控制、工業無線數據采集等。

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，實現簡單，成本低廉。WiFi具有速度較快的優點，無需網橋設備可以直接接入互聯網，而且支持與手機進行數據通信，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的醫療保健、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）頻段是基于數據包、依據主從架構的無線通信技術標準，可以實現固定設備、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據分割成數據包，通過不同的藍牙頻道傳輸數據包。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勢，主要應用于鼠標、鍵盤、耳機等近距離數據傳輸的可穿戴設備。

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議，又稱紫蜂協議[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、低數據速率的特點，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，具有數據轉發功能，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9.6～ 40 kb/s的數據傳輸速率，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；網絡內每個節點的地址，由控制節點分配。每個網絡最多可以容納232個節點，包括控制節點。Zensys提供Windows開發用的動態鏈接庫（Dynamically Linked Library，DLL），開發者利用該DLL內的API函數來進行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頻段的無線收發設備傳送數據，使用的頻率與WiFi相同，但發射功率只有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送也不會相互干擾，因此在此基礎上研發的集中器/網關（Concentrator/Gateway）能夠并行接收并處理多個節點的數據，大大擴展了系統容量[4]。LoRa主要使用免費的非授權頻段，并且是異步通信協議，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，數據可以進行雙向傳輸，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、易于部署的優點，這使其非常適用于功耗低、遠距離、大規模等的物聯網應用場景，例如智能抄表系統、智慧停車、車輛定位追蹤、智慧農業、智慧工業、智慧城市等領域。

2.8 NB-IOT

窄帶物聯網（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生的損失，NB-IoT室內環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、環境監測、智能泊車、遠程抄表、畜牧業。

3 結語

物聯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網中有多種體現方式，包括對原有解決方案的擴展、增加生存周期的能力。當前多種物聯網無線通信技術標準都有其各自的應用場景，這也是物聯網各種無線通信技術發展的必然過程。

[參考文獻]

[1]陳海明，崔莉，謝開斌.物聯網體系結構與實現方法比較研究[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.