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物联网通信协议——网络协议
物联网通信协议——网络协议
物联网的主要支柱之一是其连接性。它由一个巨大的元素网络组成，包括不同大小和形状的物体和人，它们相互连接以收集和共享信息。通常，收集信息并将其用于自动化或帮助做出决策。由于数据类型和应用程序的多样性，需要不同的通信和网络协议。
在本文中，我们将回顾一些主要物联网协议的主要特征，以及它们的一些优缺点。
物联网通信参数
在实现飞跃和部署物联网解决方案之前，了解每种技术的限制因素至关重要。通信协议是在节点之间建立的一组规则，用于以可靠和安全的方式交换信息。
以下是通信协议的一些主要方面：
速度或数据速率：在一段时间内要传输的信息量。它通常以bps（每秒位数）、kbps、Mbps 或Gbps表示。
范围： 两个相互通信的节点之间的最大距离。它主要取决于发射功率、使用的频带和调制类型。它还可能受到气象条件或节点物理位置的影响。在图 1 中，您可以看到数据速率与各种物联网网络协议范围的粗略图表。
图 1.各种物联网网络协议的数据速率与范围。
功耗：节点在其生命周期内工作所需的能量。该参数定义了需要永久电源或使用电池。由于有许多使用电池的应用，因此功耗是一个关键参数。这意味着它将影响其他元素，例如传感器的数量或通信功率传输。此外，由于电池的使用寿命有限，因此功耗会对维护策略产生直接影响。
互操作性：节点之间交换信息的能力，即使它们是不同类型的。
可扩展性：部署更多节点、增加最终用户数量以及无需迁移技术即可存储和处理的数据量的挑战。
成本：安装和维护特定技术的价格。功耗、维护和可扩展性对网络成本有很大影响。
网络拓扑： 节点相互通信的方式。拓扑可以与传统网络中使用的相同。星型、网状、点对点和点对多点是拓扑的一些示例，如图 2 所示。
图 2.不同网络拓扑的示例。
安全性： 保护发送和接收数据的方式。必须确保节点之间传输的通信仅到达预期节点。物联网技术已经无处不在，它们可以将敏感信息传达给用户；因此，需要保护通信免受第三方的侵害。
物联网协议基础
协议允许节点以结构化的方式在它们之间进行交互。由于物联网设备的需求和用例在过去几年中迅速发展，协议也是如此。总而言之，主要有两种类型的协议：网络和数据。这种分类来自广泛用于IT通信网络的OSI（开放系统互连）模型。
下面您可以对主要的物联网网络协议有一个大致的了解。
蓝牙： 该协议工作在2.4 GHz频率范围内，可用于短距离 (<100 m)应用。蓝牙低功耗(BLE) 是其发展的又一步，它显着降低了该协议所需的功率。这种类型有利于从传感器或可穿戴设备传输少量数据。图 3 中可以看到一个示例节点网络布局。
图 3.智能家居中的蓝牙物联网网络节点示例。
蜂窝：当前的蜂窝基础设施也可用于扩展物联网节点的通信能力。根据所选择的频段和特定技术，它可以适用于低功率应用（例如2G）以及高数据速率应用（例如 LTE）。此外，还有蜂窝通信的子类型，例如LTE-M和NB-IoT，它们的诞生分别是为了提供更多的数据带宽或更低的功耗。
LoRaWAN：它是专为电池供电系统设计的低功耗、广域 (LPWA) 协议。它在sub GHz 433/868/915 MHz和2.4 GHz内运行。LoRaWAN网络通常遵循星型拓扑结构，其中元素是：端节点、网关和一组服务器。OSI参考模型如图 4 所示。
图 4. LoRa 和 LoRaWan 的OSI参考模型。
近场通信（NFC）： NFC工作在13.56 MHz频段，范围为几厘米。这种类型的通信用于扩展密切接触的通信。在NFC中，有一个有源节点（例如智能手机）生成一个射频场，为标签提供能量。它工作在13.56 MHz的频段，范围为几厘米。
Sigfox： Sigfox 使用基于技术的超窄带 (UNB)，它在ISM频段中工作，需要专用的基础设施。这意味着它可以在全球范围内使用，但需要本地运营商。
Wi-Fi： 工作在2.4 GHz 和5 GHz频率下，Wi-Fi 连接因其普遍性和高数据速率而被广泛选择。它的主要缺点是其高功耗，因此它不经常用于电池供电的应用中。
Wi-Sun： Wi-Sun 是由Wi-Sun联盟创建的现场区域网络 (FAN) 协议，旨在实现低功耗和低延迟。它通过网状拓扑在sub GHz频段和2.4 GHz频段运行。
ZigBee： 此通信协议适用于2.4 GHz频段，适用于受限区域的短距离 (<100 m)。ZigBee用于传输少量信息，即需要真正低延迟的地方，并广泛用于行业和消费者应用程序。ZigBee RF4CE 旨在取代红外遥控器（例如，电视和DVD系统），并且无需在遥控器和设备之间设置视线。
Z-wave：适用于家庭自动化应用（图 5），工作在 ISM 频段，速率高达100 Kbps。它的应用程序遵循网状网络拓扑结构，最多执行 4 个希望。
图 5. Z-Wave 物联网网络在家庭中的示例应用。
下表（表 1）显示了列出的通信协议的主要特征，按范围排序：
表 1. 通信协议特性
|
协议 |
频率 |
范围 |
数据速率 |
|
蓝牙 |
2.4GHz |
100米 |
125 Kbps–Mbps |
|
无线上网 |
2.4GHz、5GHz |
50公尺 |
150–600 Mbps |
|
NFC |
13.56 兆赫 |
4 厘米 |
100–420 Kbps |
|
洛拉万 |
867–869 MHz（欧洲） 902–928 MHz（北美） |
15公里 |
0.3–50 Kbps |
|
蜂窝 |
900/1800/1900/2100 兆赫 |
30 m（节点和基站之间） |
21 Mbps (3G+) 600 Mbps (4G) |
|
Z波 |
865–926 MHz (ISM) |
100米 |
100 Kbps |
|
Zigbee |
2.4 GHz (ISM) |
100米 |
20 Kbps–250 Kbps |
|
西格福克斯 |
900兆赫 |
3–50 公里 |
10–1000 bps |