物联网之通信技术

谁借莪１个温暖的怀抱￠ 2022-10-30 05:28 243阅读 0赞

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[物联网的基本概念][Link 1]

![format_png 1][]![format_png 1][]上一篇文章中提到了物联网可以分为3层，最底层的是设备层。在设备层中，有很重要的一块就是通信设备，依靠通信设备才能够接入网络。通信技术的选择，是在做物联网的设备设计的时候需要重点关注的。

物联网的通信接入设备通常可以分为有线和无线两种。

有线接入主要应用在工业物联网中，例如PLC（Power Line Communication 电力载波通信）接入技术。这是因为在工业物联网的应用场景中（例如工厂中）能够提供这些基础设施。

在大部分的应用场景下，由于接入的设备的数量巨大、环境差异巨大，因此应用更加广泛的是无线通信接入技术。

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无线通信技术的主要参数

无论是采用哪种无线接入的技术，都离不开无线通信的4个重要参数：

*  频段
 *  信道
 *  信道带宽
 *  传输速率

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频段

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无线通信使用的是电磁波，既然是电磁波，当然有频率。在实际的使用中，我们会将电磁波的频率划分为多个段，称为频段。因此，频段指的是一个连续的电磁波频率范围。

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频段划分

上图中的频段主要是根据电磁波的物理特性划分的。在实际的通信中，为了避免恶性竞争，由国家无线电委员会对频段进行管理，规定了各种通信接入技术使用的频段。例如Wi-Fi使用的一个频段是2.4GHz - 2.4835GHz的频段。

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信道

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在修建号了道路之后，为了交通更加有序通畅，我们会在道路上划分车道。同样的，在划分了频段之后，为了避免多个设备之间的竞争，我们会将频段进一步划分为信道。比如在Wi-Fi的频段被划分为了14个信道（中国是13个，第14个不使用）。

相邻信道的频段会存在一定的重叠，比如Wi-Fi的第一信道是2.401GHz - 2.423GHz，第二信道是2.406GHz - 2.428GHz，每一个信道比上一个信道高5MHz。如下图所示：

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信道划分示意图

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信道带宽

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一个信道中最大频率与最小频率的差，就叫做信道带宽，这个值体现了信道覆盖的频率范围的大小。

在Wi-Fi中，每个信道的带宽是22MHz。但是，实际使用中，有效的带宽是20MHz，其中有2MHz是隔离频带，起保护作用。

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传输速率

传输速率指的是数据传输的快慢，单位是比特/秒。影响传输速率的因素很懂，主要是信道带宽和频率。带宽越大，传输速率越大。评论越高，传输速率越高。

另外，还有一些其他的技术来提供传输速率，例如正交频分复用、MIMO等。具体的方式我们现在不用了解。

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常用的无线通信技术

前面介绍了无线通信技术的基础参数，现在我们来看看无线通信技术。

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Wi-Fi

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Wi-Fi是IEEE 802.11 无线网络标准的别名。IEEE 802.11 无线网络标准有多个版本，最开始使用的是字母命名，例如802.11b、802.11g、802.11n等。后来为了更加规范，Wi-Fi联盟推进了数字版本，对应关系如下图：

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Wi-Fi版本对应表

在能够连接电源，不需要太关心功耗的环境中，可以考虑使用Wi-Fi技术。但是采用Wi-Fi技术需要考虑Wi-Fi配网的问题。

因为Wi-Fi最初是为电脑、手机这样的设备设计的。考虑一下我们使用电脑或者手机连接Wi-Fi的过程。首先搜索可用的热点或者AP的SSID，然后选择要连接的SSID，配置连接的密码，最后才能够连接。

但是物联网设备通常没有电脑手机这样便利的信息输入手段，也没有屏幕这样的信息显示器件，要想连上Wi-Fi，需要借助下面的手段来完成：

1.  Wi-Fi 设备需要连接上路由器（Wi-Fi 热点或者 AP）实现数据上传和远程控制，即获取到 Wi-Fi 热点的名称（称为 SSID）和密码。
2.  获取到 Wi-Fi 设备的 MAC 地址，或者设备生产时预存的信息，并与用户账号一起上传服务器完成绑定。

完成这两步之后，才可用联网使用。

为了完成这两步，各个厂商发展了多种配网的方案，比如一键配网技术、设备热点配网技术、蓝牙配网、手机热点配网、路由器配网等。感兴趣的同学可用去了解一下。

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BLE

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前面说过了，在能够连接电源线、不关心功耗的设备，可用考虑使用Wi-Fi，例如在智能家居中。那么功耗要求严格的设备要怎么办？

BLE是选择之一。BLE的全称是Bluetooth Low Energy，翻译过来就是低功耗蓝牙，是对Bluetooth 4.0/4.1/4.2的统称。BLE能够靠一颗纽扣电池供电来工作数年。

BLE使用的频段也是2.400GHz-2.4835GHz，将这个频段划分成了 40 个带宽 2MHz 的信道。对的，蓝牙和Wi-Fi的频段是重叠的，因此Wi-Fi路由器、蓝牙耳机、蓝牙键鼠之间，有时会互相干扰。

BLE设备有很多连接参数，包括广播间隔、最大连接间隔、最小连接间隔、连接监听时间等。这些参数的设置对BLE设备的扫描连接等有很大的影响。例如广播间隔会影响扫描的响应速度和设备功耗。间隔短则扫描响应速度快，但是功耗高。在设计的时候，要平衡考虑具体的需求，选择一个合适的值。

另外，如果需要在Android手机端使用BLE，有两点需要考虑：

1.  不同品牌的手机芯片不一样，使用的蓝牙协议栈也存在差异，需要进行充分的测试。
2.  从Android 6.0开始，使用BLE需要请求位置权限，因为BLE可以用于地理位置定位。

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2G网络

在Wi-Fi流行之前，蜂窝通信技术就已经广泛应用了，也就是我们常说的“xG”。  
2G是早期的蜂窝通信技术，适合传输数据量不大的场景，比如路灯控制器、冷链运输设备监控等等。  
2G的好处是覆盖率广。但是现在各大运营商正在逐步将2G退网，因此在新的产品设计中，要尽量避免使用2G。

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LTE-Cat1 和 NB-IoT

LTE-Cat1是4G网络的低速类别，可以直接使用我们国家完善的4G网络设施，基本上不用担心没有信号。NB-IoT的网络覆盖率目前还不够理想，但是NB-IoT很可能会成为5G的组成部分。这两种技术都有各自的应用场景。

LTE-Cat1的带宽是20MHz，上行速率是5Mbps，下行速率是10Mbps。功耗比NB-IoT大，但是低于2G/3G设备，因此适合于穿戴设备、无人售货机、无人机等场景。

NB-IoT的带宽是180KHz，上行速率16.9Kbps，下行速率是26Kbps，功耗极低。NB-IoT不适应移动环境，但是适合智能抄表、烟雾报警器等场景。

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小结

物联网的应用场景丰富，设备的工作环境和传输数据量差别很大，在应用中需要合理的评估，选择合适的通信技术。我们前面提到了很多的通信技术，其实还有5G没有提到，但是5G的内容太多，后面专门开章节来讲。  
用一张思维导图总结一下这部分的内容：

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通信技术小结

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