细说物联网之协议标准

2016-06-24 16:21:32 sophie
 物联网协议是实现设备通信和网络连接的沟通标准,就像人与人沟通需要语言一样,设备与设备之间的沟通也需要一个标准,这就是今天要探讨的协议。在物联网领域,协议标准分两大类:内网协议和外网协议。内网协议主要是用于工厂内部设备与设备之间的数据交换协议标准。外网协议主要是设备通过互联网实现远距离数据交换的协议标准。目前,内网协议主要包括RFID、ZigBee、蓝牙等,而外网协议则主要包括GPRS、Wi-Fi、3G、4G等多种协议标准。
 
 
图1 物联网协议标准
 
    一、内网协议
 
    1、RFID
 
    RFID技术,又称无线射频识别,是一种通信技术,可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据,而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。一般是微波,1-100GHz,适用于短距离识别通信。RFID读写器也分移动式的和固定式的,目前RFID技术应用很广,如:图书馆,门禁系统,食品安全溯源等。
 
    主要特点:
 
    1.快速扫描。RFID辨识器可同时辨识读取数个RFID标签!
 
    2.体积小型化、形状多样化。RFID在读取上并不受尺寸大小与形状限制,不需为了读取精确度而配合纸张的固定尺寸和印刷品质。此外,RFID标签更可往小型化与多样形态发展,以应用于不同产品。
 
    3.抗污染能力和耐久性。传统条形码的载体是纸张,因此容易受到污染,但RFID对水、油和化学药品等物质具有很强抵抗性。此外,由于条形码是附于塑料袋或外包装纸箱上,所以特别容易受到折损;RFID卷标是将数据存在芯片中,因此可以免受污损。
 
    4.可重复使用。现今的条形码印刷上去之后就无法更改,RFID标签则可以重复地新增、修改、删除RFID卷标内储存的数据,方便信息的更新。
 
    5.穿透性和无屏障阅读。在被覆盖的情况下,RFID能够穿透纸张、木材和塑料等非金属或非透明的材质,并能够进行穿透性通信。而条形码扫描机必须在近距离而且没有物体阻挡的情况下,才可以辨读条形码。
 
    6.数据的记忆容量大。一维条形码的容量是50Bytes,二维条形码最大的容量可储存2至3000字符,RFID最大的容量则有数MegaBytes.随着记忆载体的发展,数据容量也有不断扩大的趋势。未来物品所需携带的资料量会越来越大,对卷标所能扩充容量的需求也相应增加。
 
    7.安全性。由于RFID承载的是电子式信息,其数据内容可经由密码保护,使其内容不易被伪造及变造。
 
    2、ZigBee
 
    Zigbee是一种新兴的短距离、低速率的无线网络技术。主要用于近距离无线连接。它有自己的协议标准,在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议。ZigBee协议从下到上分别为物理层(PHY)、媒体访问控制层(MAC)、传输层(TL)、网络层(NWK)、应用层(APL)等。其中物理层和媒体访问控制层遵循IEEE802.15.4标准的规定。
 
    主要特点:
 
    1.低成本。zigbee协议数据传输速率低,协议简单,所以开发成本也比较低。并且zigbee协议还免收专利费用。
 
    2.低功耗。由于zigbee协议传输速率低,节点所需的发射功率仅1mW,并采用休眠+唤醒模式,功耗极低。
 
    3.自组网。通过zigbee协议自带的mesh功能,一个子网络内可以支持多达65000个节点连接,可以快速实现一个大规模的传感网络。
 
    4.安全性。使用crc校验数据包的完整性,支持鉴权和认证,并且采用aes-128对传输数据进行加密。
  
    zigbee协议也有不足,虽然该协议可以方便组网但不能接入互联网,所以zigbee网络中必须有一个节点充当路由器的角色,这提高了成本并且增加了用户使用门槛。同时由于zigbee协议数据传输速率低,不能满足诸如流媒体、视频等大流量应用的需求。
   
    主要应用领域:
 
    1.家庭和楼宇网络:空调系统的温度控制、照明的自动控制、窗帘的自动控制、煤气计量控制、家用电器的远程控制等;
 
    2.工业控制:各种监控器、传感器的自动化控制;
 
    3.商业:智慧型标签等;
 
    4.公共场所:烟雾探测器等;
 
    5.农业控制:收集各种土壤信息和气候信息;
 
    6.医疗:老人与行动不便者的紧急呼叫器和医疗传感器等。
 
    3、蓝牙
 
    蓝牙,是一种支持设备短距离通信(一般10m内)的无线电技术。能在包括移动电话、PDA、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等众多设备之间进行无线信息交换。利用“蓝牙”技术,能够有效地简化移动通信终端设备之间的通信,也能够成功地简化设备与因特网Internet之间的通信,从而数据传输变得更加迅速高效,为无线通信拓宽道路。
 
    蓝牙采用分散式网络结构以及快跳频和短包技术,支持点对点及点对多点通信,工作在全球通用的2.4GHzISM(即工业、科学、医学)频段。采用时分双工传输方案实现全双工传输。
 
    主要特点:
 
    1.低功耗。纽扣电池的蓝牙设备可运行一年以上,这对不希望频繁充电的可穿戴设备具有十分大的吸引力。当前基本世面上的可穿戴设备基本都选用蓝牙4.0方案。
 
    2.智能手机的普及。近年来支持蓝牙协议基本成为智能手机的标配,用户无需购买额外的接入模块。
  
    相对zigbee协议,蓝牙设备也有不足。zigbee协议有很强的自组网能力,可以支持几万设备,但蓝牙设备的连接数量比较有限。同时,zigbee协议很难被破解,而其他协议在安全性上一直为人诟病。很多智能家居产品如门磁为了使用方便,一般采用内置电池。此时zigbee的超低功耗大大提升了产品体验。
 
内网协议比较 
 
图2 内网协议比较
 
    二、外网协议
 
    1、Wi-Fi
 
    Wi-Fi与蓝牙技术一样,同属于在办公室和家庭中使用的短距离无线技术。Wi-Fi代表着无线保真,指802.11标准的IEEE802.11b子集。Wi-Fi支持高达11Mb/s的数据传输率,是迄今为止最常用的标准。其主要特性为:速度快,可靠性高,在开放性区域,通讯距离可达305米,在封闭性区域,通讯距离为76米到122米,方便与现有的有线以太网络整合,组网的成本更低。
 
    主要特点:
 
    1.无线电波的覆盖范围广,Wi-Fi的半径则可达300英尺左右约合100米。
 
    2.虽然由Wi-Fi技术传输的无线通信质量不是很好,数据安全性能比蓝牙差一些,传输质量也有待改进,但传输速度非常快,符合个人和社会信息化的需求。
 
    3.进入该领域的门槛比较低。厂商只要在机场、车站、咖啡店、图书馆等人员较密集的地方设置“热点”,并通过高速线路将因特网接入上述场所。
 
Wi-Fi类型及参数 
 
图3 Wi-Fi类型及参数
 
    2、2G
  
    2G,是第二代手机通信技术规格的简称,一般定义为无法直接传送如电子邮件、软件等信息;只具有通话、和一些如时间日期等传送的手机通信技术规格。不过手机短信SMS(Shortmessageservice)在2G的某些规格中能够被执行。2G在美国通常称为PCS(PersonalCommunicationsService)。2G技术基本可被切为两种,一种是基于TDMA所发展出来的以GSM为代表,另一种则是CDMA规格,复用﹙Multiplexing﹚形式的一种。
 
    3、2.5G
  
    通用分组无线服务技术(GeneralPacketRadioService)的简称,它是GSM移动电话用户可用的一种移动数据业务。GPRS可说是GSM的延续。GPRS和以往连续在频道传输的方式不同,是以封包(Packet)式来传输,因此使用者所负担的费用是以其传输资料单位计算,并非使用其整个频道,理论上较为便宜。GPRS的传输速率可提升至56甚至114Kbps。
 
    2.5G是一种处于2G到3G的过渡阶段的通信技术,“2.5G”并不像“2G”、“3G”那样属于官方定义,只是一种为了细分2G通信技术的一种非官方的说法。通常我们所说的2.5G就是指GSM网络下的GPRS、EDGE技术以及CDMA网络下的CDMA20001x-RTT标准。(CDMA2000实际上有两个发展阶段,前一阶段为2G的1x-RTT标准,后一阶段为3G的EV-DO标准)。
 
    4、3G
  
    第三代移动通信技术(3rd-generation,3G),是指支持高速数据传输的蜂窝移动通讯技术。3G服务能够同时传送声音及数据信息,速率一般在几百kbps以上。目前3G存在四种标准:CDMA2000,WCDMA,TD-SCDMA,WiMAX。
 
3G通信标准比较 
 
图4 3G通信标准比较
   
    5、4G
  
    第四代移动通信技术,该技术包括TD-LTE和FDD-LTE两种制式(严格意义上来讲,LTE只是3.9G,尽管被宣传为4G无线标准,但并未被3GPP认可为国际电信联盟所描述的下一代无线通讯标准IMT-Advanced,因此在严格意义上其还未达到4G的标准。只有升级版的LTEAdvanced才满足国际电信联盟对4G的要求)。4G是集3G与WLAN于一体,并能够快速传输数据、高质量、音频、视频和图像等。4G能够以100Mbps以上的速度下载。
 
移动通信标准进化 
 
图5 移动通信标准进化