IoT時代的無線通訊技術

“世界上最遙遠的距離就是沒有網絡”，網絡通訊是IoT的基礎，常見的無線網絡通訊技術有：WiFi、NFC、ZigBee、Bluetooth、WWAN（Wireless Wide Area Network，包括GPRS、3G、4G、5G等）、NB-IoT、Sub-1GHz等。它們在組網、功耗、通訊距離、安全性等方面各有差別，因此擁有不同的適用場景。WiFi、Bluetooth、WWAN是現階段物聯網的主力，占所有應用的95%以上。ZigBee主要用在全屋智能領域，NB-IoT是針對IoT設計的下一代網絡。

那么如何在眾多無線通訊技術中找到適合自己的呢？下面根據我的經驗做一下簡單總結，供大家參考。

為什么選WiFi
WiFi最大的優點是連接快速、持久、穩定，它是IoT設備端連接的首選方案，唯一需要考慮的是智能設備對WiFi覆蓋范圍的依賴導致smart devices的活動范圍比較小，不適合隨時攜帶和戶外場景。

舉例：各種智能家電可以通過WiFi被遠程控制。

為什么選Bluetooth
Bluetooth最大的優點是不依賴于外部網絡、便攜、低功耗。只要有手機和智能設備，就能保持穩定的連接，走到哪連到哪。所以大部分運動和戶外使用的設備都會優先考慮Bluetooth。它的主要不足是：不能直接連接云端，傳輸速度比較慢，組網能力比較弱。

舉例：智能手環，共享單車的智能藍牙鎖，iBeacon定位。

為什么選WWAN
WiFi的不足是智能設備移動范圍小，藍牙的短板是設備不能直連云端和組網能力弱，而WWAN既可以隨時移動，也可以隨時聯網，完美彌補了WiFi和Bluetooth的不足。但實際上它也存在二個短板：一是它在使用的過程中會產生費用，二是網絡狀況不穩定，常常遇到無網或弱網的環境。

舉例：車載智能設備，政府的城市公共自行車。

無線模塊選型分析

前面介紹了主流的三種無線技術，下面是一些特殊場景用到的無線技術選型。

ZigBee的使用
在全屋智能（精裝修智能房屋）的場景中，從交付開始，家中就已存在大量IoT設備，如果使用WiFi方案，每個設備配網會非常麻煩，并且WiFi每次做移動或修改密碼，智能設備都要做相應的調整。如果使用藍牙方案，以目前的BLE 4.2標準來說，藍牙的組網只能一個Central連接7個外設（部分芯片會有能力擴充，因為比較少見，所以這里忽略），藍牙組網能力弱，也滿足不了需求。所以在全屋智能場景中，經常會使用ZigBee+WiFi的二合一網關。ZigBee和藍牙一樣都是近距離低功耗的通訊技術，但它相比藍牙最大的優勢就是強大的組網能力，ZigBee和WiFi的二合一網關通過ZigBee連接IoT設備，通過WiFi將數據同步到云端。

Sub-1GHz的使用
飛行器常常在沒有WiFi，山上等GPRS無信號或弱網的環境中使用，而且通常有較遠的飛行距離，這樣WiFi、Bluetooth、ZigBee和WWAN這種單一的無線模塊不能很好的解決飛行器的通訊需求，所以需要多種無線模塊的組合使用。通過Bluetooth讓遙控器和手機連接，通過Sub-1GHz處理長距離飛行時飛行器和遙控器的通訊，通過其他波長處理中距離或短距離飛行中的數據通信。這種組合既能滿足手機操控，又能在中距離有高質量的圖像數據，在遠距離還能繼續控制。

同樣功能的設備不一定選相同的通訊模塊

例如補水儀，統一的功能，都是從設備噴出水汽到皮膚，給皮膚補水，但有便攜式和固定式兩種，便攜式體積小，便于攜帶，隨時使用，可以選擇Bluetooth；固定式功能多，可以冷熱交替補水，一般在家中使用，選WiFi沒錯。

總結和整理

上表對前面介紹的無線通訊技術做了個總結，方便大家了解其中的差別，選到適合自己的方案。

IoT物聯模型

應用側的架構，根據接入設備的種類和數量，復雜度會相差很大，其中物聯平臺的架構最為復雜，例如阿里智能、微信物聯、米家、百度物聯這類平臺級的系統。不過能做平臺級物聯系統的公司還很少，大部分還是針對特定設備類型或共同特征的智能設備的載體，它們的結構相對簡單些，也是本文重點介紹的部分。

以智能手機、智能設備，智能云三者交互為例,主要涉及的無線通訊方式就是WiFi、WWAN、Bluetooth，其中WiFi和WWAN的場景幾乎一致，Bluetooth架構多一層媒介層，本文主要介紹這三種場景。

WWAN/WiFi和Bluetooth在應用架構設計上最重要的區別是WWAN的智能設備可以直接和云端交互，而Bluetooth智能設備需要一個中轉媒介，大部分時候，這個媒介指的是智能手機，偶爾也可能是其他的形態，比如藍牙網關，或是一臺裝有操作系統的智能冰箱。

WWAN和WiFi物聯模型的主要區別在于WWAN設備只要插上上網卡，就可以上網，而WiFi設備需要多一步配網的過程。

WWAN/WiFi物聯模式

WWAN/WiFi物聯模型如圖1所示。

圖1 WWAN/WiFi物聯模式

圖2 Bluetooth物聯模式

WiFi在設備初次使用時，首先需要配網操作。通過WiFi在手機和智能設備之間建立點對點連接，手機把WiFi的SSID和密碼傳遞到智能設備，然后再斷開手機與智能設備的直連，把智能設備連接的WiFi網絡切換至用于連接的WiFi設備（在家的場景，通常指的是家中的路由器）。WiFi smart device在聯網成功后，會向云端發送設備激活的消息，此后設備端和云端就建立了一個穩定，長期的連接，保證了數據上行和命令下發。

Bluetooth物聯模式
藍牙設備一般都作為外設，和智能手機建立一對一的連接之后，通過智能手機作為媒介，間接與云端進行數據同步。通常情況，BLE 智能手機設備和智能手機的通訊非常重要（通道1），設備操控和數據同步都是通過這層連接完成的，相比之下通道2經常只是智能手機的普通API請求，用做Bluetooth 智能手機設備的數據持久層使用。

IoT模型優化

上一節介紹了WWAN/WiFi和Bluetooth的物聯模型，IoT模型在設計的時候，有很多需要考慮的地方，常見的有：通道的安全、物聯協議、動態化等。

通道的安全
通道安全往往是通過對連接通道認證和數據對稱/非對稱加密這兩件事情保障的。對于安全性較高的設備，一定要在建立連接通道時，確保通道的安全性，在數據和命令上下行時，盡可能不要使用明文傳輸。安全通道的建立可以使用一些成熟的方案或者成熟的加密算法去實現，選擇算法時要考慮到設備端的計算能力。設備端因為成本和體積，計算能力較弱，如果算法過于復雜會嚴重影響到設備端的處理能力和穩定性。

物聯協議
物聯協議是大型IoT平臺必須考慮的問題，因為接入的設備類型多，很多場景需要多個設備互聯互動，良好的物聯協議設計可以減低設備接入的成本，提高穩定性和處理能力?，F在每個物聯平臺都有自己的物聯協議。

物聯協議可以細分為通用協議和領域定制協議。通用協議可以做物聯通道的兜底方案，對設備有一個統一的收口，而具體領域定制協議可以根據品類和業務深入定制行業解決方案，優化領域和領域設備的接入速度，優化業務流程和場景質量。一個優秀的領域協議需要綜合平臺、方案商、設備制造商多方經驗才能制定，忌諱由平臺制定后強推。

下面用藍牙來舉例說明一下平臺的物聯協議和業務協議。

微信物聯的藍牙協議要求：廣播包中包含ServiceUUID:FEE7作為統一標識，FEA1為數據出口，FEA2為數據入口，把藍牙協議扁平化形成一種請求，相應的數據模式。這是一個通道的固定，并沒有涉及業務。
業務協議舉例：藍牙體重秤，協議如圖3。

圖3 藍牙體重秤協議

業務協議根據具體的通道，規定了二進制流中每一位數據的含義、數據長度、單位、大小端模式等。業務協議和智能設備具體的功能和要做的業務緊密相關。

動態化
物聯平臺因為接入的設備各種各樣，芯片有各種不同的方案，如果要兼容多種設備和方案，就必須要求這個架構有著非常好的靈活性，而動態化可以極大提高靈活性。

客戶端通過HTML5、React-Native等動態化渲染技術，解決業務層的動態化；數據協議的動態化可以在客戶端或者服務端，通過動態化腳本方案實現；設備端的動態化可以考慮OTA固件升級實現。

上面只是動態化的一些具體實現方向，對于大型的物聯平臺，往往是通過一整套架構和模型去解決的，阿里IoT平臺就有自己的一整套解決方案，因為會涉及到商業機密，這里不再詳述。

總結

本文淺嘗輒止地介紹了IoT方向的一些無線通信技術以及IoT模型選擇的思考，歡迎大家入坑。這些方案是近年來的主流方案，而隨著IoT的飛速發展，也許幾年后就會出現一些殺手級的方案完全改變IoT的現狀和格局。也有許多已知技術正在孕育當中，比如Bluetooth5和NB-IoT，Bluetooth5相比4.2，在組網和傳輸距離上有了很大提升，連接范圍擴大了4倍，速度提高了2倍，無連接數據廣播能力提高了8倍，同時提升了組網能力。筆者和TI，Nordic工程師有聊到過，設備廠商的5.0芯片都已經開發完成，等待生產。量產后，預計會對ZigBee有很大的沖擊。

而NB-IoT的提出就是針對IoT的使用場景，其最大特色是覆蓋面廣，價格便宜。NB-IoT現在聯盟的力量很強大，大部分芯片商、通訊商、電信運營商都參與其中，積極推進NB-IoT的公共網絡建設，預計就在這一年兩內NB-IoT的網絡會覆蓋國內很多地區，未來潛力非常值得關注。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的IoT -- (九) IoT通讯技术选型与模型设计的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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