IoT 通信协议 - 网络协议

出处:维库电子市场网 发布于:2023-12-01 17:01:16

  在采取行动并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: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: 两个互通节点之间的距离。它主要取决于发射功率、使用的频段和调制类型。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 IoT 网络协议范围的粗略图表。

  数据速率与各种物联网网络协议的范围

  图 1.各种 IoT 网络协议的数据速率与范围。图片由Embien提供
  功耗:节点在其生命周期内工作所需的能量。该参数定义了对电源或电池使用的需求。由于有许多应用使用电池,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,功耗会直接影响维护策略。
  互操作性:节点之间交换信息的能力,即使它们属于不同类型。
  可扩展性:在无需迁移技术的情况下部署更多节点、增加终用户数量以及存储和处理数据量的挑战。
  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拓扑相同。星形、网状、点对点和点对多点是拓扑的一些示例,如图 2 所示。

  不同网络拓扑的示例。
  图 2.不同网络拓扑的示例。图片由ITPRC提供
  安全性: 保护发送和接收数据的方法。需要保证节点之间传输的通信仅到达预期的节点。物联网技术已经无处不在,它们可以向用户传达敏感信息;因此,需要保护通信免受第三方侵害。
  物联网协议基础知识
  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,协议也随之发展。总而言之,主要有两类协议:网络协议和数据协议。此分类来自广泛应用于 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。低功耗蓝牙 (BLE) 是其进一步发展的一步,它显着降低了该协议所需的功耗。这种类型有利于传输来自传感器或可穿戴设备的少量数据。节点网络布局示例如图 3 所示。

  智能家居中蓝牙物联网网络节点的示例。
  图 3.智能家居中蓝牙 IoT 网络节点的示例。
  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。根据所选频段和特定技术,它可能足以满足低功率应用(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:它是一种低功耗广域(LPWA)协议,专为电池供电系统而设计。它在 sub GHz 433/868/915 MHz 和 2.4 GHz 范围内运行。LoRaWAN网络通常遵循星形拓扑,其中的元素是:终端节点、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近距离接触通信。在 NFC 中,有一个有源节点(例如智能手机)生成为标签供电的射频场。它工作在13.56 MHz频段,范围为几厘米。
  Sigfox: Sigfox 使用基于技术的超窄带 (UNB),它在ISM 频段工作,需要专用的基础设施。这意味着它可以在范围内使用,但需要本地运营商。
  Wi-Fi:Wi-Fi 连接 的工作频率为 2.4 GHz 和 5 GHz,因其普遍性和高数据速率而被广泛选择。它的主要缺点是功耗高,因此在电池供电的应用中不经常使用。
  Wi-Sun: Wi-Sun 是由 Wi-Sun 联盟创建的场域网络 (FAN) 协议,旨在实现低功耗和低延迟。它通过网状拓扑在 sub GHz 频段以及 2.4 GHz 频段运行。
  ZigBee: 该通信协议工作在 2.4 GHz 频段,适用于受限区域的短距离(<100 m)。ZigBee专为传输少量信息而设计,即需要真正低延迟的情况,并广泛应用于工业和消费者应用中。 ZigBee RF4CE 旨在取代红外遥控器(例如电视和 DVD 系统),并消除遥控器和设备之间的视线需求。

  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。其应用程序遵循网状网络拓扑,多执行 4 个希望。

  Z-Wave IoT 网络在家庭中的示例应用。

  图 5. Z-Wave IoT 网络家庭应用示例。图片由Qubino提供

关键词:通信

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