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物联网中常见的几种无线通信方式

一、概述

在当前社会经济发展形势下,信息传输对社会经济发展具有重要影响。近年来,通信技术水平得到显著提升,并得到迅速推广,已深入工业领域和民用领域之中,传统的通信方式已不能适应当前社会经济的发展需求,在此背景下无线通信技术应运而生。无线通信技术在其传输速度及成本方面具有显著优势,包括价格低廉、灵活多变、传输迅速等特点,在软件、网络、微处理器、云计算和物联网等诸多要素结合下,使实现数字化、智能化转型成为可能,在大型生产场景中会涉及到生产应用系统、设备、产品、人员等因素,让稳定、高速、易管理的无线网络成为必不可少的需求。

不同的无线通信方式在组网、功耗、通信距离、安全性、稳定性等方面各有差别,因此,不同的组网方式拥有不同的应用场景。目前工业物联网中最常见的几种无线通讯方式有Wi-Fi、蓝牙(Bluetooth)、NB-IoT、LoRa。

二、无线通信的几种方式

Wi-Fi

Wi-Fi是一种允许带WIFI功能的设备连接到一个无线局域网(WLAN)的技术,Wi-Fi全称Wireless Fidelity,又称802.11标准。广泛用于物联网应用案例,主要为移动设备接入LAN(局域网)、WAN(广域网),以及互联网而设计,移动设备扮演客户端角色,服务端为网络中心设备(如服务器等)。

(1)Wi-Fi技术的优点

覆盖范围广:Wi-Fi的半径则可达300英尺左右约合100米,还可进行增设天线或热点,扩大覆盖面积。

速度快可靠性高:通信时最高带宽为l1Mbps,在信号较弱或有干扰的情况下,带宽可调整为5.5Mbps、2Mbps、1Mbps,带宽的自动调整,有效地保障了网络的稳定性和可靠性。

网络结构:支持星型拓普结构组网。

(2)Wi-Fi技术的缺点

信号衰减大:相对于有线网络,无线网络在其覆盖的范围内,它的信号会随着离节点距离的增加而减弱,导致传输速度减弱,且无线信号容易受到遮挡物的阻碍、电磁环境及雷电天气的影响,无线信号容易受到同频率电波的干扰。

安全性差:Wi-Fi虽然提供了一种名为WEP的加密算法,它对网络接入点和主机设备之间无线传输的数据进行加密,防止非法用户对网络进行窃听、攻击和入侵。由于Wi-Fi没有线网络物理结构的保护,而且也不像要访问有线网络之前必须先连接网络,如果网络未受保护,只要处于信号覆盖范围内,只需通过无线网卡别人就可以访问到你的网络,占用你的带宽,造成你信息泄露。

(3)Wi-Fi技术的应用

随着Wi-Fi技术的发展和更新,Wi-Fi作为物联网最重要的连接方式之一,从第一阶段以手机、平板电脑、笔记本电脑等消费级电子终端为驱动,第二阶段以智能家居、智慧城市、智能制造、工业4.0等物联网应用为驱动,第三阶段以虚拟现实、超高清视频应用等新一代高速率应用为驱动,正重点渗透物联网应用场景,作为应用最广泛的无线联网手段。

蓝牙

蓝牙( Bluetooth )是一种近距离的无线传输技术,最早由爱立信公司于1994年创立,当时是作为RS232数据线连接的替代方案,可实现在固定设备、移动设备之间进行短距离的数据交换,从1998年发布蓝牙Bluetooth 1.0到现在,已发展到Bluetooth 5.0,在数据传输速度、稳定性、安全性、交换协议、功耗表现等方面有很大改进和提高。

(1)蓝牙技术的优点

传输方式:采用电路交换和分组交换技术,支持异步数据信道、三路语音信道以及异步数据与同步语音同时传输的信道,可同时传语音和数据。

对等连接:可以建立临时性的对等连接,根据蓝牙设备在网络中的角色,可分为主设备(Master)与从设备(Slave)。

体积小:蓝牙模块体积小,便于集成,通常都是直接嵌入移动设备内。

低功耗:蓝牙设备在通信连接(Connection)状态下,有四种工作模式,激活(Active)模式、呼吸(Sniff)模式、保持(Hold)模式和休眠(Park)模式,根据实际使用四种模式自动转换。

(2)蓝牙技术的缺点

传输距离短:蓝牙5.0理论上能够在100米左右的距离范围的设备之间进行短距离连线,但实际使用时大约只有10米左右。

抗干扰性差:由于蓝牙传输协议和其他2.4G蓝牙设备一样,都是共用这一频段的信号,会导致信号互相干扰的情况。

(3)蓝牙技术的应用

蓝牙技术比较大的特点就是让便携式的移动通讯设备快速联网,进行数据的传输与交换,目前普遍应用在移动终端、穿戴设备、智能家居、车辆网等行业中。

NB-IoT

NB-IoT(Narrow Band Internet of Things,简称NB-IoT)基于蜂窝网络的窄带物联网,可直接部署于 GSM 网络、UMTS 网络或 LTE 网络,以降低部署成本,实现平滑升级,是物联网领域的一种新兴技术,也是未来物联网建设的主要标准,NB-IoT标准已经冻结,中国已经处于规模商用阶段,因为支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接,也被叫作低功耗广域网LPWA。

(1)NB-IoT技术的优点

强连接:NB-IoT可以比现有无线技术提供50-100倍的接入数。支持低延时敏感度、低设备功耗和优化的网络架构。

覆盖广:NB-IoT能在室内、地下室进行覆盖,不仅可以满足偏远地方的网络覆盖需求,远距离通信可达10KM以上,也同样适用于厂区、车库、井盖这类对深度覆盖有要求的应用场景。

低功耗:NB-IoT聚焦小数据量、小速率应用,因此NB-IoT设备功耗可以做到非常小,设备续航工作时间可以从过去的几个月大幅提升到几年。

低成本:NB-IoT无需重新建网,射频和天线基本上都是复用。低速率、低功耗、低带宽同样给NB-IoT芯片以及模块带来低成本优势。

(2)NB-IoT技术的缺点

通信数据小:计算能力较弱、传输数据量小、升级较困难。

部署环境复杂:不少NB-IoT终端部署在户外等不安全的场所, 容易被盗窃、被控制。终端失控后易造成用户隐私 等信息的泄露。

升级难度大:NB-IoT终端部署广泛数量大、网络通信资源不够丰富,给NB-IOT终端及时升级带来困难。未能及时升级的“带病”终端是系统的安全隐患。

安全风险大:开放网络带来的安全风险。NB-IoT接入的网络和核心网面向大量终端开放,网络层易遭受来自终端及无线空间的攻击,给系统带来被入侵的风险。

(3)NB-IoT技术的应用

NB-IoT是互联网的延伸和扩展,具体来说,它是将各种信息传感设备与互联网结合起来,实现任何时间、任何地点,人、机、物的互联互通。目前NB-IoT已经广泛用在智能家居、智能仪表、智能设备、智慧城市、人工智能等领域。

LoRa

LoRa(Long Range,简称LoRa)无线传输,是由美国Semtech公司推出的一种基于扩频技术的低功耗窄带远距离通信技术,LoRa使用线性调频扩频调制技术,保持了低功耗的同时,增加了通信距离和网络效率,并消除了干扰,即使用相同频率同时发送数据也不会产生相互干扰,能并行接收、处理多个节点数据。在同样的功耗条件下比其他无线通信方式传播的距离更远,实现了低功耗和远距离的统一,它在同样的功耗下比传统的无线射频通信距离扩大3-5倍。

(1)LoRa技术的优点

通信距离远:城区通信距离在1KM-2KM,郊区通信距离可达15KM。

连接节点多:可添加万个节点数,网络部署拓扑布局可以根据具体应用和场景设计部署自行组网,成本低。

低功耗:在通信频次低、数据量不大的应用情况下,电池可使用1~5年。

(2)LoRa技术的缺点

安全性低:数据传输方式是将现场数据先发送到基站再传回企业服务器,并不是直接上传,这一过程中存在数据泄露。

延时性差:广域网的传输路径中干扰及遮挡因素不可控,链接传输有延时,容易导致数据接收不稳定。

(3)LoRa技术应用

LoRa正在全球范围内应用部署,因为其低功耗、深度覆盖、容易部署等优势使得其非常适用于要求功耗低、距离远、大量连接以及定位跟踪等的物联网应用,目前智能抄表、智能停车、车辆追踪、智慧工厂、智慧农业、智慧工业、智慧城市、智慧社区等领域得到应用。

三、无线通信在未来的发展

无线通信本身是一个多样化的市场,并没有任何一种技术可以解决所有问题,面对不同的无线通信技术,企业应该结合自身场景进行选择,满足需求解决痛点才能发挥其最大价值,为企业带来实实在在的效益。随着大数据、云服务、智能制造、高端装备等新技术的兴起,为顺应信息化、数字化、智能化的发展潮流,无线通信在商用、民用、工业各领域将获得更为广泛的应用,未来也将朝着更可靠、灵活、稳定及建设成本更低的方向发展。(来源于网络)

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