摘要:通信技术是物联网的基础,如果把物联网比作是物流系统,那么通信技术就相当于 是送快递的各种运输方式,比如空运、水运还有陆运等。在通信技术当中,大体上它可以分为两大类,一类是无线通信技术,另一类是有线通信技术。

本文分享自华为云社区《物联网通信技术之有线通信技术那些你不知道的事》,原文作者:爱吃面包的猫。

 

网络层的通信技术相当于是感知层和平台层连接的媒介。通信技术是物联网的基础,如果把物联网比作是物流系统,那么通信技术就相当于是送快递的各种运输方式,比如空运、水运还有陆运等。在通信技术当中,大体上它可以分为两大类,一类是无线通信技术,另一类是有线通信技术。首先,我们先来看有线通信技术有哪几种类型,它们区别在哪里呢?

以太网

以太网(ETH)简单来说就是用户使用的网线网络。以太网是当前 TCP/IP 主要的局域网技术,也是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准。在物联网领域,以太网除了在办公场景当中有线接入当中会被使用到之外,主要是在工业上应用的比较多,因为以太网的成本低,又是 IEEE 的通用标准,所以就改良成了工业以太网。

 

以太网的核心技术是采用 CSMA/CD(载波监听多路访问/冲突检测)通信控制机制。CSMA 协议要求站点在发送数据之前先监听信道。如果信道空闲,站点就可以发送数据;如果信道忙,则站点不能发送数据。但是,如果两个站点都检测到信道是空闲的,并且同时开始传送数据,那么这几乎会立即导致冲突。另外,站点在监听信道时,听到信道是空闲的,但这并不意味着信道真的空闲,因为其他站点的数据此时可能正在信道上传送,但由于传播时延,信号还没有到达正在监听的站点,从而引起对信道状态的错误判断。在早期的 CSMA 传输方式中,由于信道传播时延的存在,即使通信双方的站点,都没有侦听到载波信号,在发送数据时仍可能会发生冲突。因为它们可能会在检测到介质空闲时,同时发送数据,致使冲突发生。

 

尽管 CSMA 可以发现冲突,但它并没有先知的冲突检测和阻止功能,致使冲突发生频繁。所以,可以对 CSMA 协议作进一步的改进,使发送站点在传输过程中仍继续侦听介质,以检测是否存在冲突。如果两个站点都在某一时间检测到信道是空闲的,并且同时开始传送数据,则它们几乎立刻就会检测到有冲突发生。如果发生冲突,信道上可以检测到超过发送站点本身发送的载波信号幅度的电磁波,由此判断出冲突的存在。一旦检测到冲突,发送站点就立即停止发送,并向总线上发一串阻塞信号,用以通知总线上通信的对方站点,快速地终止被破坏的帧,可以节省时间和带宽要求站点在发送数据过程中进行冲突检测,而一旦检测到冲突立即停止发送数据。这样的协议被称为带冲突检测的载波监听多路访问协议。

 

RS-232 与 RS-485

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学习过嵌入式开发的读者可能会比较了解 RS232,图 4-1 即为 RS-232 的接口示意图,很多读者都会觉得对其似曾相识,这是因为在台式电脑的后面就有这样的接口。RS232 的特点就在于它主要是支持一对一的通信并且通信的距离是比较短的,只能是不超过 20 米。RS485 就相当于是 RS232 的一个改良版,到了 RS485,它就支持一对多的传输了,总线上最多允许 128 个收发器。同时传输速率和通讯距离也得到了极大地提升。

 

RS-232 与 RS-485 的对比

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表 4-1 即为 RS-232 与 RS-485 的区别,简单来讲,两者之间的区别在于三点:第一点在于传输方式不同,RS-232 采取不平衡传输方式,即所谓单端通讯.而 RS-485 则采用平衡传输,即差分传输方式。第二点在于传输距离不同,RS-232 适合本地设备之间的通信,传输距离一般不超过 20m。而 RS-485 的传输距离为几十米到上千米。第三点在于通信数量不同,RS232 只允许一对一通信,而 RS-485 接口在总线上是允许连接多达 128 个收发器。

通信串口总线

在串口通信当中,除了 RS232 和 RS485 之外。还有 USB,USB 又叫通用串行总线,是连接计算机和其他外部设备的串口总线标准。在 USB 接口出现之前,电脑的接口处于春秋战国时代,串口并口等多方割据,像键盘、鼠标、Modem、打印机、扫描仪等都要连接到不同的接口上,一个接口只能连接一个设备,不过电脑不可能支持那么多的接口,所以扩展能力不足,而且速度有限。USB 正是为了解决速度、扩展能力、易用性应景而生的。

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正是由于它在生活当中非常常见,所以物联网这项与生活相接轨的技术也同样会广泛使用 USB 来进行数据传输。其中需要着重注意的一点是,USB 根据接口又被分为不同的类型,其中比较常见的就是图 4-2 中的四种,Type-A,Type-B,Micro-B 和 Type-C。

M-Bus 技术

M-Bus,也叫做 MeterBus。它是一种专门应用于远程抄表业务的总线,比如说在电表,水表,气表这表具当中的使用比较多,这种技术在国内的抄表业务中并不常见,但是在欧洲却被广泛使用。这种总线技术有什么样的特点就在于它可以在远程为设备供电,并且不需要布设电源线,所以说如果家里断电的话,对于这个仪表是不会有影响的。

电力载波 PLC 技术

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表 4-2 即为上述几种有线通信技术的简要对比,在有线通信技术当中,这些技术基本上是用在工业上和公共事业会相对多一点。因为在物联网领域,设备相对来说,移动性是比较强的,所以有线的通信方式应用的场景相对会少一点,更多的还是会用无线通信的方式来进行数据的传输。

四大短距无线通信特点及应用场景

接下来我们介绍 IoT 常见的无线通信技术,其中无线的技术又可以被细分成很多不同的部分,比如运营商使用的蜂窝网络,还有蓝牙等一系列短距通信技术。

BluetoothBluetooth,即蓝牙

这项技术在生活中非常常见,蓝牙在手机,电脑,平板等设备当中可以说已经是一个必备的技术了。蓝牙技术最初由电信巨头爱立信公司于 1994 年创制,当时是作为 RS232 数据线的替代方案。蓝牙可连接多个设备,克服了数据同步的难题。在物联网当中,比方说运动手环,智能电子秤当中都需要用到蓝牙技术。老版本的蓝牙技术,传输距离相对于其他的无线通信技术来讲是比较近的,只有 10 厘米到 10 米的范围。但是它的传输速率是比较快的,最高可以达到 1Mbps。

 

但是现在蓝牙技术已经发展到了蓝牙 5.0 的版本,虽然它还是属于短距无线通信技术,但它的传输距离已经可以达到非常远了。蓝牙 5.0 支持最高 3Mbps 的传输速率以及最远 300 米的传输距离。同时蓝牙技术在发展到后期是又被分为了两种技术类型,一种是 BR/DER,另一种是 LE。其中,需要重点去关注的是 LE 类型,因为 LE 类型的蓝牙技术是非常适合在物联网当中使用的。可能读者们所熟知的蓝牙技术还是以点对点的方式进行通信的,但是 LE 类型的蓝牙技术可以支持点对点、广播和 Mesh 等多种形式的网络拓扑结构,这就非常适合物联网场景下多设备连接进行数据传输了。

Wi-Fi

大多数人在家里或者办公等场景下完成日常上网肯定都会使用到 Wi-Fi。所以 Wi-Fi 的应用是非常广泛的。Wi-Fi 通常是用在 2.4G 和 5G 两个频段上,通过这两个不同的频段,它可以为不同的设备提供不同的服务。跟之前版本的蓝牙相比的话,Wi-Fi 的通信距离相对还是比较远的,并且支持一对多的连接。同时,它的传输速率同样也很快。但是,Wi-Fi 的缺点也十分明显,首先是它的安全性不好,稳定性非常差。比方说在看视频的时候,也许会发现视频看到一半卡住了。还有就是当用户在打电脑游戏的时候,感受会非常明显,如果用 Wi-Fi 上网打游戏的话,延迟的变化是非常大的,有的时候是二三十毫秒,有的时候就直接变成一两百毫秒了。所以 Wi-Fi 的稳定性是比较差的,并且 Wi-Fi 的功耗相对来讲是比较高的。如同蓝牙一样,Wi-Fi 目前也发展到了新一代的 Wi-Fi6 这个版本,它支持 9.6Gbps 的传输速率以及低至 20ms 的时延。

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ZigBee

相较于 Wi-Fi 与蓝牙,ZigBee 和下文中要描述的 Z-Wave 读者们可能对它知之甚少。ZigBee 也是一种短距离低功耗的无线技术,图 4-5 即为 ZigBee 设备的工作模式示意图,与图 4-4 中的 Wi-Fi 设备工作示意图相比其实就能发现该技术的特点。Wi-Fi 设备在连接时只能和 AP 或者主集中器相连接,但是 ZigBee 不一样,它的数据在设备与设备之间也是可以进行传递的。这代表的就是 ZigBee 这项技术易组网的特点,如果 Wi-Fi 设备的中间接入点坏掉的话,相当于整个网络就瘫痪了。但是 ZigBee 不一样,因为 ZigBee 的每台设备都可以充当中继,如果由其中一台设备坏了,其他的设备可以进行网络重组,找到另一个可以充当中继的设备就可以重新构建一个网络。ZigBee 技术的特点其实和它的名字是非常相近的,ZigBee 又称紫蜂协议,因为它来源于蜜蜂的八字舞,由于蜜蜂是靠飞翔和“嗡嗡”地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息,也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络,这与 ZigBee 具备的灵活组网的特点就非常相似了。

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除此之外,ZigBee 模组的成本很低,只有 2 美金左右,同时和 Wi-Fi 相比,它的速率就显得非常低了,只有 20 到 250kbps。同时它的缺点就在于兼容性差和不易维护。

Z-Wave

除了 ZigBee 之外,还有一项短距无线技术叫 Z-Wave。Z-Wave 其实跟 ZigBee 差不多,但是他们的区别就在于 Z-Wave 相对来讲更加可靠,但是它的协议标准不开放,同时 Z-Wave 的芯片只能通过 SigmaDesigns 这个公司来获取。Z-Wave 技术在最初设计时,就定位于智能家居无线控制领域。采用小数据格式传输,40kb/s 的传输速率足以应对,早期甚至使用 9.6kb/s 的速率传输。与同类的其他无线技术相比,拥有相对较低的传输频率、相对较远的传输距离和一定的价格优势。

短距无线技术对比

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针对上述四种 IoT 短距无线技术做了个简单的对比,主要的区别在于蓝牙和 Wi-Fi 的传速速率比较高,但老版本的蓝牙只能一对一连接,Wi-Fi 能一对多,所以,蓝牙主要用在鼠标,耳机,手机这些设备上,而 Wi-Fi 主要是用在家庭或者其他室内进行高速上网。同时基于 ZigBee 和 Z-Wave 设备它们低速率和连接节点多的特点,基本上不太可能应用在除了物联网之外的其他领域,因为它们的传输速率是在是太低了。所以 ZigBee 和 Z-Wave 主要应用于家庭自动化、智能家居、智慧大厦等等领域。

 

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