无线物联网连接：了解协议

当今，设计设备组织和物联网 (IoT) 系统在选取无线协议来促进与云之间的通信方面拥有诸多选择。随着蜂窝技术和基于 Wi-Fi 的技术可满足物联网的需求，可供选择的数量仍在增加。但是在广泛的选择之中，每一项选择的功能，例如覆盖、范围和数据速率，均能帮助为给定应用和情形作出正确的选择。

最重要的考量因素之一就是范围。许多设备采用具有宽带连接的网关与云之间进行数据的发送和接收。网关的可用性允许使用短期协议，该短期协议在较低的传输功率水平上运行。许多情况下，部署网关困难太大或者不符合经济效益。例如，由于分布范围过于广阔，部署在广阔开放水域的水库周围或铁轨沿线的传感器通常难以通过网关进行访问。

如此高度分散的传感器和仪表很可能采用蜂窝连接或 868MHz 等免授权千赫兹以下频带中的专用协议。这一领域由对成功导航物联网标准的需求以及蜂窝运营商实行的战略性变化所推动，正在见证着重大的变化。由于运营商力图实现其授权频谱分配最大化，他们期望将现有千赫兹以下的 GSM 网络进行转变以支持频谱效率更高的 LTE。

为了支持对机器到机器 (M2M) 以及物联网通信日益增长的需求，已提出多个基于 LTE 的蜂窝协议。短期来看，Cat-M 提供了一个适用于物联网设备的相对简单的 LTE 形式，所提供的数据速率高达 1Mbit/s ，并且能够访问已经广泛分布的蜂窝网络。然而，在两三年之内，3GPP 定义的窄带物联网很可能为物联网网络提供支持，这将降低设备和运营成本 – 采用约为 200kbit/s 的较低数据速率 - 并改善对艰难位置（如地下仪表）的访问。

LoRa 和 SIGFOX 主要在免授权频谱上运行，不仅在收发器设计方面，而且在定价模型方面，为蜂窝连接提供替代方案。当今，蜂窝运营商按使用数据收取费用，而商业运营商提供固定费率模型，支持免授权设备，每台设备每天收费低至 1 美元 。

由 Semtech 开发的 LoRa 通过其网络基站提供更强的控制，并尽可能降低运营成本，或者通过蓬勃发展的商业运营商，为物联网用户提供访问互联网的选项。其中之一就是物联网，这种技术在全球各城市重复实践，其中包括仅六周便在阿姆斯特丹建立完成的 LoRa 网络。

LoRa 由 Microchip、STMicroelectronics 以及 Semtech 所制造的设备支持，相比为地下设备提供访问（如停车场和水表）以及传输范围约为 10km 的传统收音机系统，LoRa 具有优势。使用扩展频谱调制方案有助于消除来自其他未授权频段用户的干扰，因为调制方案的数据速率介于 300bit/s 至 50kbit/s 范围内，与目前 GPRS 连接的数据速率相似。

相比之下，SIGFOX 采用超窄带传输技术限制功率，并且支持城市环境中广达 50km 的范围以及介于 10bit/s 和 1kbit/s 之间的数据速率。与其他大多数协议不同，SIGFOX 为单向链路。因其无需配备 RF 收发器唤醒以及长期输入通信接听功能，而用于最大程度降低物联网节点的功耗，但其存在限制，即无法远程使用传统 SIGFOX 收发器更新节点上的软件，需要采用另一台收音机。然而，一些专为免授权 ISM 设计的 RF 收发器能够满足相对简单的 SIGFOX 传输需求。供应商已宣布其正在采用 SIGFOX 进行物联网连接，其中包括 ON Semiconductor 和 Arrow Electronics，前者具备 AX-SIGFOX 单芯片解决方案，而后者启用其 SmartEverything 开发板，这是针对物联网和 M2M 应用的 Arduino 原型平台。

对于由网关提供支持的短程通信，2.4GHz 免授权频段已经成为无线网络的首要选择。蓝牙和 Wi-Fi 使用的 2.4GHz 还为 6LoWPAN 和 Thread 等专门为物联网设计的协议提供频谱。用于 6LoWPAN、Thread、ZigBee 和无线 HART 的主要基本标准是 IEEE 802.15.4。

核心 IEEE 802.15.4 支持广达 10m 的传输范围，其中传输速率为 250kbit/s，能够在千赫兹以下的免授权频段和 2.4GHz 频段上运行。6LowPAN 为核心 IEEE 802.15.4 标准增加了一套上层协议，提供与互联网协议 (IP) 的兼容性，并允许使用如 TCP、HTTP、COAP 和 MQTT 标准将源自云的标准 IP 通信送达物联网边缘设备。为了最大程度降低物联网数据传输上的协议开销，6LowPAN 采用管座压缩和其他数据封装技术。

为了扩大节点和网关之间的最大距离，6LowPAN 为网格网络提供支持。由于网格网络的拓扑结构，距离网关太远而无法抵达网关的节点可以依靠数据包使其在物理层面与网关更为接近，直至直接到达网关。由于网格网络可以动态分析网络的布通率，因此它们可以自动配置新设备，以便对系统已经获悉的模式加以利用。

2014 年推出的 Thread 建立于 6LowPAN 基础之上，为物联网提供验证和加密等更多功能，提高了整体安全性。然而，大多数情况下，简单的软件升级即可允许 Thread 在支持 IEEE 802.15.4 的设备上运行，例如，其中包含 Thread 集团创始成员 Silicon Labs 生产的设备。

尽管对于各种以物联网为导向的网络协议来说，IEEE 802.15.4 已经成为其核心基础设施，但是蓝牙也已成为需要考虑的关键标准。由于蓝牙能随时随地支持智能手机、平板电脑和笔记本电脑，它已为通过应用程序控制和配置物联网设备提供了一个重要机制。由于标准的增强，蓝牙也正成为用于物联网应用的关键协议，不再依赖于智能手机连接。蓝牙智能的引入能够支持使用少量数据进行传输的模式，从而显著降低功耗，使短程网络协议更加适用于物联网应用。

今年 [2016]，规格有望新增变化，它能够将正常传输范围扩展四倍 - 权衡以比特率为标准的改进范围。自适应协议将允许节点更加紧密的连接起来，以使用更高的比特率（蓝牙智能标准带宽 1Mbit/s 的两倍）。

网格网络预计将提高蓝牙设备在更远距离间进行通信的能力。随着 2013 年 4.1 版的发布，计划用于蓝牙的网格网络详细阐述了散射网概念。散射网为每个节点提供了在主模式和从属模式之间进行转换的能力，这样它可以将数据包传递至其他从属模式或主模式，以便到达目标收发器。通过允许与采用 6LowPAN 无线协议的设备进行交互，蓝牙协议最近发生的一些变化也有助于网络覆盖范围的扩展。

最后，对于物联网应用而言，WiFi 是更好的选择。相比大多数物联网协议，现有 WiFi 版本支持更快的数据速率，这些物联网协议可以应用于现场安全等应用中的视频传输。负责 WiFi 的 IEEE 工作小组当前工作版本为 IEEE 802.11ah – 这将显著降低功耗，并扩大传输范围用以交换更低的数据速率，1km 范围内每个通道约为 100kbit/s。

无线物联网的活动结果带来相当丰富的协议，适用于不同的目标市场。总有一款适合您的应用。

作者：RS Components 电子部产品营销经理 Simon Duggleby