物联网无线通信技术应用探讨

许杰

摘 要：文章分别介绍了物联网无线通信技术中的短距离通信技术RF433/315M，ZigBee，WiFi，蓝牙，Z-wave，IPv6/6LoWPAN以及广域网通信技术中的NB-IoT和LoRa，并分析了每类通信技术的特点及应用场景。

关键词：短距离通信技术；广域网通信技术；ZigBee；Z-Wave；NB-IoT；LoRa

1 物联网概念

“物联网”概念在1999年美国麻省理工学院首次被提出，随着物联网技术的不断发展，物联网的概念也随之更新，当前主要是指信息和物理设备的融合，把物体和事件通过信息表达，在物与物之间实现信息交互，实现物体的识别、实时定位与管理。从功能的角度分析，物联网是一个具有感知、互联、计算和控制能力的信息系统。从功能角度抽取的物联网体系结构一般包含物联网从感知、传输、处理和执行等部件[1]。

2 物联网无线通信技术及应用场景

物联网最初是指设备之间的数据传输，解决物与物相联，采用的是有线方式，比如RS323，RS485，考虑设备的位置可移动的方便性，后期更多采用无线方式。物联网的无线通信技术很多，主要有两类：一是短距离通信技术包括无线RF433/315M，ZigBee，WiFi，蓝牙，Z-wave，IPv6/6 LoWPAN等；另一类是低功耗广域网（Low Power Wide Area Network，LPWAN），即广域网通信技术。包括NB-IoT和LoRa等。

2.1 RF433/315M

无线收发模组，采用射频技术，工作在ISM频段（433/315 MHz），包含发射器和接收器，频率相对稳定，数据传输速率在1～128 kbps之间，一般选用GFSK的调制方式，具有比较强的抗干扰性能。主要应用集中在汽车、医药、食品、交通运输、能源、军工、动物管理以及人事管理等各领域。具体应用项目包括无线抄表系统、无线路灯控制系统、铁路通信、航模无线遥控、无线安防报警、家居电器控制、工业无线数据采集等。

2.2 WiFi

基于符合IEEE 802.11标准的无线局域网，是有线局域网的无线延伸。WiFi只需要一个无线接入点就能组成无线局域网络，实现简单，成本低廉。WiFi具有速度较快的优点，无需网桥设备可以直接接入互联网，而且支持与手机进行数据通信，但WiFi芯片的封装尺寸偏大，功耗较高，不利于大范围使用。WiFi技术应用已经从家庭的网络设备向传统的医疗保健、库存管理、教育等领域扩展。

2.3 蓝牙（Bluetooth）

主要应用频段在2.4～2.485 GHz的ISM波段的特高频无线电波（Ultra High Frequency，UHF）频段是基于数据包、依据主从架构的无线通信技术标准，可以实现固定设备、移动设备和局域网之间的短距信息传输。蓝牙可以利用跳频技术将数据分割成数据包，通过不同的蓝牙频道传输数据包。不同频道的频宽为1 MHz，蓝牙4.0不同频段间隔为2 MHz，可容纳40个频段。蓝牙在近距离无线传输具有很大优势，主要应用于鼠标、键盘、耳机等近距离数据传输的可穿戴设备。

2.4 ZigBee

是基于IEEE802.15.4标准的低速、短距离、低功耗、双向无线通信技术的局域网通信协议，又称紫蜂协议[2]。ZigBee具有近距离、低复杂度、自组织（自配置、自修复、自管理）、低功耗、低数据速率的特点，由物理层、媒体访问控制层（Media Access Control Layer，MAC）、传输层、网络层、应用层组成。物理层和媒体访问控制层依据IEEE 802.15.4标准，主要应用于传感控制应用。ZigBee的蜂窝式的传输模式，具有数据转发功能，主要用于可视距离的传输，适用室外空旷场所。ZigBee3.0技术整合了此前ZigBeePro一些应用场景，包括家庭电器、建筑物自动化、LED照明、医疗看护、零售、智慧能源等方面。

2.5 Z-Wave

是由丹麦公司Zensys开发的基于射频的、低成本、低功耗、高可靠、可用于网络的近距离无线通信技术，利用FSK（BFSK/GFSK）等调制方式，可以实现9.6～ 40 kb/s的数据传输速率，信号可以在室内传输30 m，室外可大于100 m，适用于窄宽带应用场景。Z-Wave利用动态路由技术，使得每个Z-Wave网络都有自己的网络地址；网络内每个节点的地址，由控制节点分配。每个网络最多可以容纳232个节点，包括控制节点。Zensys提供Windows开发用的动态链接库（Dynamically Linked Library，DLL），开发者利用该DLL内的API函数来进行PC软件设计[3]。利用Z-Wave技术搭建的无线近距离网络，不仅可以实现对家电的遥控，甚至可以通过广域网对Z-Wave网络中的设备进行控制。

2.6 IPv6/6LoWPAN

符合IPv6 over IEEE 802.15.4标准的低速无线局域网，IEEE 802.15.4标准主要用于开发靠电池运行小型低功率廉价传感器设备。该标准使用2.4 GHz频段的无线收发设备传送数据，使用的频率与WiFi相同，但发射功率只有WiFi的1%。6 LoWPAN通信技术使各种低功率无线设备能够融入IP家庭网络中，并同时可以与WiFi、以太网以及其他类型的设备工作在同一网络中；6 LoWPAN技术的低功耗、自组织网络的特点，在物联网感知层、无线传感器网络得到了广泛的应用。

2.7 LoRa

LoRa由美国Semtech公司支持的基于扩频技术的超远距离物联网无线通信技术。它使用线性调频扩频调制技术，既具有低功耗特性，又明显增加通信距离，同时也提高了网络效率并消除了干扰，即不同扩频序列的终端即使使用相同的频率同时发送也不会相互干扰，因此在此基础上研发的集中器/网关（Concentrator/Gateway）能够并行接收并处理多个节点的数据，大大扩展了系统容量[4]。LoRa主要使用免费的非授权频段，并且是异步通信协议，具有功耗低、成本低廉的特点。LoRa网络包括终端设备、网关、服务器组成，数据可以进行双向传输，传输距离最远可以达到15～20 km。LoRa技术具有得低功耗、大范围覆盖、易于部署的优点，这使其非常适用于功耗低、远距离、大规模等的物联网应用场景，例如智能抄表系统、智慧停车、车辆定位追踪、智慧農业、智慧工业、智慧城市等领域。

2.8 NB-IOT

窄带物联网（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）是由3GPP标准化组织定义的一种技术标准，是一种专为物联网设计的窄带射频技术。NB-IoT使用了授权频段，有3种部署方式：独立部署、保护带部署、带内部署。移动网络的信号覆盖范围取决于基站密度和链路预算。NB-IoT具有164 dB的链路预算，GPRS的链路预算有144 dB（TR 45.820），LTE是142.7 dB（TR 36.888）。与GPRS和LTE相比，NB-IoT链路预算有20 dB的提升，开阔环境信号覆盖范围可以增加7倍。20 dB相当于信号穿透建筑外壁发生的损失，NB-IoT室内环境的信号覆盖相对要好。一般，NB-IoT的通信距离是15 km。NB-IoT技术包含五大主要应用场景，包括位置跟踪、环境监测、智能泊车、远程抄表、畜牧业。

3 结语

物联网是一个多样化的网络，方案的设计要综合考虑带宽、覆盖范围、网络容量、可靠性、电池寿命、成本、交互频率和扩展性等因素，才能最终形成设计方案。各技术之间并不是完全排斥的，互补共存要远远大于替代，低功耗广域网络和局域网络技术形成的互补共存在物联网中有多种体现方式，包括对原有解决方案的扩展、增加生存周期的能力。当前多种物联网无线通信技术标准都有其各自的应用场景，这也是物联网各种无线通信技术发展的必然过程。

[参考文献]

[1]陈海明，崔莉，谢开斌.物联网体系结构与实现方法比较研究[J].计算机学报，2013（1）：171.

[2]蒲泓全，贾军营，张小娇，等.ZigBee网络研究综述[J].计算机系统应用，2013（9）：6.

[3]彭建华，王新.ZigBee与Z-Wave通信技术比较研究[J].山西电子技术，2012（4）：62-64.

[4]郑宁，杨曦，吴双力.低功耗广域网综述[J].信息通信技术，2012（2）：47.