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物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)協(xié)議大總結(jié)

2024/12/26
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下面將詳細(xì)總結(jié)在物聯(lián)網(wǎng)項目開發(fā)中常用的無線組網(wǎng)技術(shù)（BLE、RFID、NFC、4/5G、NB-IoT、WiFi、LoRa、ZigBee），分析它們的優(yōu)缺點和適用場景。

常用組網(wǎng)技術(shù)/協(xié)議（BLE、RFID、NFC、4/5G、NB-IoT、WiFi、LoRa、ZigBee）均屬于計算機網(wǎng)絡(luò)OSI模型中的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。

近距離通信

BLE（Bluetooth Low Energy）

BLE是一種低功耗藍(lán)牙技術(shù)，主要用于近距離低速數(shù)據(jù)傳輸。

優(yōu)點：

  • 低功耗：BLE采用低功耗技術(shù)，適用于長時間低功耗的應(yīng)用場景。
  • 穩(wěn)定性好：BLE信號穩(wěn)定，不容易受到干擾。
  • 設(shè)備廣泛：BLE設(shè)備廣泛，支持的終端設(shè)備種類多。

缺點：

  • 傳輸速率低：BLE的傳輸速率較低，最高只有幾十kbps。
  • 覆蓋范圍有限：BLE覆蓋范圍受限，信號容易受到建筑物等物理因素的影響。
  • 數(shù)據(jù)傳輸距離有限：BLE的數(shù)據(jù)傳輸距離受限，只能在短距離內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)，通信距離50米。
  • 不可直接接入互聯(lián)網(wǎng)。

BLE主要應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、健康監(jiān)測、室內(nèi)導(dǎo)航、移動支付以及游戲控制器等低功耗、短距離通信的場景。

RFID（Radio Frequency Identification）

無線射頻識別技術(shù)，是一種通過無線電波自動識別目標(biāo)并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)的技術(shù)。RFID系統(tǒng)由讀寫器和標(biāo)簽兩部分組成，標(biāo)簽內(nèi)置有一個微型芯片和天線，通過無線電波和讀寫器進(jìn)行通信。RFID技術(shù)具有非接觸式、長距離、高速度等特點。

優(yōu)點：

  • 無需接觸地對物品進(jìn)行識別，提高了工作效率。
  • 實現(xiàn)對物品的跟蹤和監(jiān)管，有助于提高物流管理的效率和準(zhǔn)確性。
  • 讀取到物品的實時信息，實現(xiàn)了物品的實時監(jiān)控。
  • 通信距離較長，工作距離可以從幾厘米到幾十米不等，取決于標(biāo)簽和讀寫器之間的頻率、功率和天線大小等因素。

缺點：

  • 讀寫器的價格較高，對于中小企業(yè)來說成本較高。
  • 標(biāo)簽容量有限，存儲的信息較少。
  • 讀寫器和標(biāo)簽之間的距離過遠(yuǎn)或存在物品干擾時，可能會導(dǎo)致讀取失敗。
  • 不可直接接入互聯(lián)網(wǎng)。

RFID主要應(yīng)用于廣泛應(yīng)用于物流管理、倉庫管理、生產(chǎn)制造、金融支付等領(lǐng)域。

NFC（Near Field Communication）

近場通信技術(shù)，是一種短距離高頻無線通信技術(shù)，通信距離通常在10厘米以內(nèi)。NFC技術(shù)可以實現(xiàn)手機和標(biāo)簽之間的通信，也可以實現(xiàn)手機之間的通信。

優(yōu)點：

  • 無需接觸地對物品進(jìn)行識別，提高了工作效率。
  • 可以實現(xiàn)手機和標(biāo)簽之間的無線通信，實現(xiàn)了便捷的移動支付。
  • 通信距離短，保證了通信的安全性。

缺點：

  • 通信距離短（10cm），限制了其應(yīng)用場景。
  • 標(biāo)簽容量有限，存儲的信息較少。
  • 數(shù)據(jù)傳輸速度較慢，無法滿足高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟆?/li>
  • 不可直接接入互聯(lián)網(wǎng)。

RFID主要應(yīng)用于廣泛應(yīng)用于移動支付、門禁系統(tǒng)、智能手環(huán)等領(lǐng)域。

遠(yuǎn)距離蜂窩通信

不需要網(wǎng)關(guān)，芯片可以直接連上移動，聯(lián)通，電信運營商。

4G LTE

4G LTE是第四代移動通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，采用OFDM（正交頻分復(fù)用）技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)高速率、高可靠性、高效率的無線通信。

優(yōu)點：

  • 高速率：支持下行最高150Mbps和上行最高50Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率，比前幾代移動通信技術(shù)快了數(shù)十倍。
  • 可靠性高：利用多天線技術(shù)和自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)等多種技術(shù)手段，實現(xiàn)了多路徑信道的并行傳輸，能夠有效提高信號覆蓋范圍和抗干擾能力。
  • 靈活性強：支持高速移動通信，適用于各種不同的通信場景和業(yè)務(wù)需求。

缺點：

  • 延遲較高：由于需要在多個子載波上傳輸數(shù)據(jù)，信號需要解調(diào)復(fù)雜，導(dǎo)致傳輸延遲較高。
  • 能耗較大：高速傳輸需要大量能量支持，相比較而言，對電池壽命和設(shè)備成本都有一定的影響。

適用場景：

  • 高速移動的場景，例如高速列車、汽車等。
  • 移動寬帶通信，例如視頻流媒體、在線游戲等。
  • 移動物聯(lián)網(wǎng)（IoT）通信，例如智能家居、智能交通、共享單車、豐巢等。

5G

5G是第五代移動通信技術(shù)，采用了大規(guī)模MIMO和波束成形等先進(jìn)技術(shù)。

優(yōu)點：

  • 高速率：支持下行最高20Gbps和上行最高10Gbps的數(shù)據(jù)傳輸速率，比4G LTE更快。
  • 低延遲：能夠?qū)崿F(xiàn)1ms以下的延遲，能夠支持更多實時業(yè)務(wù)應(yīng)用，如VR/AR等。
  • 多連接：支持海量設(shè)備的連接，能夠滿足5G時代百億物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的互聯(lián)需求。
  • 能效高：5G采用了更高效的編碼和信號處理技術(shù)，相比4G LTE能夠節(jié)省更多的能量。

缺點：

  • 部署成本高：由于5G網(wǎng)絡(luò)的部署需要高密度基站，因此建設(shè)成本較高。
  • 功耗較大。
  • 兼容性差：5G的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)尚未完全統(tǒng)一，不同運營商和國家之間可能存在不兼容的問題。

適用場景：

  • 大規(guī)模機器通信，例如自動駕駛、智能交通、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等。
  • 低時延高可靠性的通信，例如遠(yuǎn)程醫(yī)療、虛擬現(xiàn)實、工業(yè)自動化等。
  • 高速移動和高密度設(shè)備的場景，例如高速列車、體育場館等。

NB-IoT （Narrowband Internet of Things）

窄帶物聯(lián)網(wǎng)是一種基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的窄帶物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，是3GPP（3rd Generation Partnership Project）組織定義的物聯(lián)網(wǎng)低功耗寬帶無線通信技術(shù)之一，可直接部署于GSM網(wǎng)絡(luò)（2G）、UMTS網(wǎng)絡(luò)或LTE網(wǎng)絡(luò)（4G），5G網(wǎng)絡(luò)。NB-IoT技術(shù)是通過在現(xiàn)有的移動網(wǎng)絡(luò)中新增一個無線物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)元，以實現(xiàn)長時間、低功耗、低成本的設(shè)備互聯(lián)。通?；?a class="article-link" target="_blank" href="/baike/1555864.html">應(yīng)用層的CoAP協(xié)議連上服務(wù)器，當(dāng)然也可以基于MQTT，不過功耗會高，沒必要。

優(yōu)點：

  • 低功耗：NB-IoT傳輸數(shù)據(jù)時只需要使用較低的功率，因此可延長設(shè)備電池壽命。
  • 寬覆蓋范圍：NB-IoT采用的是窄帶通信技術(shù)，具有較強的穿透能力，可以在地下室、地下停車場等弱信號區(qū)域?qū)崿F(xiàn)連接。
  • 穩(wěn)定可靠：NB-IoT的網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣，信號強度穩(wěn)定，不容易受到干擾，通信質(zhì)量較高。
  • 高安全性：NB-IoT采用了端到端的加密機制，保障了通信數(shù)據(jù)的安全性。
  • 高連接密度：NB-IoT可以同時連接大量的設(shè)備，每平方千米可支持?jǐn)?shù)萬臺設(shè)備。
  • 兼容性好：NB-IoT基于現(xiàn)有的4G網(wǎng)絡(luò)建立，對4G基礎(chǔ)設(shè)施的更新非常有限，因此具有很好的兼容性。
  • 多連接：支持海量設(shè)備的連接，能夠滿足5G時代百億物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的互聯(lián)需求。
  • 可支持長距離通信：通信距離10KM。

缺點：

  • 傳輸速率較慢：NB-IoT最大傳輸速率只有250Kbps，一般在200kbps以下，無法滿足高速數(shù)據(jù)傳輸需求。
  • 高時延：由于NB-IoT技術(shù)的窄帶特性，每次傳輸數(shù)據(jù)時都需要進(jìn)行多次握手和認(rèn)證，因此存在較高的時延。
  • 需要買SIM卡

NB-IoT適用于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備對傳輸速率和時延要求不高、數(shù)據(jù)量較小的場景，如智能電表、智能停車等。

遠(yuǎn)距離非蜂窩通信

不能直接接入互聯(lián)網(wǎng)，需要通過一個網(wǎng)關(guān)中轉(zhuǎn)才能連上電信等運營商。

WiFi

WiFi是一種基于IEEE 802.11協(xié)議的無線局域網(wǎng)技術(shù)，主要用于短距離高速數(shù)據(jù)傳輸，它允許計算機、智能手機、平板電腦和其他設(shè)備使用無線信號與互聯(lián)網(wǎng)和其他設(shè)備進(jìn)行通信，主要頻段是2.4G和5G Hz。由于WiFi的高速傳輸和廣泛的應(yīng)用，它已經(jīng)成為現(xiàn)代無線通信的重要基礎(chǔ)設(shè)施之一。通?；趹?yīng)用層的MQTT協(xié)議連上服務(wù)器。

優(yōu)點：

  • 高速數(shù)據(jù)傳輸：WiFi支持高速數(shù)據(jù)傳輸，最高可以達(dá)到幾百Mbps，可以滿足高帶寬應(yīng)用，如高清視頻、在線游戲等的需求。
  • 可靠性：WiFi網(wǎng)絡(luò)的可靠性相對較高。因為現(xiàn)代路由器都具備自動尋找最佳信號的功能，同時還具備冗余功能，即使某個節(jié)點出現(xiàn)問題，數(shù)據(jù)仍然可以通過其他節(jié)點傳輸。
  • 方便性：WiFi網(wǎng)絡(luò)非常方便，可以通過密碼保護，讓不想使用你的網(wǎng)絡(luò)的人無法進(jìn)入。
  • 設(shè)備廣泛：WiFi設(shè)備廣泛，支持的終端設(shè)備種類多。
  • 廣泛的應(yīng)用：WiFi技術(shù)被廣泛應(yīng)用于家庭、辦公室、公共場所等各種場合。

缺點：

  • 能耗較高：由于WiFi的高速傳輸，會造成較高的能耗，不適用于長時間低功耗的應(yīng)用場景。
  • 受干擾：由于WiFi信號是通過無線電波傳輸?shù)?，因此可能會受?a class="article-link" target="_blank" href="/baike/481275.html">電磁波干擾，包括微波爐、其他無線網(wǎng)絡(luò)等。此外，信號還會受到墻壁、隔板等物理障礙物的干擾。
  • 覆蓋范圍有限：WiFi覆蓋范圍受限，信號容易受到建筑物等物理因素的影響，大型建筑物、大型公共場所等需要使用多個WiFi熱點才能完全覆蓋。
  • 成本較高：WiFi設(shè)備的成本相對較高。

WiFi適用于需要高速數(shù)據(jù)傳輸和較大帶寬的場景，如家庭、企業(yè)和公共場所的網(wǎng)絡(luò)接入。WiFi還常用于物聯(lián)網(wǎng)中的設(shè)備互聯(lián)，例如智能家居、智能辦公和智能城市等領(lǐng)域。在這些場景下，WiFi可以支持多種應(yīng)用，例如視頻和音頻流媒體、在線游戲、遠(yuǎn)程辦公、文件共享等等。

ZigBee

ZigBee是一種低功耗、高網(wǎng)絡(luò)可靠性的無線通信技術(shù)，用于短距離和低數(shù)據(jù)速率的通信。它的通信協(xié)議基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域。通常基于應(yīng)用層的MQTT協(xié)議連上服務(wù)器。

優(yōu)點：

缺點：

  • 低數(shù)據(jù)速率：ZigBee通信速率低，小于100kbp，不適用于高速數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用場景。
  • 傳輸距離短：由于ZigBee的傳輸距離較短，10-100m，因此需要在網(wǎng)絡(luò)中添加更多的設(shè)備才能實現(xiàn)更大的覆蓋范圍。
  • 兼容性差：不同廠家生產(chǎn)的ZigBee設(shè)備可能不兼容，因此需要在設(shè)備選型時考慮設(shè)備的兼容性。
  • 網(wǎng)絡(luò)容量限制：由于ZigBee使用的是非受限頻段，因此網(wǎng)絡(luò)容量受到限制，不適用于大規(guī)模數(shù)據(jù)傳輸。
  • 信道干擾：當(dāng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中存在干擾源時，會對信號傳輸產(chǎn)生影響，從而降低網(wǎng)絡(luò)性能。
  • 頻率限制：ZigBee的通信頻率受到限制，只能在特定的頻段內(nèi)使用，一般是2.4G Hz。

ZigBee適用于需要構(gòu)建低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本、低復(fù)雜度的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的場景，對于對傳輸延遲、能耗等有一定要求的場景非常適用，如智能家居、工業(yè)自動化、智能農(nóng)業(yè)、安防監(jiān)控等。

LoRa（Long Range）

LoRa（Long Range）是一種低功耗、遠(yuǎn)距離的無線通信技術(shù)，屬于物聯(lián)網(wǎng)中的LPWAN（Low Power Wide Area Network）范疇。它采用了擴頻調(diào)制技術(shù)和前向糾錯編碼技術(shù)，使得信號的傳輸距離更遠(yuǎn)、抗干擾能力更強，同時功耗也比較低，能夠滿足物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備長時間運行的需求。通?；趹?yīng)用層的MQTT協(xié)議連上服務(wù)器。

優(yōu)點：

  • 長距離傳輸能力：LoRa技術(shù)的傳輸距離可達(dá)10公里以上，能夠覆蓋城市、鄉(xiāng)村和山區(qū)等廣闊的范圍。LoRa技術(shù)可以在不同種類的地形和建筑物中傳輸信息，而不需要額外的中繼設(shè)備。
  • LoRa技術(shù)采用低功耗的通信模式，可以通過電池長期供電，降低了維護成本。
  • 高抗干擾性：LoRa技術(shù)采用了頻移鍵控（FSK）和擴頻技術(shù)，可以減小對信號的干擾和防止竊聽。
  • 低成本：LoRa技術(shù)的芯片和設(shè)備相對較便宜，可以大規(guī)模應(yīng)用于智能城市、智能家居等領(lǐng)域。
  • 易于部署：LoRa技術(shù)需要的基礎(chǔ)設(shè)施很少，可以快速實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)覆蓋。

缺點：

  • 低傳輸速率：由于LoRa技術(shù)使用的是低頻帶寬，傳輸速率相對較慢，一般在300bps-50kbps之間，不能滿足高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟆?/li>
  • 時延較大：LoRa通信的時延較大，一般在幾百毫秒到幾秒鐘之間，對于需要快速響應(yīng)的應(yīng)用場景不太適合。
  • 不支持語音和視頻通信：LoRa技術(shù)主要用于低速數(shù)據(jù)傳輸，不適合用于實時語音和視頻通信等高速數(shù)據(jù)傳輸。

總體來說，LoRa技術(shù)適用于需要長距離、低功耗、低速數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用場景，比如智能城市、智能農(nóng)業(yè)、工業(yè)自動化等。

LoRa與ZigBee對比

  • 傳輸距離：LoRa的傳輸距離遠(yuǎn)大于ZigBee。
  • 通信功耗：LoRa的功耗比ZigBee低。
  • 抗干擾能力：LoRa比ZigBee具有更高的抗干擾能力。
  • 網(wǎng)絡(luò)容量：LoRa支持的節(jié)點數(shù)比ZigBee多，網(wǎng)絡(luò)容量更大。
  • 網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性：ZigBee在干擾較少的環(huán)境中穩(wěn)定性更好。
  • 傳輸速率：ZigBee的傳輸速率比LoRa更快。

所以LoRa更適合于需要遠(yuǎn)距離傳輸、具有高抗干擾能力、數(shù)據(jù)量少的應(yīng)用。

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