轉戰物聯網·基礎篇13-瞭解物聯網之物連接相關通信技術(2)

  接上篇文章，爲了瀏覽方便，將上一篇中的物聯網-物連接架構圖在這裏再次放一張。

三、硬件設備間組網的通信技術與通信協議（2）

11、6LoWPAN

  在6LoWPAN出現之前，一直認爲將IP協議引入無線通信網絡不太現實。因爲之前的IP協議對內存和帶寬要求較高，適配微控制器及低功率無線連接很困難。6LoWPAN標準的發佈有望改變這一局面，它是基於IEEE 802.15.4實現的IPv6通信，具有低功率運行、內置AES-128加密等。

  2004年11月IETF組織正式成立了IPv6 overLR-WPAN（簡稱6LoWPan）工作組，着手製定基於IPv6的低速無線個域網標準，即IPv6over IEEE 802.15.4，旨在將IPv6引入以IEEE 802.15.4爲底層標準的無線個域網。6LoWPan的出現推動了短距離、低速率、低功耗的無線個人區域網絡的發展。IEEE 802.15.4是LR-WPAN的典型代表。

  重要特性：
  定義在如何利用IEEE 802.15.4鏈路支持基於IP的通信的同時，遵守開放標準以及保證與其他IP設備的互操作性。

  消除對多種複雜網關(每種網關對應一種本地802.15.4協議)以及專用適配器和網關專有安全與管理程序的需要。

  6LoWPAN協調IPv6和IEEE802.15.4二者之間的關係，在網絡層與MAC層之間引入適配層。還解決地址配置和地址管理、網絡管理、安全等問題。

  低功耗，模組在待機模式下普通2節5號乾電池可以使用6個月以上。
  低速率，2.4GHz(250Kb/s)、828MHz(20Kb/s)、915MHz(40Kb/s3) 。
  短距離，單個節點信號傳輸距離有限，一般在10 ~ 100米左右；
  短幀長，最大幀長度爲127字節；
  多拓撲，網絡拓撲結構豐富，星型組網、點對點傳輸以及混合組網。

  優點：
  ● 在互聯網上可以方便的訪問使用6LowPAN的節點，可以不再依賴複雜的網關。
  ● IP網絡應用廣泛，IPv6普及提速，6LoWPAN基於此基礎上進行開發更簡單、有效。
  ● 基於IPv6地址空間更豐富，可以部署更大規模、更高密度的無線局域網絡。
  ● 可以根據MAC地址和相關規則自動配置好所需的IPv6地址。這對傳感器網絡十分有利，無需爲傳感器用戶界面。
  ● 接入其他基於IP技術的網絡更容易，IPV6的許多技術也比較成熟，開發也更加容易。

  缺點：
  ● 傳輸速率相對比較低，不適用需要高速通信的場景。
  ● 傳輸距離有限，遠距離傳輸需要配合其他技術。
  ● 目前比較系統、深入的案例資料較少，需要自己深入學習。

12、PROFINET

  PROFINET由PROFIBUS國際組織和西門子公司開發，是基於工業以太網技術的自動化總線標準，是又一種以太網通訊系統，爲自動化通信領域提供了一個完整的網絡解決方案。PROFINET具有跨供應商通訊能力，可以集成其它現場總線系統，保護現有投資。PROFINET技術方案包括實時以太網、運動控制、分佈式自動化、故障安全以及網絡安全等自動化領域等熱點話題。

  PROFINET獨立於製造商的網絡開放性，定製工廠解決方案的靈活性，快速調試和最大化工廠利用率的高效率，大規模網絡架構和快速傳輸的性能。

  重要特性：
  PROFINET技術定義了三種類型：PROFINET1.0基於組件的系統主要用於控制器與控制器通訊；PROFINET-SRT軟實時系統用於控制器與I/O設備通訊；PROFINET-IRT硬實時系統用於運動控制。PROFINET將工廠自動化和企業信息管理層IT技術有機地融爲一體，同時又完全保留PROFIBUS現有的開放性。

  PROFINET定義了以下三種的通訊協定等級：
  TCP/IP是針對PROFINET CBA及工廠調試用，其反應時間約爲100ms。
  RT（實時）通訊協定是針對PROFINET CBA及PROFINET IO的應用，其反應時間小於10ms。
  IRT（等時實時）通訊協定是針對驅動系統的PROFINET IO通訊，其反應時間小於1ms（實時週期爲250us，抖動小於1us）。

  優點：
  ● 基於以太網技術，可容納海量節點，拓撲靈活，是智慧工廠優選的方案之一。
  ● 始終如一的開放性，採用統一標準實施一致的端到端通信，不同製造商組件的連通性和互操作性，簡便集成現有系統，使用PROFINET標準web服務，PROFINET屬於一種既定標準（IEC 61158/61784）。
  ● 靈活實施理念，工業無線局域網（IWLAN）基於無線通信的全新應用領域；集成PROFIsafe的PROFINET確保工廠和設備安全，靈活的拓撲結構使PROFINET通信網絡可確保設備和工廠最佳規劃；可擴展，通過PROFINET，即使在運行期間，也可根據需要擴展網絡基礎設施。
  ● 高性能提升生產率，高精度大規模架構，高傳輸速率，有介質冗餘協議（MRP）以及系統冗餘可以使用。模塊化概念，快速啓動、無需等待。

  缺點：
  ● 在小型網絡中沒有價格優勢。
  ● 基於以太網，網絡數據延遲、數據遺失、發送與接收順序不同等問題需要針對性解決。因這是自動控制系統十分重要的因素，固會使自動控制系統變得更加繁雜，解決不好會使自動控制系統的特性遭受破壞。
  ● 初次實施相對比較複雜。

13、EtherCAT

  EtherCAT（以太網控制自動化技術）是一個以以太網爲基礎的現場總線系統的開放架構，其名稱的CAT爲控制自動化技術（Control Automation Technology）字首的縮寫。最早是由德國Beckhoff公司研發，之後由EtherCAT 技術協會維護。

  重要特性：
  EtherCAT總線系統支持星型、線型、樹型拓撲結構，傳輸介質可以是以太網電纜或光線，使用100Base-TX電纜臨站之間距離可達100米。單網最多可以連接65535個設備，全雙工通信或主從模式的環形結構。

  EtherCAT通訊協定是利用標準的IEEE 802.3以太網幀傳遞，單幀最多可傳遞1486字節的數據，對於開關量的數字輸入輸出，相當於11888位，而刷新時間則約爲300μs。也支持使用UDP/IP協議格式傳輸EtherCAT數據包。

  優點：
  ● 組網結構豐富、靈活，星型、線型、樹型均可支持。
  ● 傳輸速率高，同步性好，分散式時鐘機制，時鐘的抖動遠小於1µs，幾乎接近IEEE1588精密時間協議的標準。
  ● 既可以主從方式通信，又可以併發通信。
  ● 不論是在軟件還是硬件上都是標準和開放的。

  缺點：
  ● 實施成本偏高，不太適合低成本應用項目
  ● 系統化的架構，不太適合小規模應用使用，操作相對複雜。
  ● 控制器的開發語言多數以IEC61131的語言爲主，被工業界普遍接受（原則說這不能稱之爲缺點，只是相對轉戰物聯網的人來說的）。目前互聯網常用高級語言開發者需要一定的過渡。

14、RFID、NFC

  RFID 是 Radio Frequency Identification 的縮寫，實現閱讀器與電子標籤之間進行非接觸式的無線數據通信。閱讀器又稱爲讀出裝置、掃描器、讀寫器（如果有寫功能）等。電子標籤又稱射頻標籤、應答器、數據載體；應用場景相當廣泛，物流、零售、安防、停車場、生產線、物料、動物管理等都有它的蹤影。

  主要應用於物體身份識別及位置定位追蹤，近年來RFID相關技術發展迅猛。RFID的標準錯綜複雜，這裏就不逐一涉及了。

  重要特性：
  必需由閱讀器和電子標籤兩部分組成，屬於非接觸無線通信。根據電子標籤是否需要提供電源來區分，可分爲三類：無源RFID、有源RFID、半有源RFID。

  無源RFID的電子標籤不需要供電，工作頻段主要爲125KHz、13.56MKHz等。一般用於近距離識別，如公交卡、二代身份證、就餐卡等。

  有源RFID的電子標籤必需供電，工作頻段主要爲900MHz、2.45GHz、5.8GHz等，可同時識別多個標籤。一般用於遠距離大範圍的識別，如高速公路不停車收費系統使用的RFID識別就屬於這種。

  半有源RFID也需要供電，但是平時處在休眠狀態，僅消耗保持數據需要的電量，因此可以做到低功耗。當電子標籤進入閱讀器識別範圍內後，閱讀器先現以125KHz低頻信號在小範圍內精確激活電子標籤，再通過2.4GHz高頻進行數據傳輸。

  優點：
  ● 讀寫速度快，一次典型的RFID傳輸通常不到100毫秒。高頻段的RFID閱讀器還可以同時識別、讀取多個標籤的內容，極大地提高了數據傳輸效率。
  ● RFID標籤結構簡單，識別速率高、所需的讀取設備也相對簡單，體積小，容易封裝，可以嵌入產品內。尤其是NFC（RFID技術的一個細分）技術在智能手機上的普及，是每個用戶手機都將成爲簡單的RFID閱讀器。
  ● 安全識別度高，使用專用芯片、都有唯一的序列號、複製難度大。
  ● 電子標籤壽命長，比較耐用，沒有機械故障、可適應惡劣環境，具有防水、防磁、耐高溫等特點。

  缺點：
  ● 整體成本偏高，電子標籤比普通紙質標籤成本要高出幾十倍，尤其是需要RFID發射器、及天線的應用場景更增加了系統成本。
  ● 系統設計的安全隱私問題，需要很好的處理機制。
  ● RFID標籤一旦接近到讀寫器可讀範圍內，就會直接自動發出訊息，這給盜刷盜讀帶來機會，是比較難處理的問題。
  ● 技術成熟度仍待提高，解決存在的諸多隱患問題。

  NFC技術最初就是RFID技術和網絡技術的一個簡單合併，現在已經逐漸演變成一種短距離無線通信技術，發展態勢相當迅速。

  兩者最大的區別是，NFC比RFID傳輸範圍小，NFC採取了獨特的信號衰減技術，相對來說具有距離近、帶寬高、能耗低等特點。另外，NFC與現有非接觸智能卡技術兼容，已經被越來越多廠商支持，成爲了正式標準。

15、IrDA

  IrDA是由紅外線數據標準協會（InfraredDataAssociation）制定的一種無線協議標準。現在已經成爲利用紅外線進行數據通信的技術統稱。最初的定義是爲了實現點對點通信，現在已經可以實現點對多點通信。其硬件、軟件技術都已比較成熟。

  通訊速度目前最高可達4Mbps，通信距離因硬件發射元器件不同會有很大差異。主要用於可視範圍內的數據通信，由於通信路徑內不能有遮擋物，所以這也既是缺點也是有點。缺點是無法穿牆越物，優點是不會被牆外收到，不會相互干擾。最常見的應用場景就是電視機的遙控器。

四、組裝/解析信令層協議（應用層之上的協議）

  前面通過硬件之間的通訊協議，將終端設備的數據傳給了網關控制器。經控制器邏輯單元處理計算之後，還要將情況上報到雲端服務器。那這就需要與雲端服務使用相同的TCP層數據包結構，以及相同的有效負載結構。這個負載結構要規定傳遞的數據種類、長度、有效標誌、檢驗完整等等，這其實就是在定義數據結構和通信協議。由於在物聯網應用中，傳輸的數據基本就是兩類，一類是控制指令，一類是設備信息，所以我這裏稱之爲信令層協議（只爲了我的表述，大家理解就好）。

  信令層協議，是對指令信息的一種封裝，封裝之後就是一個信令數據包。大家可以根據自己的需要自行選擇使用的格式和方法，但是幾個基本功能和特性一定要涵蓋進去：

  1、不能增加太多額外的字節，要遵循物聯網通信的“受限”原則，保障通信的穩定性、廣適性。

  2、要有區分是不是本系統有效信令的專有標識，一般是利用頭尾標誌來解決，至於使用多少個字節，根據應用場景的網絡情況選擇，網絡狀況都很好的話，可以適當多幾個。

  3、要可以驗證本條信令接收是否完整，是否與發送端發送時的內容完全一致，從而避免丟包或串擾後也被當做正常信令處理的情況。

  4、要攜帶設備唯一ID，如果底層協議中有攜帶，那這裏也不要省略。這樣可以避免因代理服務器的BUG造成設備識別或信令分發的錯誤，這對物聯網系統來說是非常重要的。

  5、要考慮相關同一個設備同一個方向的多條信令，可能會因爲網絡原因造成的先後順序錯亂的問題。

  6、不同的信令要有可區別的唯一標誌，避免參數相同或類似的兩個信令被錯誤識別或執行。

  上面說的六點要求，是一個可靠的完整信令所必需的。否則物聯網項目中，設備將會出現很多意想不到的上報數據和控制結果。

  當網關控制器收到雲端下發的信令數據包後，也需要按照同樣的規則將最終的有效信息和指令解析出來，然後傳遞給硬件設備內部的控制變量和邏輯代碼。

  LwM2M就是一個公開標準的協議，它涵蓋了更多的功能，大家可以根據自己的項目情況，決定是使用LwM2M，還是自己封裝信令層協議。

五、應用層協議（攜帶信令數據包與雲端交互的協議）

  這裏的應用層協議，負責將信令層協議封裝好的信令數據包，通過網絡在網關控制器與雲端服務器之間進行交互通信。

  這一層使用的協議，比較典型的有下面幾個：

  Http1.1，這是大家最熟悉的通信協議了，我們通過瀏覽器打開網頁的時候，大多數都是使用的這個協議進行的互聯網通信。但是這個協議有個不利於物聯網項目的特點，就是信息頭字節數太多，有幾百個。這對於“資源受限”的物聯網項目中的硬件設備來說，開銷太大了，也延長了網絡交互的時間，提高了網絡連續穩定性的要求。所以，現在已經極少有人使用這個協議做物聯網項目中的應用層協議了。

  Http2，相對於Http1.1，具有更簡單，更高效，更強大的特點。顯著的相關特性就是壓縮了頭部域（信息頭），使用了二進制幀層，首次請求也就只有幾十個字節，二次請求會少到幾個字節。這方面比較有利於物聯網項目的應用。但是Http2的客戶端體積還是比較重，帶來的硬件資源開銷相比接下來介紹的還是要高很多，其它的新特性對物聯網應用又不太適用，所以目前使用Http2做物聯網應用層協議的也不多。

  CoAP，通俗的講，它更像是Http2的進一步減負（實際不是）。CoAP也是“請求 ~ 返回”的機制，具備很多Http的基本功能。但是 CoAP 做更進一步優化，協議包更輕量化，可雙向收發（通過請求時返回要發給請求方的數據），採用udp無連接。最小數據包可以做到4字節，可以說是專門爲物聯網應用而生的應用層協議，所以在物聯網項目中被大量使用。但是它有一個問題，如果服務端向主動發數據給設備端，必須要等到設備的下一個請求到來才能發下去，所以在要求下發即時性較高的項目中，不適合使用。

  MQTT，這是目前被大量應用到物聯網項目中的應用層協議，它也是工作在TCP/IP協議族上，是爲解決設備硬件性能低下、網絡狀況糟糕的情況而設計的，基於發佈/訂閱模式的消息協議（因此需要一個“代理”中間件）。利用心跳包（極小，只有2字節）維持連接，因此可以服務端主動向客戶端推送消息。MQTT有着極短的信息頭，最少只有2字節。客戶端具有自動連接機制，客戶端體積相對較小，很適合嵌入式設備使用。發佈和訂閱都有三種服務質量控制，但基於減少服務器壓力的原因，目前大部分都使用了最低的“至多一次”這一級別。

  更多相關協議的技術細節請看其專業文章，MQTT協議可以查看本人在本系列文章中前面的分享。

  以上應用層協議，目前都有第三方的服務端和客戶端SDK提供，所以運用起來會比較方便。但是不同的第三方SDK，性能可以差異很大，使用是需要鑑別測試，有能力的自己可以寫一套當然更好。

六、InterNet接入（設備到雲端的連接方式）

  InterNet接入這一環，是網關控制器連接雲端服務器的最後一步，是決定將攜帶信令數據包的應用層協議數據包，通過什麼途徑傳送到雲端。通常有GPRS、3G/4G、5G、NB-Iot、eMTC、WiFi、以太網等幾種途徑，選擇哪種途徑，我們的網關控制器就要嵌入哪種通信模組。關於這些通信模組的內部，我們咱就沒必要討論了。

  GPRS，是利用手機移動基站的2G網絡進行數據通信，是GSM網絡向第三代移動通信系統過渡的一項2.5代通信技術。可提供的最高通信速率，上行42.8Kbps，下行85.6Kbps，是2G時代的寵兒。

  3G/4G、是指第三代、第四代移動通信技術，並非是通信頻率，也是利用移動基站通信。是將無線通信和國際互聯網等通信技術全面結合，形成一種全新的移動通信系統。聯通3G可提供的最高通信速率，上行5.76Mbps，下行7.2Mbps；4G可提供的最高通信速率，上行50Mbps，下行100Mbps。

  5G、是第五代移動通信技術（不是5G頻率），當下正炒得火熱，也是利用移動基站通信。至於5G在各運營商正式商用後，可以大範圍穩定提供多少上行和下行速率，目前還有待觀察，但是有一定可以肯定，那就是“更快了”。

  NB-Iot、是 Narrow Band Internet of Things（窄帶物聯網） 的簡稱。利用移動基站部署，像手機一樣，同樣構建了蜂窩網絡，也被叫作低功耗廣域網(LPWAN)。NB-IoT射頻帶寬爲200kHz。下行速率大於160kbps，小於250kbps。上行速率大於160kbps，小於250kbps。現已經大規模商用，OFO小黃車上的智能鎖就是一個典型案例。

  具有三大特點：
  1、覆蓋更廣，NB-IoT信號穿牆性遠遠超過現有的網絡，甚至可以到達深處地下停車場；
  2、容量更大，可以連接更多設備，NB-IoT技術比傳統移動通信網絡連接能力高出100倍以上；
  3、功耗更低，NB-IoT模組的待機時間在現有電池無需充電的情況下可使用2-3年。

  eMTC、與MB-Iot非常相似，主要差異是eMTC的帶寬和速率更高，eMTC更具移動性。

  WiFi、這是大家最熟悉的聯網方式了。隨着WiFi芯片的不斷提升，通信速率也在不斷的提高，速率已經提高到百兆甚至幾百兆級別，這取決於你買的路由器裏面的芯片和嵌入到設備中的模組。

  以太網、簡單通俗的說，就是需要插網線的接入方式。我們家裏安裝的寬帶，大家都可以看到從光貓出來會有一條網線可以接入到我們的路由器。但是事實上，也可以通過網線直接接入到我們的設備，這就是利用以太網的方式接入，因以太網可以直接接入光貓，走光纖線路，所以也是幾種接入方式中，可提供傳輸速度上限最高的接入方式。

七、用一張圖來形象理解物連接與網關控制器

  通過蘋果採摘一直到大型超市上架的過程，形象比喻物聯網信息上報的流程，希望能從另一個角度更好的理解物聯網的概念和本質。

   本節完，待續…