物聯網通訊技術，那些你不知道的事
摘要：通訊技術是物聯網的基礎，如果把物聯網比作是物流系統，那麼通訊技術就相當於 是送快遞的各種運輸方式，比如空運、水運還有陸運等。在通訊技術當中，大體上它可以分為兩大類，一類是無線通訊技術，另一類是有線通訊技術。
本文分享自華為雲社群《物聯網通訊技術之有線通訊技術那些你不知道的事》，原文作者：愛吃麵包的貓。
網路層的通訊技術相當於是感知層和平臺層連線的媒介。通訊技術是物聯網的基礎，如果把物聯網比作是物流系統，那麼通訊技術就相當於是送快遞的各種運輸方式，比如空運、水運還有陸運等。在通訊技術當中，大體上它可以分為兩大類，一類是無線通訊技術，另一類是有線通訊技術。首先，我們先來看有線通訊技術有哪幾種類型，它們區別在哪裡呢？
乙太網
乙太網（ETH）簡單來說就是使用者使用的網線網路。乙太網是當前TCP/IP主要的區域網技術，也是當今現有區域網採用的最通用的通訊協議標準。在物聯網領域，乙太網除了在辦公場景當中有線接入當中會被使用到之外，主要是在工業上應用的比較多，因為乙太網的成本低，又是IEEE的通用標準，所以就改良成了工業乙太網。
乙太網的核心技術是採用CSMA/CD（載波監聽多路訪問/衝突檢測）通訊控制機制。CSMA協議要求站點在傳送資料之前先監聽通道。如果通道空閒，站點就可以傳送資料；如果通道忙，則站點不能傳送資料。但是，如果兩個站點都檢測到通道是空閒的，並且同時開始傳送資料，那麼這幾乎會立即導致衝突。另外，站點在監聽通道時，聽到通道是空閒的，但這並不意味著通道真的空閒，因為其他站點的資料此時可能正在通道上傳送，但由於傳播時延，訊號還沒有到達正在監聽的站點，從而引起對通道狀態的錯誤判斷。在早期的CSMA傳輸方式中，由於通道傳播時延的存在，即使通訊雙方的站點，都沒有偵聽到載波訊號，在傳送資料時仍可能會發生衝突。因為它們可能會在檢測到介質空閒時，同時傳送資料，致使衝突發生。
儘管CSMA可以發現衝突，但它並沒有先知的衝突檢測和阻止功能，致使衝突發生頻繁。所以，可以對CSMA協議作進一步的改進，使傳送站點在傳輸過程中仍繼續偵聽介質，以檢測是否存在衝突。如果兩個站點都在某一時間檢測到通道是空閒的，並且同時開始傳送資料，則它們幾乎立刻就會檢測到有衝突發生。如果發生衝突，通道上可以檢測到超過傳送站點本身傳送的載波訊號幅度的電磁波，由此判斷出衝突的存在。一旦檢測到衝突，傳送站點就立即停止傳送，並向總線上發一串阻塞訊號，用以通知總線上通訊的對方站點，快速地終止被破壞的幀，可以節省時間和頻寬要求站點在傳送資料過程中進行衝突檢測，而一旦檢測到衝突立即停止傳送資料。這樣的協議被稱為帶衝突檢測的載波監聽多路訪問協議。
RS-232與RS-485
學習過嵌入式開發的讀者可能會比較瞭解RS232，圖4-1即為RS-232的介面示意圖，很多讀者都會覺得對其似曾相識，這是因為在臺式電腦的後面就有這樣的介面。RS232的特點就在於它主要是支援一對一的通訊並且通訊的距離是比較短的，只能是不超過20米。RS485就相當於是RS232的一個改良版，到了RS485，它就支援一對多的傳輸了，總線上最多允許128個收發器。同時傳輸速率和通訊距離也得到了極大地提升。
RS-232與RS-485的對比
表4-1即為RS-232與RS-485的區別，簡單來講，兩者之間的區別在於三點：第一點在於傳輸方式不同，RS-232採取不平衡傳輸方式，即所謂單端通訊.而RS-485則採用平衡傳輸，即差分傳輸方式。第二點在於傳輸距離不同，RS-232適合本地裝置之間的通訊，傳輸距離一般不超過20m。而RS-485的傳輸距離為幾十米到上千米。第三點在於通訊數量不同，RS232只允許一對一通訊，而RS-485介面在總線上是允許連線多達128個收發器。
通訊串列埠匯流排
在串列埠通訊當中，除了RS232和RS485之外。還有USB，USB又叫通用序列匯流排，是連線計算機和其他外部裝置的串列埠匯流排標準。在USB接口出現之前，電腦的介面處於春秋戰國時代，串列埠並口等多方割據，像鍵盤、滑鼠、Modem、印表機、掃描器等都要連線到不同的介面上，一個介面只能連線一個裝置，不過電腦不可能支援那麼多的介面，所以擴充套件能力不足，而且速度有限。USB正是為了解決速度、擴充套件能力、易用性應景而生的。
正是由於它在生活當中非常常見，所以物聯網這項與生活相接軌的技術也同樣會廣泛使用USB來進行資料傳輸。其中需要著重注意的一點是，USB根據介面又被分為不同的型別，其中比較常見的就是圖4-2中的四種，Type-A，Type-B，Micro-B和Type-C。
M-Bus技術
M-Bus，也叫做MeterBus。它是一種專門應用於遠端抄表業務的匯流排，比如說在電錶，水錶，氣表這表具當中的使用比較多，這種技術在國內的抄表業務中並不常見，但是在歐洲卻被廣泛使用。這種匯流排技術有什麼樣的特點就在於它可以在遠端為裝置供電，並且不需要佈設電源線，所以說如果家裡斷電的話，對於這個儀表是不會有影響的。
電力載波PLC技術
PLC又叫PowerLineCommunication。這項技術的意思是以在平時使用的電線上附加資料的方式來進行資料的傳輸。那麼它是怎麼操作的呢，首先需要把載有資訊的高頻訊號載入到電流上，然後經過電線的傳輸，再在另一端用介面卡將高頻訊號從電流中分離出來，之後再傳輸到計算機上以此來實現通訊。但是其實PLC這項技術是有缺點的，它只能被使用在電壓不發生變化的近端場景當中。這是因為這項技術的原理是將高頻訊號載入在電線上，但是當電線上的電壓發生變化的時候，電線上的高頻訊號就會消失。所以，這項技術只能被應用於電壓不會發生變化的近端場景當中。在抄表業務上，PLC技術主要應用在抄表終端到管理終端這一塊，因為資料再向上傳輸時，就會經歷變電和輸電的步驟，那麼因為電壓變化後資料就會消失，所以無法在上層繼續使用PLC技術。資料會先載入到電線上上傳到管理終端，管理終端再與基站相連線在通過交換機和伺服器就可以把資料上傳到資料庫進行操作，這就是使用PLC電力抄表的主要流程。
表4-2即為上述幾種有線通訊技術的簡要對比，在有線通訊技術當中，這些技術基本上是用在工業上和公共事業會相對多一點。因為在物聯網領域，裝置相對來說，移動性是比較強的，所以有線的通訊方式應用的場景相對會少一點，更多的還是會用無線通訊的方式來進行資料的傳輸。
四大短距無線通訊特點及應用場景
接下來我們介紹IoT常見的無線通訊技術，其中無線的技術又可以被細分成很多不同的部分，比如運營商使用的蜂窩網路，還有藍芽等一系列短距通訊技術。
BluetoothBluetooth，即藍芽
這項技術在生活中非常常見，藍芽在手機，電腦，平板等裝置當中可以說已經是一個必備的技術了。藍芽技術最初由電信巨頭愛立信公司於1994年創制，當時是作為RS232資料線的替代方案。藍芽可連線多個裝置，克服了資料同步的難題。在物聯網當中，比方說運動手環，智慧電子秤當中都需要用到藍芽技術。老版本的藍芽技術，傳輸距離相對於其他的無線通訊技術來講是比較近的，只有10釐米到10米的範圍。但是它的傳輸速率是比較快的，最高可以達到1Mbps。
但是現在藍芽技術已經發展到了藍芽5.0的版本，雖然它還是屬於短距無線通訊技術，但它的傳輸距離已經可以達到非常遠了。藍芽5.0支援最高3Mbps的傳輸速率以及最遠300米的傳輸距離。同時藍芽技術在發展到後期是又被分為了兩種技術型別，一種是BR/DER，另一種是LE。其中，需要重點去關注的是LE型別，因為LE型別的藍芽技術是非常適合在物聯網當中使用的。可能讀者們所熟知的藍芽技術還是以點對點的方式進行通訊的，但是LE型別的藍芽技術可以支援點對點、廣播和Mesh等多種形式的網路拓撲結構，這就非常適合物聯網場景下多裝置連線進行資料傳輸了。
Wi-Fi
大多數人在家裡或者辦公等場景下完成日常上網肯定都會使用到Wi-Fi。所以Wi-Fi的應用是非常廣泛的。Wi-Fi通常是用在2.4G和5G兩個頻段上，通過這兩個不同的頻段，它可以為不同的裝置提供不同的服務。跟之前版本的藍芽相比的話，Wi-Fi的通訊距離相對還是比較遠的，並且支援一對多的連線。同時，它的傳輸速率同樣也很快。但是，Wi-Fi的缺點也十分明顯，首先是它的安全性不好，穩定性非常差。比方說在看視訊的時候，也許會發現視訊看到一半卡住了。還有就是當用戶在打電腦遊戲的時候，感受會非常明顯，如果用Wi-Fi上網打遊戲的話，延遲的變化是非常大的，有的時候是二三十毫秒，有的時候就直接變成一兩百毫秒了。所以Wi-Fi的穩定性是比較差的，並且Wi-Fi的功耗相對來講是比較高的。如同藍芽一樣，Wi-Fi目前也發展到了新一代的Wi-Fi6這個版本，它支援9.6Gbps的傳輸速率以及低至20ms的時延。
ZigBee
相較於Wi-Fi與藍芽，ZigBee和下文中要描述的Z-Wave讀者們可能對它知之甚少。ZigBee也是一種短距離低功耗的無線技術，圖4-5即為ZigBee裝置的工作模式示意圖，與圖4-4中的Wi-Fi裝置工作示意圖相比其實就能發現該技術的特點。Wi-Fi裝置在連線時只能和AP或者主集中器相連線，但是ZigBee不一樣，它的資料在裝置與裝置之間也是可以進行傳遞的。這代表的就是ZigBee這項技術易組網的特點，如果Wi-Fi裝置的中間接入點壞掉的話，相當於整個網路就癱瘓了。但是ZigBee不一樣，因為ZigBee的每臺裝置都可以充當中繼，如果由其中一臺裝置壞了，其他的裝置可以進行網路重組，找到另一個可以充當中繼的裝置就可以重新構建一個網路。ZigBee技術的特點其實和它的名字是非常相近的，ZigBee又稱紫蜂協議，因為它來源於蜜蜂的八字舞，由於蜜蜂是靠飛翔和“嗡嗡”地抖動翅膀的“舞蹈”來與同伴傳遞花粉所在方位資訊，也就是說蜜蜂依靠這樣的方式構成了群體中的通訊網路，這與ZigBee具備的靈活組網的特點就非常相似了。
除此之外，ZigBee模組的成本很低，只有2美金左右，同時和Wi-Fi相比，它的速率就顯得非常低了，只有20到250kbps。同時它的缺點就在於相容性差和不易維護。
Z-Wave
除了ZigBee之外，還有一項短距無線技術叫Z-Wave。Z-Wave其實跟ZigBee差不多，但是他們的區別就在於Z-Wave相對來講更加可靠，但是它的協議標準不開放，同時Z-Wave的晶片只能通過SigmaDesigns這個公司來獲取。Z-Wave技術在最初設計時，就定位於智慧家居無線控制領域。採用小資料格式傳輸，40kb/s的傳輸速率足以應對，早期甚至使用9.6kb/s的速率傳輸。與同類的其他無線技術相比，擁有相對較低的傳輸頻率、相對較遠的傳輸距離和一定的價格優勢。
短距無線技術對比
針對上述四種IoT短距無線技術做了個簡單的對比，主要的區別在於藍芽和Wi-Fi的傳速速率比較高，但老版本的藍芽只能一對一連線，Wi-Fi能一對多，所以，藍芽主要用在滑鼠，耳機，手機這些裝置上，而Wi-Fi主要是用在家庭或者其他室內進行高速上網。同時基於ZigBee和Z-Wave裝置它們低速率和連線節點多的特點，基本上不太可能應用在除了物聯網之外的其他領域，因為它們的傳輸速率是在是太低了。所以ZigBee和Z-Wave主要應用於家庭自動化、智慧家居、智慧大廈等等領域。