转战物联网·基础篇13-了解物联网之物连接相关通信技术(2)

  接上篇文章，为了浏览方便，将上一篇中的物联网-物连接架构图在这里再次放一张。

三、硬件设备间组网的通信技术与通信协议（2）

11、6LoWPAN

  在6LoWPAN出现之前，一直认为将IP协议引入无线通信网络不太现实。因为之前的IP协议对内存和带宽要求较高，适配微控制器及低功率无线连接很困难。6LoWPAN标准的发布有望改变这一局面，它是基于IEEE 802.15.4实现的IPv6通信，具有低功率运行、内置AES-128加密等。

  2004年11月IETF组织正式成立了IPv6 overLR-WPAN（简称6LoWPan）工作组，着手制定基于IPv6的低速无线个域网标准，即IPv6over IEEE 802.15.4，旨在将IPv6引入以IEEE 802.15.4为底层标准的无线个域网。6LoWPan的出现推动了短距离、低速率、低功耗的无线个人区域网络的发展。IEEE 802.15.4是LR-WPAN的典型代表。

  重要特性：
  定义在如何利用IEEE 802.15.4链路支持基于IP的通信的同时，遵守开放标准以及保证与其他IP设备的互操作性。

  消除对多种复杂网关(每种网关对应一种本地802.15.4协议)以及专用适配器和网关专有安全与管理程序的需要。

  6LoWPAN协调IPv6和IEEE802.15.4二者之间的关系，在网络层与MAC层之间引入适配层。还解决地址配置和地址管理、网络管理、安全等问题。

  低功耗，模组在待机模式下普通2节5号干电池可以使用6个月以上。
  低速率，2.4GHz(250Kb/s)、828MHz(20Kb/s)、915MHz(40Kb/s3) 。
  短距离，单个节点信号传输距离有限，一般在10 ~ 100米左右；
  短帧长，最大帧长度为127字节；
  多拓扑，网络拓扑结构丰富，星型组网、点对点传输以及混合组网。

  优点：
  ● 在互联网上可以方便的访问使用6LowPAN的节点，可以不再依赖复杂的网关。
  ● IP网络应用广泛，IPv6普及提速，6LoWPAN基于此基础上进行开发更简单、有效。
  ● 基于IPv6地址空间更丰富，可以部署更大规模、更高密度的无线局域网络。
  ● 可以根据MAC地址和相关规则自动配置好所需的IPv6地址。这对传感器网络十分有利，无需为传感器用户界面。
  ● 接入其他基于IP技术的网络更容易，IPV6的许多技术也比较成熟，开发也更加容易。

  缺点：
  ● 传输速率相对比较低，不适用需要高速通信的场景。
  ● 传输距离有限，远距离传输需要配合其他技术。
  ● 目前比较系统、深入的案例资料较少，需要自己深入学习。

12、PROFINET

  PROFINET由PROFIBUS国际组织和西门子公司开发，是基于工业以太网技术的自动化总线标准，是又一种以太网通讯系统，为自动化通信领域提供了一个完整的网络解决方案。PROFINET具有跨供应商通讯能力，可以集成其它现场总线系统，保护现有投资。PROFINET技术方案包括实时以太网、运动控制、分布式自动化、故障安全以及网络安全等自动化领域等热点话题。

  PROFINET独立于制造商的网络开放性，定制工厂解决方案的灵活性，快速调试和最大化工厂利用率的高效率，大规模网络架构和快速传输的性能。

  重要特性：
  PROFINET技术定义了三种类型：PROFINET1.0基于组件的系统主要用于控制器与控制器通讯；PROFINET-SRT软实时系统用于控制器与I/O设备通讯；PROFINET-IRT硬实时系统用于运动控制。PROFINET将工厂自动化和企业信息管理层IT技术有机地融为一体，同时又完全保留PROFIBUS现有的开放性。

  PROFINET定义了以下三种的通讯协定等级：
  TCP/IP是针对PROFINET CBA及工厂调试用，其反应时间约为100ms。
  RT（实时）通讯协定是针对PROFINET CBA及PROFINET IO的应用，其反应时间小于10ms。
  IRT（等时实时）通讯协定是针对驱动系统的PROFINET IO通讯，其反应时间小于1ms（实时周期为250us，抖动小于1us）。

  优点：
  ● 基于以太网技术，可容纳海量节点，拓扑灵活，是智慧工厂优选的方案之一。
  ● 始终如一的开放性，采用统一标准实施一致的端到端通信，不同制造商组件的连通性和互操作性，简便集成现有系统，使用PROFINET标准web服务，PROFINET属于一种既定标准（IEC 61158/61784）。
  ● 灵活实施理念，工业无线局域网（IWLAN）基于无线通信的全新应用领域；集成PROFIsafe的PROFINET确保工厂和设备安全，灵活的拓扑结构使PROFINET通信网络可确保设备和工厂最佳规划；可扩展，通过PROFINET，即使在运行期间，也可根据需要扩展网络基础设施。
  ● 高性能提升生产率，高精度大规模架构，高传输速率，有介质冗余协议（MRP）以及系统冗余可以使用。模块化概念，快速启动、无需等待。

  缺点：
  ● 在小型网络中没有价格优势。
  ● 基于以太网，网络数据延迟、数据遗失、发送与接收顺序不同等问题需要针对性解决。因这是自动控制系统十分重要的因素，固会使自动控制系统变得更加繁杂，解决不好会使自动控制系统的特性遭受破坏。
  ● 初次实施相对比较复杂。

13、EtherCAT

  EtherCAT（以太网控制自动化技术）是一个以以太网为基础的现场总线系统的开放架构，其名称的CAT为控制自动化技术（Control Automation Technology）字首的缩写。最早是由德国Beckhoff公司研发，之后由EtherCAT 技术协会维护。

  重要特性：
  EtherCAT总线系统支持星型、线型、树型拓扑结构，传输介质可以是以太网电缆或光线，使用100Base-TX电缆临站之间距离可达100米。单网最多可以连接65535个设备，全双工通信或主从模式的环形结构。

  EtherCAT通讯协定是利用标准的IEEE 802.3以太网帧传递，单帧最多可传递1486字节的数据，对于开关量的数字输入输出，相当于11888位，而刷新时间则约为300μs。也支持使用UDP/IP协议格式传输EtherCAT数据包。

  优点：
  ● 组网结构丰富、灵活，星型、线型、树型均可支持。
  ● 传输速率高，同步性好，分散式时钟机制，时钟的抖动远小于1µs，几乎接近IEEE1588精密时间协议的标准。
  ● 既可以主从方式通信，又可以并发通信。
  ● 不论是在软件还是硬件上都是标准和开放的。

  缺点：
  ● 实施成本偏高，不太适合低成本应用项目
  ● 系统化的架构，不太适合小规模应用使用，操作相对复杂。
  ● 控制器的开发语言多数以IEC61131的语言为主，被工业界普遍接受（原则说这不能称之为缺点，只是相对转战物联网的人来说的）。目前互联网常用高级语言开发者需要一定的过渡。

14、RFID、NFC

  RFID 是 Radio Frequency Identification 的缩写，实现阅读器与电子标签之间进行非接触式的无线数据通信。阅读器又称为读出装置、扫描器、读写器（如果有写功能）等。电子标签又称射频标签、应答器、数据载体；应用场景相当广泛，物流、零售、安防、停车场、生产线、物料、动物管理等都有它的踪影。

  主要应用于物体身份识别及位置定位追踪，近年来RFID相关技术发展迅猛。RFID的标准错综复杂，这里就不逐一涉及了。

  重要特性：
  必需由阅读器和电子标签两部分组成，属于非接触无线通信。根据电子标签是否需要提供电源来区分，可分为三类：无源RFID、有源RFID、半有源RFID。

  无源RFID的电子标签不需要供电，工作频段主要为125KHz、13.56MKHz等。一般用于近距离识别，如公交卡、二代身份证、就餐卡等。

  有源RFID的电子标签必需供电，工作频段主要为900MHz、2.45GHz、5.8GHz等，可同时识别多个标签。一般用于远距离大范围的识别，如高速公路不停车收费系统使用的RFID识别就属于这种。

  半有源RFID也需要供电，但是平时处在休眠状态，仅消耗保持数据需要的电量，因此可以做到低功耗。当电子标签进入阅读器识别范围内后，阅读器先现以125KHz低频信号在小范围内精确激活电子标签，再通过2.4GHz高频进行数据传输。

  优点：
  ● 读写速度快，一次典型的RFID传输通常不到100毫秒。高频段的RFID阅读器还可以同时识别、读取多个标签的内容，极大地提高了数据传输效率。
  ● RFID标签结构简单，识别速率高、所需的读取设备也相对简单，体积小，容易封装，可以嵌入产品内。尤其是NFC（RFID技术的一个细分）技术在智能手机上的普及，是每个用户手机都将成为简单的RFID阅读器。
  ● 安全识别度高，使用专用芯片、都有唯一的序列号、复制难度大。
  ● 电子标签寿命长，比较耐用，没有机械故障、可适应恶劣环境，具有防水、防磁、耐高温等特点。

  缺点：
  ● 整体成本偏高，电子标签比普通纸质标签成本要高出几十倍，尤其是需要RFID发射器、及天线的应用场景更增加了系统成本。
  ● 系统设计的安全隐私问题，需要很好的处理机制。
  ● RFID标签一旦接近到读写器可读范围内，就会直接自动发出讯息，这给盗刷盗读带来机会，是比较难处理的问题。
  ● 技术成熟度仍待提高，解决存在的诸多隐患问题。

  NFC技术最初就是RFID技术和网络技术的一个简单合并，现在已经逐渐演变成一种短距离无线通信技术，发展态势相当迅速。

  两者最大的区别是，NFC比RFID传输范围小，NFC采取了独特的信号衰减技术，相对来说具有距离近、带宽高、能耗低等特点。另外，NFC与现有非接触智能卡技术兼容，已经被越来越多厂商支持，成为了正式标准。

15、IrDA

  IrDA是由红外线数据标准协会（InfraredDataAssociation）制定的一种无线协议标准。现在已经成为利用红外线进行数据通信的技术统称。最初的定义是为了实现点对点通信，现在已经可以实现点对多点通信。其硬件、软件技术都已比较成熟。

  通讯速度目前最高可达4Mbps，通信距离因硬件发射元器件不同会有很大差异。主要用于可视范围内的数据通信，由于通信路径内不能有遮挡物，所以这也既是缺点也是有点。缺点是无法穿墙越物，优点是不会被墙外收到，不会相互干扰。最常见的应用场景就是电视机的遥控器。

四、组装/解析信令层协议（应用层之上的协议）

  前面通过硬件之间的通讯协议，将终端设备的数据传给了网关控制器。经控制器逻辑单元处理计算之后，还要将情况上报到云端服务器。那这就需要与云端服务使用相同的TCP层数据包结构，以及相同的有效负载结构。这个负载结构要规定传递的数据种类、长度、有效标志、检验完整等等，这其实就是在定义数据结构和通信协议。由于在物联网应用中，传输的数据基本就是两类，一类是控制指令，一类是设备信息，所以我这里称之为信令层协议（只为了我的表述，大家理解就好）。

  信令层协议，是对指令信息的一种封装，封装之后就是一个信令数据包。大家可以根据自己的需要自行选择使用的格式和方法，但是几个基本功能和特性一定要涵盖进去：

  1、不能增加太多额外的字节，要遵循物联网通信的“受限”原则，保障通信的稳定性、广适性。

  2、要有区分是不是本系统有效信令的专有标识，一般是利用头尾标志来解决，至于使用多少个字节，根据应用场景的网络情况选择，网络状况都很好的话，可以适当多几个。

  3、要可以验证本条信令接收是否完整，是否与发送端发送时的内容完全一致，从而避免丢包或串扰后也被当做正常信令处理的情况。

  4、要携带设备唯一ID，如果底层协议中有携带，那这里也不要省略。这样可以避免因代理服务器的BUG造成设备识别或信令分发的错误，这对物联网系统来说是非常重要的。

  5、要考虑相关同一个设备同一个方向的多条信令，可能会因为网络原因造成的先后顺序错乱的问题。

  6、不同的信令要有可区别的唯一标志，避免参数相同或类似的两个信令被错误识别或执行。

  上面说的六点要求，是一个可靠的完整信令所必需的。否则物联网项目中，设备将会出现很多意想不到的上报数据和控制结果。

  当网关控制器收到云端下发的信令数据包后，也需要按照同样的规则将最终的有效信息和指令解析出来，然后传递给硬件设备内部的控制变量和逻辑代码。

  LwM2M就是一个公开标准的协议，它涵盖了更多的功能，大家可以根据自己的项目情况，决定是使用LwM2M，还是自己封装信令层协议。

五、应用层协议（携带信令数据包与云端交互的协议）

  这里的应用层协议，负责将信令层协议封装好的信令数据包，通过网络在网关控制器与云端服务器之间进行交互通信。

  这一层使用的协议，比较典型的有下面几个：

  Http1.1，这是大家最熟悉的通信协议了，我们通过浏览器打开网页的时候，大多数都是使用的这个协议进行的互联网通信。但是这个协议有个不利于物联网项目的特点，就是信息头字节数太多，有几百个。这对于“资源受限”的物联网项目中的硬件设备来说，开销太大了，也延长了网络交互的时间，提高了网络连续稳定性的要求。所以，现在已经极少有人使用这个协议做物联网项目中的应用层协议了。

  Http2，相对于Http1.1，具有更简单，更高效，更强大的特点。显著的相关特性就是压缩了头部域（信息头），使用了二进制帧层，首次请求也就只有几十个字节，二次请求会少到几个字节。这方面比较有利于物联网项目的应用。但是Http2的客户端体积还是比较重，带来的硬件资源开销相比接下来介绍的还是要高很多，其它的新特性对物联网应用又不太适用，所以目前使用Http2做物联网应用层协议的也不多。

  CoAP，通俗的讲，它更像是Http2的进一步减负（实际不是）。CoAP也是“请求 ~ 返回”的机制，具备很多Http的基本功能。但是 CoAP 做更进一步优化，协议包更轻量化，可双向收发（通过请求时返回要发给请求方的数据），采用udp无连接。最小数据包可以做到4字节，可以说是专门为物联网应用而生的应用层协议，所以在物联网项目中被大量使用。但是它有一个问题，如果服务端向主动发数据给设备端，必须要等到设备的下一个请求到来才能发下去，所以在要求下发即时性较高的项目中，不适合使用。

  MQTT，这是目前被大量应用到物联网项目中的应用层协议，它也是工作在TCP/IP协议族上，是为解决设备硬件性能低下、网络状况糟糕的情况而设计的，基于发布/订阅模式的消息协议（因此需要一个“代理”中间件）。利用心跳包（极小，只有2字节）维持连接，因此可以服务端主动向客户端推送消息。MQTT有着极短的信息头，最少只有2字节。客户端具有自动连接机制，客户端体积相对较小，很适合嵌入式设备使用。发布和订阅都有三种服务质量控制，但基于减少服务器压力的原因，目前大部分都使用了最低的“至多一次”这一级别。

  更多相关协议的技术细节请看其专业文章，MQTT协议可以查看本人在本系列文章中前面的分享。

  以上应用层协议，目前都有第三方的服务端和客户端SDK提供，所以运用起来会比较方便。但是不同的第三方SDK，性能可以差异很大，使用是需要鉴别测试，有能力的自己可以写一套当然更好。

六、InterNet接入（设备到云端的连接方式）

  InterNet接入这一环，是网关控制器连接云端服务器的最后一步，是决定将携带信令数据包的应用层协议数据包，通过什么途径传送到云端。通常有GPRS、3G/4G、5G、NB-Iot、eMTC、WiFi、以太网等几种途径，选择哪种途径，我们的网关控制器就要嵌入哪种通信模组。关于这些通信模组的内部，我们咱就没必要讨论了。

  GPRS，是利用手机移动基站的2G网络进行数据通信，是GSM网络向第三代移动通信系统过渡的一项2.5代通信技术。可提供的最高通信速率，上行42.8Kbps，下行85.6Kbps，是2G时代的宠儿。

  3G/4G、是指第三代、第四代移动通信技术，并非是通信频率，也是利用移动基站通信。是将无线通信和国际互联网等通信技术全面结合，形成一种全新的移动通信系统。联通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、是第五代移动通信技术（不是5G频率），当下正炒得火热，也是利用移动基站通信。至于5G在各运营商正式商用后，可以大范围稳定提供多少上行和下行速率，目前还有待观察，但是有一定可以肯定，那就是“更快了”。

  NB-Iot、是 Narrow Band Internet of Things（窄带物联网） 的简称。利用移动基站部署，像手机一样，同样构建了蜂窝网络，也被叫作低功耗广域网(LPWAN)。NB-IoT射频带宽为200kHz。下行速率大于160kbps，小于250kbps。上行速率大于160kbps，小于250kbps。现已经大规模商用，OFO小黄车上的智能锁就是一个典型案例。

  具有三大特点：
  1、覆盖更广，NB-IoT信号穿墙性远远超过现有的网络，甚至可以到达深处地下停车场；
  2、容量更大，可以连接更多设备，NB-IoT技术比传统移动通信网络连接能力高出100倍以上；
  3、功耗更低，NB-IoT模组的待机时间在现有电池无需充电的情况下可使用2-3年。

  eMTC、与MB-Iot非常相似，主要差异是eMTC的带宽和速率更高，eMTC更具移动性。

  WiFi、这是大家最熟悉的联网方式了。随着WiFi芯片的不断提升，通信速率也在不断的提高，速率已经提高到百兆甚至几百兆级别，这取决于你买的路由器里面的芯片和嵌入到设备中的模组。

  以太网、简单通俗的说，就是需要插网线的接入方式。我们家里安装的宽带，大家都可以看到从光猫出来会有一条网线可以接入到我们的路由器。但是事实上，也可以通过网线直接接入到我们的设备，这就是利用以太网的方式接入，因以太网可以直接接入光猫，走光纤线路，所以也是几种接入方式中，可提供传输速度上限最高的接入方式。

七、用一张图来形象理解物连接与网关控制器

  通过苹果采摘一直到大型超市上架的过程，形象比喻物联网信息上报的流程，希望能从另一个角度更好的理解物联网的概念和本质。

   本节完，待续…