物联网组网协议大总结
下面将详细总结在物联网项目开发中常用的无线组网技术（BLE、RFID、NFC、4/5G、NB-IoT、WiFi、LoRa、ZigBee），分析它们的优缺点和适用场景。
目录
- 近距离通信
-
- BLE（Bluetooth Low Energy）
- RFID（Radio Frequency Identification）
- NFC（Near Field Communication）
- 远距离蜂窝通信
-
- 4G LTE
- 5G
- NB-IoT （Narrowband Internet of Things）
- 远距离非蜂窝通信
-
- WiFi
- ZigBee
- LoRa（Long Range）
- LoRa与ZigBee对比
常用组网技术/协议（BLE、RFID、NFC、4/5G、NB-IoT、WiFi、LoRa、ZigBee）均属于计算机网络OSI模型中的物理层和数据链路层。
近距离通信
BLE（Bluetooth Low Energy）
BLE是一种低功耗蓝牙技术，主要用于近距离低速数据传输。
优点：
- 低功耗：BLE采用低功耗技术，适用于长时间低功耗的应用场景。
- 稳定性好：BLE信号稳定，不容易受到干扰。
- 设备广泛：BLE设备广泛，支持的终端设备种类多。
缺点：
- 传输速率低：BLE的传输速率较低，最高只有几十kbps。
- 覆盖范围有限：BLE覆盖范围受限，信号容易受到建筑物等物理因素的影响。
- 数据传输距离有限：BLE的数据传输距离受限，只能在短距离内传输数据，通信距离50米。
- 不可直接接入互联网。
BLE主要应用于物联网设备、健康监测、室内导航、移动支付以及游戏控制器等低功耗、短距离通信的场景。
RFID（Radio Frequency Identification）
无线射频识别技术，是一种通过无线电波自动识别目标并获取相关数据的技术。RFID系统由读写器和标签两部分组成，标签内置有一个微型芯片和天线，通过无线电波和读写器进行通信。RFID技术具有非接触式、长距离、高速度等特点。
优点：
- 无需接触地对物品进行识别，提高了工作效率。
- 实现对物品的跟踪和监管，有助于提高物流管理的效率和准确性。
- 读取到物品的实时信息，实现了物品的实时监控。
- 通信距离较长，工作距离可以从几厘米到几十米不等，取决于标签和读写器之间的频率、功率和天线大小等因素。
缺点：
- 读写器的价格较高，对于中小企业来说成本较高。
- 标签容量有限，存储的信息较少。
- 读写器和标签之间的距离过远或存在物品干扰时，可能会导致读取失败。
- 不可直接接入互联网。
RFID主要应用于广泛应用于物流管理、仓库管理、生产制造、金融支付等领域。
NFC（Near Field Communication）
近场通信技术，是一种短距离高频无线通信技术，通信距离通常在10厘米以内。NFC技术可以实现手机和标签之间的通信，也可以实现手机之间的通信。
优点：
- 无需接触地对物品进行识别，提高了工作效率。
- 可以实现手机和标签之间的无线通信，实现了便捷的移动支付。
- 通信距离短，保证了通信的安全性。
缺点：
- 通信距离短（10cm），限制了其应用场景。
- 标签容量有限，存储的信息较少。
- 数据传输速度较慢，无法满足高速数据传输的需求。
- 不可直接接入互联网。
RFID主要应用于广泛应用于移动支付、门禁系统、智能手环等领域。
远距离蜂窝通信
不需要网关，芯片可以直接连上移动，联通，电信运营商。
4G LTE
4G LTE是第四代移动通信网络技术，采用OFDM（正交频分复用）技术，能够实现高速率、高可靠性、高效率的无线通信。
优点：
- 高速率：支持下行最高150Mbps和上行最高50Mbps的数据传输速率，比前几代移动通信技术快了数十倍。
- 可靠性高：利用多天线技术和自适应调制技术等多种技术手段，实现了多路径信道的并行传输，能够有效提高信号覆盖范围和抗干扰能力。
- 灵活性强：支持高速移动通信，适用于各种不同的通信场景和业务需求。
缺点：
- 延迟较高：由于需要在多个子载波上传输数据，信号需要解调复杂，导致传输延迟较高。
- 能耗较大：高速传输需要大量能量支持，相比较而言，对电池寿命和设备成本都有一定的影响。
适用场景：
- 高速移动的场景，例如高速列车、汽车等。
- 移动宽带通信，例如视频流媒体、在线游戏等。
- 移动物联网（IoT）通信，例如智能家居、智能交通、共享单车、丰巢等。
5G
5G是第五代移动通信技术，采用了大规模MIMO和波束成形等先进技术。
优点：
- 高速率：支持下行最高20Gbps和上行最高10Gbps的数据传输速率，比4G LTE更快。
- 低延迟：能够实现1ms以下的延迟，能够支持更多实时业务应用，如VR/AR等。
- 多连接：支持海量设备的连接，能够满足5G时代百亿物联网设备的互联需求。
- 能效高：5G采用了更高效的编码和信号处理技术，相比4G LTE能够节省更多的能量。
缺点：
- 部署成本高：由于5G网络的部署需要高密度基站，因此建设成本较高。
- 功耗较大。
- 兼容性差：5G的技术标准尚未完全统一，不同运营商和国家之间可能存在不兼容的问题。
适用场景：
- 大规模机器通信，例如自动驾驶、智能交通、工业物联网等。
- 低时延高可靠性的通信，例如远程医疗、虚拟现实、工业自动化等。
- 高速移动和高密度设备的场景，例如高速列车、体育场馆等。
NB-IoT （Narrowband Internet of Things）
窄带物联网是一种基于蜂窝网络的窄带物联网通信技术，是3GPP（3rd Generation Partnership Project）组织定义的物联网低功耗宽带无线通信技术之一，可直接部署于GSM网络（2G）、UMTS网络或LTE网络（4G），5G网络。NB-IoT技术是通过在现有的移动网络中新增一个无线物联网网元，以实现长时间、低功耗、低成本的设备互联。通常基于应用层的CoAP协议连上服务器，当然也可以基于MQTT，不过功耗会高，没必要。
优点：
- 低功耗：NB-IoT传输数据时只需要使用较低的功率，因此可延长设备电池寿命。
- 宽覆盖范围：NB-IoT采用的是窄带通信技术，具有较强的穿透能力，可以在地下室、地下停车场等弱信号区域实现连接。
- 稳定可靠：NB-IoT的网络覆盖范围广，信号强度稳定，不容易受到干扰，通信质量较高。
- 高安全性：NB-IoT采用了端到端的加密机制，保障了通信数据的安全性。
- 高连接密度：NB-IoT可以同时连接大量的设备，每平方千米可支持数万台设备。
- 兼容性好：NB-IoT基于现有的4G网络建立，对4G基础设施的更新非常有限，因此具有很好的兼容性。
- 多连接：支持海量设备的连接，能够满足5G时代百亿物联网设备的互联需求。
- 可支持长距离通信：通信距离10KM。
缺点：
- 传输速率较慢：NB-IoT最大传输速率只有250Kbps，一般在200kbps以下，无法满足高速数据传输需求。
- 高时延：由于NB-IoT技术的窄带特性，每次传输数据时都需要进行多次握手和认证，因此存在较高的时延。
- 需要买SIM卡
NB-IoT适用于物联网设备对传输速率和时延要求不高、数据量较小的场景，如智能电表、智能停车等。
远距离非蜂窝通信
不能直接接入互联网，需要通过一个网关中转才能连上电信等运营商。
WiFi
WiFi是一种基于IEEE 802.11协议的无线局域网技术，主要用于短距离高速数据传输，它允许计算机、智能手机、平板电脑和其他设备使用无线信号与互联网和其他设备进行通信，主要频段是2.4G和5G Hz。由于WiFi的高速传输和广泛的应用，它已经成为现代无线通信的重要基础设施之一。通常基于应用层的MQTT协议连上服务器。
优点：
- 高速数据传输：WiFi支持高速数据传输，最高可以达到几百Mbps，可以满足高带宽应用，如高清视频、在线游戏等的需求。
- 可靠性：WiFi网络的可靠性相对较高。因为现代路由器都具备自动寻找最佳信号的功能，同时还具备冗余功能，即使某个节点出现问题，数据仍然可以通过其他节点传输。
- 方便性：WiFi网络非常方便，可以通过密码保护，让不想使用你的网络的人无法进入。
- 设备广泛：WiFi设备广泛，支持的终端设备种类多。
- 广泛的应用：WiFi技术被广泛应用于家庭、办公室、公共场所等各种场合。
缺点：
- 能耗较高：由于WiFi的高速传输，会造成较高的能耗，不适用于长时间低功耗的应用场景。
- 受干扰：由于WiFi信号是通过无线电波传输的，因此可能会受到电磁波干扰，包括微波炉、其他无线网络等。此外，信号还会受到墙壁、隔板等物理障碍物的干扰。
- 覆盖范围有限：WiFi覆盖范围受限，信号容易受到建筑物等物理因素的影响，大型建筑物、大型公共场所等需要使用多个WiFi热点才能完全覆盖。
- 成本较高：WiFi设备的成本相对较高。
WiFi适用于需要高速数据传输和较大带宽的场景，如家庭、企业和公共场所的网络接入。WiFi还常用于物联网中的设备互联，例如智能家居、智能办公和智能城市等领域。在这些场景下，WiFi可以支持多种应用，例如视频和音频流媒体、在线游戏、远程办公、文件共享等等。
ZigBee
ZigBee是一种低功耗、高网络可靠性的无线通信技术，用于短距离和低数据速率的通信。它的通信协议基于IEEE 802.15.4标准，广泛应用于物联网领域。通常基于应用层的MQTT协议连上服务器。
优点：
- 低功耗：ZigBee的功耗非常低，延长了终端电池的使用寿命，因此它适用于需要长时间运行的设备。
- 自组织网络：ZigBee采用自组织网络，支持多级网络拓扑结构，节点间可以实现高可靠性的通信。因此它不需要中央控制节点来管理网络，可以自动发现和加入网络中的设备。
- 安全性高：ZigBee采用AES-128位加密，因此具有较高的安全性。
- 成本低：ZigBee芯片的成本较低，因此它适用于大规模的低成本部署。
- 可靠性高：ZigBee采用多径传播技术，因此它具有较高的信号传输可靠性。
缺点：
- 低数据速率：ZigBee通信速率低，小于100kbp，不适用于高速数据传输应用场景。
- 传输距离短：由于ZigBee的传输距离较短，10-100m，因此需要在网络中添加更多的设备才能实现更大的覆盖范围。
- 兼容性差：不同厂家生产的ZigBee设备可能不兼容，因此需要在设备选型时考虑设备的兼容性。
- 网络容量限制：由于ZigBee使用的是非受限频段，因此网络容量受到限制，不适用于大规模数据传输。
- 信道干扰：当ZigBee网络中存在干扰源时，会对信号传输产生影响，从而降低网络性能。
- 频率限制：ZigBee的通信频率受到限制，只能在特定的频段内使用，一般是2.4G Hz。
ZigBee适用于需要构建低功耗、低数据速率、低成本、低复杂度的无线传感器网络的场景，对于对传输延迟、能耗等有一定要求的场景非常适用，如智能家居、工业自动化、智能农业、安防监控等。
LoRa（Long Range）
LoRa（Long Range）是一种低功耗、远距离的无线通信技术，属于物联网中的LPWAN（Low Power Wide Area Network）范畴。它采用了扩频调制技术和前向纠错编码技术，使得信号的传输距离更远、抗干扰能力更强，同时功耗也比较低，能够满足物联网设备长时间运行的需求。通常基于应用层的MQTT协议连上服务器。
优点：
- 长距离传输能力：LoRa技术的传输距离可达10公里以上，能够覆盖城市、乡村和山区等广阔的范围。LoRa技术可以在不同种类的地形和建筑物中传输信息，而不需要额外的中继设备。
- LoRa技术采用低功耗的通信模式，可以通过电池长期供电，降低了维护成本。
- 高抗干扰性：LoRa技术采用了频移键控（FSK）和扩频技术，可以减小对信号的干扰和防止窃听。
- 低成本：LoRa技术的芯片和设备相对较便宜，可以大规模应用于智能城市、智能家居等领域。
- 易于部署：LoRa技术需要的基础设施很少，可以快速实现网络覆盖。
缺点：
- 低传输速率：由于LoRa技术使用的是低频带宽，传输速率相对较慢，一般在300bps-50kbps之间，不能满足高速数据传输的需求。
- 时延较大：LoRa通信的时延较大，一般在几百毫秒到几秒钟之间，对于需要快速响应的应用场景不太适合。
- 不支持语音和视频通信：LoRa技术主要用于低速数据传输，不适合用于实时语音和视频通信等高速数据传输。
总体来说，LoRa技术适用于需要长距离、低功耗、低速数据传输的应用场景，比如智能城市、智能农业、工业自动化等。
LoRa与ZigBee对比
- 传输距离：LoRa的传输距离远大于ZigBee。
- 通信功耗：LoRa的功耗比ZigBee低。
- 抗干扰能力：LoRa比ZigBee具有更高的抗干扰能力。
- 网络容量：LoRa支持的节点数比ZigBee多，网络容量更大。
- 网络稳定性：ZigBee在干扰较少的环境中稳定性更好。
- 传输速率：ZigBee的传输速率比LoRa更快。
所以LoRa更适合于需要远距离传输、具有高抗干扰能力、数据量少的应用。