物联网中最常用的5大无线通信协议

Kevin
2023-08-14
物联网
ble, LoRaWAN, NB-IoT, wifi, Zigbee

今天我就和大家聊聊物联网领域目前使用最广泛的10大无线通信协议。

物联网的蓬勃发展让我们生活变得更便捷,但各种无线通信协议的出现也给产品选型带来不小困扰。下面我就按使用频率从高到低为大家详细介绍一下当前物联网领域最主要的10种无线通信技术。

1. 蓝牙/BLE

蓝牙是一种短距离、低功耗的无线连接技术,主要用于连接固定设备和移动设备。它的主要优势包括:

低功耗:与WiFi相比,蓝牙更加节能,特别是BLE版蓝牙,可以实现超长待机时间。这使其非常适合可穿戴设备和IoT传感器等。
低成本:蓝牙硬件成本非常低廉,已经内置在大多数智能设备中。这也有利于降低设备总成本。
易于连接:蓝牙设备之间连接简单快捷,通常只需要一键启用蓝牙即可建立连接。
抗干扰能力强:蓝牙使用频谱扩频技术,有效抵御环境噪声干扰。
标准规范完善:蓝牙技术由蓝牙SIG组织统一管理,确保不同厂商设备的兼容性。
设备样式多样:从耳机到扬声器,从手表到照明,各种各样的终端设备都可以通过蓝牙进行连接。

蓝牙技术也存在一些缺点:

传输距离有限:蓝牙的有效传输距离一般只有10-100米。对于需要长距离连接的应用来说可能不够。
传输速率较慢:经典蓝牙的速率只有1-3Mbps,低功耗蓝牙只有1Mbps,无法传输高速率内容如视频流。
连接设备数量有限:一个蓝牙设备同时连接的数量只能维持在5-8个之间,不适合大规模的网络应用。
安全性存在风险:黑客可以进行蓝牙劫持或进行中间人攻击。不过低功耗蓝牙有加密机制提高了安全性。
更新升级无法远程控制:蓝牙设备的固件升级需要物理访问设备才能完成。
对老旧设备的兼容性较差:新设备与旧设备的蓝牙兼容性连接可能会存在问题。
连接稳定性易受干扰:由于使用公共ISM频段,容易受到其他设备信号的干扰。
功耗控制仍有提升空间:尽管蓝牙省电,但在大量小包传输时仍可能造成不必要的能耗。

当前蓝牙技术已经发展到5.0版本,并继续在传输速率、连接范围等方面得到提升。可以说,蓝牙在可见的未来内都还会是IoT和移动设备连接的主流短距离无线技术。

2. Wifi

Wi-Fi毫无疑问也要排在前列,近年来新推出的各种物联网智能设备基本上都以支持Wi-Fi为主打功能。其高速率确保了视频、音频等大数据量传输无压力。不过相对蓝牙而言,Wi-Fi的功耗较大。

关于WiFi技术,其主要优缺点如下:

优点:

高速率:WiFi可以提供高达Gbps的高速率,满足带宽需求较大的应用。
简单方便:通过路由器就可以部署WiFi网络,使用也非常简单方便。
标准化程度高:WiFi联盟制定的各类WiFi标准保证了不同厂商设备的互操作性。
市场渗透率高:WiFi技术应用非常广泛,大部分智能设备都内置了WiFi功能。
传输距离较长:相比蓝牙和Zigbee,WiFi的传输距离更长,一般实际可达到50-100米。

缺点:

功耗相对较高:WiFi网络的发射功率比较大,设备功耗也更高。
安全性较差:WiFi网络较易遭到黑客攻击,需要额外的加密措施来保证安全。
网络干扰问题突出:WiFi网络容易受到同频段信号源的干扰。
网络部署复杂:相比其他技术,WiFi网络的规划和部署难度较大,需要考虑覆盖问题。
移动性较差:WiFi网络切换和漫游支持不如蜂窝移动网络。
连接数量有限:每个路由器的并发连接数在50-100左右。

3. Zigbee

要说到低功耗和低数据率的网络,ZigBee绝对是大名鼎鼎。这种技术应用在一些不需要高带宽只进行间歇性数据传输的场景效果很好,也因此在智能家居、智能工厂中得到广泛应用。

ZigBee技术的主要优缺点如下:

优点:

超低功耗:ZigBee的工作电流只有几十mA,可以通过节能设计运行数年。
传输距离较长:相比蓝牙BLE,ZigBee的传输距离更长,可达数十米到上百米。
网络容量大:每个ZigBee网络可以容纳超过65000个节点。
标准规范完善:ZigBee标准化架构确保不同厂商的互操作性。
成本低廉:ZigBee芯片和模块的价格很低。
抗干扰能力强:工作在2.4GHz ISM频段,但有直接序列扩频技术。

缺点:

传输速率低:工作在2.4GHz,但最大数据率只有250kbps。
延迟较高:典型的网络延迟在30-50ms以上。
小数据包传输效率较低:ZigBee优化的是小数据包的低功耗传输。
网络拓扑复杂:需要自组网和多跳传输,网络管理复杂。
标准分支多:存在ZigBee、ZigBee RF4CE、ZigBee Pro等分支标准。
兼容性存在问题:不同标准分支的兼容性和互操作性存疑。

总体而言,ZigBee非常适合分布广、数据量不大、对实时性要求不高的物联网应用场景。

4. LoRaWan

如果考虑到区域覆盖面积,LoRaWAN的优势就凸显出来了。这种协议可以构建起覆盖整个城市乃至更广范围的网络,所以非常适合用于供电、水文、环境监测等公共事业领域。

LoRaWAN技术的主要优缺点如下:

优点:

超长传输距离:LoRaWAN的传输距离可达数公里至十几公里。
低功耗:端节点功耗可达到10年电池寿命。
网络容量大:单个网关可以连接超过百万端节点。
安全可靠:LoRaWAN网络有完善的安全机制。
实现简单:LoRa器件成本低,网络部署简单。
运营成本低:可以使用免许可的ISM频段。

缺点:

数据率较低:最大数据率只有50kbps左右。
延迟较高:端到端延迟可以达到10秒。
波特率不统一:不同区域标准不一致,存在兼容问题。
网络覆盖难计划:基于星型网络,网关覆盖范围难以确定。
信号衰落模型复杂:基于扩频技术,室内和室外衰落特性差异大。
标准依然在演进:LoRaWAN 1.0标准发布不久,还需要进一步演进。
国内生态还在起步阶段:相关设备和解决方案还在初期阶段。

总体上,LoRaWAN非常适合大规模、低功耗的物联网应用,但需要注意网络规划难度较大的特点。

5. NB-IoT

当我们把目光放向移动网络时,NB-IoT以其对于低功耗应用的支持,已经成为物联网领域不可忽视的蜂窝技术。而LTE-M也在商用LTE网络上找到自己的一席之地。

NB-IoT技术的主要优缺点如下:

优点:

覆盖范围广:依托运营商的蜂窝网络,可实现广域覆盖。
连接数高:单个基站可支持过万连接。
低功耗:端节点功耗非常低,电池寿命长。
安全可靠:使用运营商网络,有完善的安全机制。
标准成熟:3GPP标准化,不同运营商之间互操作性好。
建设成本低:可重用现有蜂窝网络基础设施。

缺点:

通信质量依赖基站:连接质量与蜂窝信号相关。
数据速率较低:最大速率只有kbps量级。
通信延迟较高:终端访问延迟可达10秒。
运营成本高:需要运营商的网络和计费支持。
覆盖室内性能差:依赖蜂窝信号,室内透射损耗大。
国内采用未明:目前国内运营商对NB-IoT部署态度不明确。
初期网络不成熟:相关网络运营成熟度还需提高。

总体而言,NB-IoT非常适合对网络质量要求不高、需要广域覆盖的大规模物联网应用

5种主流技术的横向比较

技术	传输距离	网络构型	节点容量	数据速率	功耗级别	使用频带	典型应用
蓝牙	Class2: 10米，Class1: 100-300米	点对点网络	100个内	1Mbps左右	最低	ISM频段	音频传输
WiFi	商用:300米，家用:10-50米	点对点网络	50个左右	GB级	最高	ISM频段	高速率传输
ZigBee	10-100米	网状网络	最多65,000个	1Mbps左右	最低	ISM频段	智能家居
LoRaWAN	数公里	星型网络	海量节点	kbps级别	适中	免许可的ISM频段	城市感知
NB-IoT	基站决定，数公里至十几公里	星型网络	海量节点	kbps级别	适中	许可频段	低成本、低功耗的应用