物联网的通信技术以及Wi-Fi、一键配网技术、BLE、GPRS(2G)、LTE-Cat1 、NB-IoT简介

简介: 物联网的一个重要的特点是接入了网络,因此这些设备才能将传感器采集的数据上传到云平台,然后根据平台对数据的分析做出反应。而这种接入网络的技术,就是通信技术,是物联网的基础之一。通信的方式可以分为有线和无线两种方式,因为有线通信的成本较高,无线通信技术在物联网中应用比较广泛。

物联网的一个重要的特点是接入了网络,因此这些设备才能将传感器采集的数据上传到云平台,然后根据平台对数据的分析做出反应。而这种接入网络的技术,就是通信技术,是物联网的基础之一。

通讯技术在生活中应用十分广泛:
刷票进地铁站会用到 NFC
追剧会用到 Wi-Fi 或者 4、5G
连无线耳机听音乐会用到蓝牙
在不同的场景通信技术的使用也不同

在学习具体的无线通信技术之前,我们得先熟悉无线通信技术的 4 个重要参数:
频段
信道
信道带宽
传输速率

频段
无线通信当然用的是电磁波,在实际应用中,电磁波是按照频段来使用的。频段是指电磁波频率的一个范围。
截屏2023-12-27 下午3.53.12.png
上面这张图展示了整个频谱的频段分布。图中的分段基于电磁波不同的特性,而通信技术则需要考虑不同的使用需求和管理,对无线电波做更进一步的分段。

在这个频谱图中,Wi-Fi 的频段是 2.412GHz-2.484GHz。这是一个非授权频段,其他的通信技术也可以使用,所以在后面你会看到蓝牙技术也基本是这个频率范围。理解了这一点,也许你就能明白,为什么 Wi-Fi 路由器和蓝牙耳机、键鼠,在某些情况下会相互干扰了。有没有什么办法能解决通信干扰呢?答案是肯定的,其中一种有效的方法是基于信道的跳频技术。

信道
它是信息通过无线电波传送的具体通道介质。每种通信技术的频段会被划分、规划成多个信道来使用。
比如,Wi-Fi 的频段被分为 14 个信道(中国可用的是 13 个信道,信道 14 排除在外)。

信道带宽
信道频段的最大值和最小值之差,就是信道覆盖的范围大小,也叫信道带宽。比如,Wi-Fi 信道 1 的带宽是 22MHz,它是由 2.423GHz 减去 2.401GHz 得到的。
需要注意的是,22MHz 是信道 1 的实际带宽,而它的有效带宽只有 20MHz,因为其中有 2MHz 是隔离频带。隔离频带主要是起保护作用的,就像高速公路上的隔离带。

传输速率
它是指数据传输的快慢,单位是比特 / 秒(bit per second,简记为 bps)。
不同的传输速率可以支撑不同的应用场景。比如,5G 峰值 20Gbps 的传输速率为移动 VR/AR 应用提供了技术可能。
传输速率受很多因素的影响,比如信道带宽和频率。一般来说,带宽越大,传输速率就越大,就像路面越宽可以承载的通行车辆越多一样;频率比较高时,电磁环境相对比较干净、干扰少,传输速率会更高,就像道路更平坦自然可以通行更多车辆一样。

频段、信道、信道带宽和传输速率,这 4 个无线通信技术的关键概念可以用用一张图来表现它们的关系。
截屏2023-12-27 下午3.53.44.png
无线通信技术最常用的几种是 Wi-Fi、BLE、2G(GPRS)、LTE-Cat1&NB-IoT。

Wi-Fi
Wi-Fi 是 IEEE 802.11 无线网络标准的商品名。所以,支持 Wi-Fi 功能的设备上,都会标注 “兼容 IEEE 802.11b/g/n 2.4GHz” 之类的说明。其中,802.11b、802.11g、802.11n 就是 Wi-Fi 的不同版本。
这种版本命名方式当然不够直观,所以 Wi-Fi 联盟从 2018 年开始推进数字版本号,比如,Wi-Fi 5、Wi-Fi 6。我在这里放了一张表格,展示了新旧版本号的对应关系。
截屏2023-12-27 下午3.54.20.png
没错,你可能也发现了,蓝牙早就这样定义版本号了。数字版本号的好处是,可以让开发人员避免使用错误版本的模组或者芯片,也方便了他们与用户沟通使用中的问题。
Wi-Fi 网络分布广泛,在家里、在办公场所,包括很多公共区域都有覆盖。所以,它自然也成了很多智能设备的选择,尤其是连接电源线、不需要关心功耗的设备,往往优先考虑 Wi-Fi。
不过,实践中有一个事情需要注意,那就是 Wi-Fi 的配网。
配网失败,是 Wi-Fi 智能硬件被用户投诉和退货的非常重要的原因。据我了解,有厂家使用 2016 年的微信硬件 AirKiss2.0 配网,退货率达到了 15%,是不是非常吓人?
之所以需要“Wi-Fi 配网绑定”这个操作流程,根本原因是,物联网设备不像手机、电脑,没有便利的信息输入手段,也没有完备的信息显示器件。因此,我们无法像在手机上一样,帮设备搜索、连接上 Wi-Fi 热点。相反,我们需要借助其他手段来完成两件事情:
Wi-Fi 设备需要连接上路由器(Wi-Fi 热点或者 AP)实现数据上传和远程控制,即获取到 Wi-Fi 热点的名称(称为 SSID)和密码。
获取到 Wi-Fi 设备的 MAC 地址,或者设备生产时预存的信息,并与用户账号一起上传服务器完成绑定。
完成这两步之后,设备才可以联网使用。

一键配网技术
一键配网技术是可以自动链接网络的技术。
一键配网技术就是你只要在手机 App 上按一个按键,就可以自动完成配网的一系列操作。
2018 年之前的 Wi-Fi 产品(比如微信 AirKiss 2.0)存在广播包解析错误的问题,很可能发生解析的密码不正确的情况,导致无法连接路由器。
路由器不支持局域网通信(比如路由器的访客网络),或者空间中有几个 SSID 相同的 Wi-Fi 热点,手机和 Wi-Fi 设备分别在不同的路由器下面,会导致设备即使连接上了路由器,但是手机无法获取设备信息的广播包的情况。
用户路由器或者设备的 Wi-Fi 模组引起的问题很难改变。遇到这类问题时,你可以让用户把手机热点打开,并且把热点的 SSID 和密码设置成与配网的 Wi-Fi 路由器一样的,然后拿到离路由器很远的地方,使用手机的 Wi-Fi 网络配置成功后,再回到路由器的环境下使用。
如果是 2.4GHz 和 5GHz 两个频段的问题,那么可以切换手机的 Wi-Fi 连接到 2.4GHz 的频段后再配置网络。
截屏2023-12-27 下午3.54.45.png
BLE
连接电源线、不需要关心功耗的设备往往优先考虑 Wi-Fi,那么对于功耗要求严格的设备BLE 是一个不错的选择。
它的频段是非授权的 2.400GHz-2.4835GHz,采用 40 个带宽 2MHz 的通道。其实BLE就是是 Bluetooth Low Energy 的缩写,也叫低功耗蓝牙,是对 Bluetooth 4.0 / 4.1 / 4.2 的统称。现在它已经成为低功耗物联网设备的首选,仅仅依靠一颗纽扣电池供电就可以工作数年。而蓝牙 5 更是针对物联网增加了很多特性,比如 Mesh 组网、更远的通信距离、更快传输速率(BLE 4.2 的 2 倍)和更大数据承载量的广播包(BLE 4.2 的 8 倍),此外还有厘米级精度的定位功能。

除了这些,蓝牙技术还有一个优势,那就是应用实践非常广泛,是智能手机等设备的标配。因此,无论是从芯片模组的价格考虑,还是从生态的丰富度考虑,它都是电池供电的智能设备的理想选择。

连接参数的调节对于 BLE 设备的扫描和连接等影响很大。这些参数包括广播间隔、最大连接间隔、最小连接间隔和连接监听时间等,它们都可以在设备的固件开发中进行调整。比如广播间隔会影响扫描的响应速度,也会对设备的功耗有影响,所以需要平衡功耗和响应速度的不同需求,选择一个合适的值。如果扫描连接体验需要非常流畅迅速,你可以选择 20ms 的间隔,但是这会增加设备的功耗,减少待机时间;如果你能够容忍一定的扫描等待时间,那么可以选择 1-2 秒的广播间隔来降低功耗。

2G
在 Wi-Fi 流行之前,智能手机进行数据通信的主要方式是蜂窝通信技术,也就是我们常说的“ x G”。
2G 是相对早期的蜂窝通信技术,不过,在一些传输数据量不大的场景中,采用 2G 技术的联网设备还有不少,比如路灯控制器、冷链运输监测设备等。但是,在新产品的设计中要尽量避免使用 2G 模组,因为 2G 的退网已经不可避免。
联通已经率先推进,移动也开始逐步实施,腾出的频段会用于发展 5G 网络通信。如果新产品仍然采用 2G 模组,未来无网可用时会非常麻烦。

LTE-Cat1 & NB-IoT
2G 的替代的一个好选择是LTE-Cat1 和 NB-IoT 。
NB-IoT 模组的价格已经和 2G 模组基本持平;LTE-Cat1 的模组相比要贵一些,但是也要远低于 4G 模组的价格。

LTE-Cat1 有一个独特优势是网络覆盖,它属于 4G 网络的低速类别,可以直接使用我们国家完善的 4G 的网络设施。而 NB-IoT 虽然已经发展多年,但是目前网络覆盖仍然不够理想,这也限制了这些年 NB-IoT 的广泛应用。

那么,LTE-Cat1 和 NB-IoT 分别适合哪些应用场景呢?我们可以根据它们各自的特性来分析。
LTE-Cat1 的带宽是 20MHz,上行速率 5Mbps,下行速率 10Mbps。它有良好的移动特性,功耗比 NB-IoT 大些,但是低于传统的 2G/3G 设备。所以它适合可穿戴设备、ATM 机、自助售货机和无人机等场景。这些场景对数据传输速率有一定要求,但是又不需要达到 4G 的水平。

NB-IoT 的带宽是 180KHz,上行速率 16.9Kbps,下行速率是 26Kbps,功耗很低。所以它不适合移动环境,但却很适合智能抄表、智能灯杆和烟感报警器等低数据速率的场景。
截屏2023-12-27 下午3.55.19.png
学习笔记总结自‘物联网开发实战’–郭朝斌

相关实践学习
钉钉群中如何接收IoT温控器数据告警通知
本实验主要介绍如何将温控器设备以MQTT协议接入IoT物联网平台,通过云产品流转到函数计算FC,调用钉钉群机器人API,实时推送温湿度消息到钉钉群。
阿里云AIoT物联网开发实战
本课程将由物联网专家带你熟悉阿里云AIoT物联网领域全套云产品,7天轻松搭建基于Arduino的端到端物联网场景应用。 开始学习前,请先开通下方两个云产品,让学习更流畅: IoT物联网平台:https://iot.console.aliyun.com/ LinkWAN物联网络管理平台:https://linkwan.console.aliyun.com/service-open
相关文章
|
20天前
|
存储 安全 物联网
未来技术纵横谈:区块链、物联网和虚拟现实的革新之路
在科技不断进步的今天,新兴技术正以前所未有的速度改变着我们的生活和工作方式。本文将深入探讨区块链、物联网(IoT)以及虚拟现实(VR)这三项技术的发展趋势与潜在应用场景,揭示它们如何塑造一个更加智能、互联和沉浸式的未来世界。通过对这些技术的综合分析,我们旨在提供一个全面的视角,以理解它们在未来社会结构中的重要性及影响。
22 7
|
1月前
|
传感器 物联网 测试技术
基于物联网技术的养老院管理系统设计与实现_kai
基于物联网技术的养老院管理系统设计与实现_kai
基于物联网技术的养老院管理系统设计与实现_kai
|
5天前
|
存储 供应链 物联网
未来技术纵横谈:区块链、物联网与虚拟现实的融合革新
【4月更文挑战第7天】 在数字化浪潮推动下,新兴技术如区块链、物联网(IoT)和虚拟现实(VR)正不断重塑我们的工作、生活方式及商业模式。本文将深入探讨这些技术的发展趋势,以及它们如何相互交织,共同构建一个更加智能、互联和沉浸式的未来世界。区块链技术以其不可篡改的数据记录和去中心化特性,为安全性和透明度设立了新标准;物联网通过使设备智能化和网络化,推动了自动化和效率的飞跃;而虚拟现实则在娱乐、教育和医疗等领域开辟了前所未有的交互体验。文章还将剖析这些技术在实际应用中的案例,展示它们如何联合起来推动创新。
9 0
|
7天前
|
存储 安全 物联网
未来技术的融合与创新:区块链、物联网和虚拟现实的新趋势
【4月更文挑战第5天】 随着科技的不断发展,新兴技术如区块链、物联网和虚拟现实等正在逐渐改变我们的生活和工作方式。这些技术不仅在各自的领域取得了显著的进展,而且开始相互融合,为未来的应用提供了无限的可能性。本文将探讨这些新兴技术的发展趋势和应用场景,以及它们如何共同推动技术创新和社会进步。
|
9天前
|
存储 边缘计算 物联网
关于物联网的技术与概念
关于物联网的技术与概念
22 4
|
14天前
|
安全 物联网 区块链
未来技术的融合潮流:区块链、物联网与虚拟现实的革新之旅
随着科技的不断进步,新兴技术如区块链、物联网(IoT)和虚拟现实(VR)等正在重塑我们的世界。本文将深入探讨这些技术的发展趋势和潜在应用场景,揭示它们如何相互交织,共同推动第四次工业革命的浪潮。区块链技术以其独特的去中心化特性和不可篡改的数据记录能力,为安全性和透明度树立了新标准;物联网通过智能设备和传感器的广泛部署,实现了现实世界与数字世界的无缝对接;而虚拟现实则在沉浸式体验上开辟了前所未有的空间。这些技术的融合预示着一个更加智能、互联和互动的未来。
|
17天前
|
供应链 安全 物联网
未来交织:区块链技术、物联网与虚拟现实的融合革新
随着技术的迅猛发展,新兴技术如区块链、物联网(IoT)和虚拟现实(VR)正在重塑我们的世界。本文将深入探讨这些技术的发展趋势,并分析它们在不同应用场景中的融合与创新。区块链提供的安全性和去中心化特征,物联网实现的智能设备互联,以及虚拟现实创造的沉浸式体验,三者结合预示着一个高度自动化、安全和交互性极强的未来。从金融到医疗,从教育到娱乐,这些技术的结合将推动多个行业的变革。
|
18天前
|
供应链 安全 物联网
未来技术浪潮:区块链、物联网与虚拟现实的革新融合
随着技术的不断进步,新兴技术如区块链、物联网(IoT)、虚拟现实(VR)等正在重塑我们的世界。本文将深入探讨这些技术的发展趋势和多样化应用场景,揭示它们如何各自独特地以及相互交织地影响着经济、社会和文化结构。区块链技术以其去中心化和不可篡改的特性,为数据安全和价值交换提供了新的可能性;物联网通过智能设备和系统的互联,优化了资源管理和生活效率;而虚拟现实则在娱乐、教育和医疗等领域创造了沉浸式体验。这些技术的融合预示着一个更加互联、安全和虚拟的世界,它们的发展不仅推动了创新的边界,也为人类社会带来了前所未有的挑战和机遇。
|
19天前
|
供应链 物联网 区块链
未来技术纵横谈:区块链、物联网与虚拟现实的新纪元
在数字化浪潮的推动下,新技术如区块链、物联网(IoT)、虚拟现实(VR)等正逐渐渗透至我们生活的每一个角落。本文将深入探讨这些技术的最新发展趋势以及它们在不同领域中的创新应用。区块链技术以其不可篡改和去中心化的特性,正在金融、供应链管理以及身份验证等领域展现出巨大潜力。物联网通过智能设备和系统的互联互通,推动了智慧城市、智能家居和工业4.0的发展。而虚拟现实技术则在娱乐、教育和远程协作等方面提供了沉浸式体验。文章旨在为读者描绘一幅新兴技术如何塑造未来社会的全景图。
|
19天前
|
供应链 物联网 区块链
未来技术纵横谈:区块链、物联网与虚拟现实的融合与革新
随着科技的不断进步,新兴技术如区块链、物联网(IoT)和虚拟现实(VR)等正逐渐渗透到我们日常生活的各个领域中。这些技术不仅自身快速发展,而且在交汇融合时产生新的可能性,推动着传统行业的变革与升级。本文将深入探讨这些技术的发展趋势、相互之间的结合点以及在多个应用场景中的创新实践,旨在为读者提供一个关于未来技术趋势及其应用的全面视角。

相关产品

  • 物联网平台