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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

作者:互联网

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

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

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。
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。
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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。

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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。
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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。
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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。

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学习笔记总结自‘物联网开发实战’–郭朝斌
–笔记只用于学习交流,请不要用于商业用途。

标签:GPRS,频段,NB,IoT,Wi,信道,2G,Fi,设备
来源: https://blog.csdn.net/weixin_47567401/article/details/113809638