工业物联网中的几种无线主流技术

2021-12-28 18:26:52 33

大型生产场景中涉及大量的设备、生产应用系统、工人和产品，稳定、高速、易管理的无线网络是必不可少的需求。

工业物联网的无线通信技术主要分为两类：一类是ZigBee、WiFi、蓝牙等短距离通信技术；另一类是LPWAN（low-power Wide-Area Network），即低功耗广域网通信技术。LPWAN又分为两类：一类是工作于未授权频谱的LoRa、SigFox等技术；另一类是工作于授权频谱下，3GPP支持的2/3/4G蜂窝通信技术，比如EC-GSM、LTE Cat-m、NB-IoT等。

不同的无线技术在组网、功耗、通讯距离、安全性等方面各有差别，因此拥有不同的适用场景。例如，Sub-1GHz技术适用于传输距离远、电池供电、须具备强健性的应用环境；蓝牙适合高速、传输更多信息、通过手机控制的状况；Thread、Wi-Fi等技术也有各自的优势与适用情境。

下面分别列出了工业物联网中最常见的几种无线技术：

ZigBee、蓝牙、Lora、NB-IoT、Sigfox，以及最新的WiFi Halow技术。

ZigBee技术

ZigBee被正式提出来是在2003年，它的出现是为了弥补蓝牙通信协议的高复杂、功耗大、距离近、组网规模太小等缺陷。名称取自蜜蜂，蜜蜂(Bee)是靠飞翔和“嗡嗡”(zig)地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在的方位信息，依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。

ZigBee可工作在三个频段868MHz~868.6MHz、902MHz~928MHz和2.4GHz~2.4835GHz，其中最后一个频段世界范围内通用，16个信道，为免付费、免申请的无线电频段。三个频段传输速率分别为20kbps、40kbps以及250kbps。

ZigBee是低成本、低功耗、低功率的短距离无线通信标准，是专为低速率传感器和控制网络而设计的无线网络规范，具有如下特点：

低功耗：由于ZigBee的传输速率低，发射功率仅为1mW，而且采用了休眠模式，因此ZigBee设备非常省电。据估算，ZigBee设备仅靠两节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间，其他无线设备望尘莫及。

成本低：ZigBee模块的初始成本在6美元左右，估计很快就能降到1.5~2.5美元, 并且ZigBee协议免专利费。

复杂性低：ZigBee协议的大小一般在4~32KB，而蓝牙和WiFi一般都超过100KB。

时延短：通信时延和从休眠状态激活的时延非常短，典型的搜索设备时延为30ms，休眠激活的时延是15ms, 活动设备信道接入的时延为15ms。因此ZigBee技术适用于对时延要求苛刻的无线控制(如工业控制场合等)应用。

网络容量大：一个星型结构的ZigBee网络最多可以容纳254个从设备和一个主设备，一个区域内最多可以同时存在100个ZigBee网络, 一个网络中最多可以有65000个节点连接，网络组成灵活。

可靠：采取了碰撞避免策略，为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避开了发送数据的竞争和冲突。MAC层采用完全确认的数据传输模式，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。如果传输过程中出现问题可以进行重发。

安全：ZigBee提供了基于循环冗余校验(CRC)的数据包完整性检查功能，支持鉴权和认证，采用AES-128的加密算法，各个应用可以灵活确定其安全属性。

ZigBee虽然具有低功耗、低成本，低速率、高容量、长电池寿命等优点，但也有缺点，即抗干扰性差，通信距离短，而且ZigBee协议没有开源。

蓝牙技术

蓝牙技术最早始于1994，由电信巨头爱立信公司研发，是在两个设备间进行无线短距离通信的最简单、最便捷的方法，可实现固定设备、移动设备和楼宇个人域网之间的短距离数据交换。蓝牙技术被广泛地用于手机、PDA等移动设备，PC、GPS设备，以及大量的无线外围设备（蓝牙耳机、蓝牙键盘等）。

蓝

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