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[物联网全栈成长-第一阶段学习笔记]1.1 初识物联网

课程简介

最近开始学习一门物联网公开课,课程链接为:【IoT物联网开发全栈成长计划】,主要分为三阶段。第一阶段主要介绍了关于物联网的各种基础知识;第二阶段主要会在硬件或云服务器上进行实践;第三阶段则偏向大数据和人工智能的学习。这里记录一下学习过程中的笔记。

物联网概述

云-管-端的逻辑体系

物联网的逻辑体系主要如下所示:

  • 感知层:负责信息手机和信号处理
  • 网络层:负责终端接入和数据传输
  • 平台层:负责设备通信管理、数据存储、业务规划等
  • 应用层:负责数据呈现及客户交互

垂直行业应用

  • 公共事业物联网
  • 车联网
  • 工业物联网
  • 智慧家庭物联网

通信技术

  • 4G、5G、LET-V:(车联网、视频监控、智能机器):传输速率高(>10Mbps)、功耗较高、成本较高
  • eMTC、GPRS:(智能穿戴设备、梯联网、电子广告、无线ATM):传输速率较高(>1Mbps)、成本较低、功耗较低
  • NB-IoT:远程抄表、智能停车、智慧农业:传输速率较低(<100kbps)、成本低、功耗低、覆盖广

有线通信和无线通信技术

有线通信技术

有线通信技术的优点是:稳定性强、可靠性高;相对地,其缺点主要是受限于传输媒介、满足不了远距离的灵活性高的设备需求

  • 以太网:现有局域网采用的最通用的通信协议标准,包括:标准以太网、快速以太网和 10G 以太网
  • RS-232 和 RS-485:
    • RS-232:是 EIA(Electronic Industries Alliance, 美国工业联盟) 制定的异步传输标准接口,主要以 DB-9 和 DB-25 两种引脚形式出现(一般个人计算机上有两组 RS-232 接口,称为 COM1(DB-9) 和 COM2(DB-25))
    • RS-485:为了解决 RS-232 能解决点对点通信,但不能解决联网功能的问题发展而来。
    • 两者区别主要在于:
      • 传输方式:RS-232 为不平衡传输方式,采用单端通讯、RS-485 为平衡传输、采用差分传输方式
      • 传输距离:RS-232 传输距离较短,一般不超过 20m、RS-485 则可达几十米至上千米
      • 通信数量:RS-232 为一对一通信、RS-485 总线上能允许你连接 128 个收发器
  • M-Bus:全称 Meter-Bus(户用仪表总线),用于非电力户用仪表传输的欧洲呢总线标准,主要在建筑物和工业能源消耗数据采集设备应用。M-Bus 总线设计参考了 OSI 7 层网络结构,不过只对其中 物理层、链路层、网络层以及应用层进行了功能定义。同时为了支持对任意一层数据进行修改,还定义了一层管理层用于对任意一层进行管理。M-Bus采用串行通信方式的总线型拓扑结构,适合公共事业的可靠、低成本的组网要求。
  • PLC:全称 Power Line Communication(电力线通信),是利用电力线传输数据和媒体信号的一种通信方式。基本原理是:首先将带有信息的高频加载于电流,在接收电流的适配器中高频分离传送至计算机或电话实现信息传输。PLC 非常便于在传统数据处理设备(PC 机)和计算机外设(电视机、VCR)之间交换数据

无线通信技术

  • 蜂窝移动通信:通常指 2G、3G、4G 通信技术
    • 大部分物联网设备终端(共享单车、POS机等)接入采用 GPRS 通信方式,是 2G 通信的一种
  • 短距离无线通信:蓝牙、WiFi、ZigBee、Z-wave
    • 蓝牙:是一种大容量、近距离、无线数字通信技术标准。最初为了作为 RS-232 的替代方案。常用于固定设备、移动设备、楼宇个人域网的数据交换,主要使用 2.4-2.485GHz 的 ISM 波段的无线电波。最高传输速率为 1Mbps,最大传输距离为 10cm ~ 10m。蓝牙的特点是 速率快、低功耗、安全性高;缺点是节点少,不适合多点布控
    • Wi-Fi:是一种允许电子设备连接到一个无线局域网(WLAN)的技术。主要使用 2.4GHz UHF 或 5G SHF 的 ISM 射频频段。其特点是:覆盖范围广、传输速率快;缺点是:安全性不高、稳定性较差、功耗较高
    • ZigBee:是目前物联网应用较多的一种技术,是基于 IEEE802.15.4 标准的低功耗局域网协议,广泛应用在工业和智慧家庭领域(和蜂窝网络不同)。ZigBee 中每个节点除了可以进行基本监控对象(作为传感器进行数据采集和监控),也能够自动中转别的网络节点传来的数据资料。具有近距离、低复杂度(简单)、自组织、低功耗、低传输速率、第成本等特点,缺点是:被物体阻挡后信号会衰减、不同芯片兼容性较差,由于网络灵活所以不易维护
    • Z-Wave:是一种新兴的基于射频的低成本、低功耗、高可靠的短距离无线通信技术。其信号有效覆盖范围在室内是 30m,室外可超过 100m。其优点是:网络结构简单、低功耗、低成本、网络可靠性高;缺点是:速率较低、标准不开放,芯片只能通过 Sigma Designs 这唯一来源获取
  • LPWA:全称 Low Power Wide Area(低功耗广域网)。它解决了传统网络不能应对一些物联网场景的通信问题,主要分为以下几种:
    • SigFox:主要打造低功耗、低成本的物联网专用网络,是商用化速度较快的一个 LPWA 网络技术。其利用了 UNB(超窄带) 技术,传输功耗水平非常低且能维持稳定数据连接,传输速率为 100 bps。其网络拓扑是一个可扩展的高容量的网络,能源消耗低,同事保持简单和易于部署的基于星型单元的基础设施。Sig-Fox 无线链路使用免授权 Sub-G 的 ISM 射频频段。其频率根据各国家标准不同,在欧洲广泛使用 868 MHz;在美国是 915 MHz
    • LoRa:基于开源的 MAC 层协议的低功耗广域网标准,同事基于 Sub-G 的频段使其更易于以较低功耗进行远距离通信。其采用了一种基于扩频技术的超远距离无线传输方案,改变了以往关于传输速率和功耗的折衷考虑方式,提供了一种能够实现远距离、长电池寿命以及大容量的系统,进而扩展传感网络。
    • NB-IoT:是目前 LPWA 领域最火的一项技术,是一种构建于蜂窝网络的窄带物联网,只消耗 180 KHz 的带宽,可直接部署于 GSM 网络、UMTS 网络、LTE 网络,以降低部署成本,实现平滑升级。和 Sig-Fox、LoRa 的却别是:直接构建于运营商蜂窝网络上,采用 Sub-GHz 中需要授权的频段。NB-IoT 聚焦于低功耗、广覆盖的物联网市场,具有覆盖广、连接多、速率低、成本低、功耗低、架构优等优点。