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[物联网全栈成长-第一阶段学习笔记]1.3 窄带无线,海量物联

概述

本章主要介绍了工业物联网关和基本特性以及和普通家庭物联网关的特点以及区别。

工业物联网关

基本特性

物联网网关的设计主要是为了应对小范围大量设备接入和复杂环境设备接入的场合,属于物联网架构中的网络层。负责下行汇聚和上行回传。

相对于普通的物联网网关,在工业场景下对网关有着更严格的要求:

  • 由于企业的网络产品缺乏足够工业化设计,无法满足物联网现场工业级的需求,例如:温度要求、防尘防水、防电磁干扰等
  • 工业接口协议众多,也对网关提出了苛刻要求,很多工业总线还采用:RS-485、Modbus,无线通信则采用:ZigBee 和 RF 等接口
  • 除此之外,工业生产网和办公网的交叉融合也对网关的安全性有一定要求
  • 物联网网络运维复杂度会随着终端增加而提高

因此,工业物联网关是专门为了工业领域物联网应用设计,集路由、交换、无线和安全于一体的融合网关,有以下特点:

  • 工业物联网关基于工业级标准设计,满足温湿度、防尘防水性、无风扇冷却、放电磁干扰等一系列需求
  • 支持安全加密、集中管理,并且提供设备防攻击机制
  • 提供软件热补丁技术,实现设备软件在线平滑升级;支持即插即用、免现场测调的维护方式,还支持对用户侧设备提供远程集中管理等功能,降低维护成本、提高维护效率
  • 提供丰富的通信接口和协议,上行支持 GPRS、3G 和 LTE 等主流通用接口,下行支持 以太网、PLC、ZigBee、RS-485(422、232)等各种通信接口
  • 工业物联网关还支持边缘计算,使得本地网关也可以提供一部分计算能力、数据存储和告警响应,从而降低时延和提高可靠性

相关下行技术

  • PLC

通过 PLC(电力线通信) 通信,可以使通信线缆与供电线缆二合一,降低了部署成本;PLC 支持设备自组网,设备上电即可使用。传统 PLC 通信技术面临较严重的噪声干扰(变压器的电磁干扰等),并且噪声频段区间( 2MHz 以下)也是窄带 PLC 的工作区间范围。而宽带电力载波技术通过通信频段选择和自适应技术,可以有效避开 2MHz 以下的主要噪声区间,可以有效应对各类设备产生的噪声干扰,有效提高电力线载波的可靠性。

  • RF Mesh

Mesh 技术包括以下技术优点:中继信号;扩展无线覆盖范围;支持网络自组织和自修复以及流量自平衡;提升带宽、降低发生功率,因此首选 Mesh 技术作为 RF 网络的组网技术。

RF Mesh 的传输层采用 UDP 协议;应用层接入认证由 PANA 和 EAP 协议保证;网络层则采用 IPv6 协议,基于距离矢量的 RPL 路由协议实现 Mesh 组网,基于ND(Neighbor Discover)协议实现邻居发现;在数据链路层基于 6LoWPAN 做报文压缩和分片;物理层(和 ZigBee 一样)采用 IEEE 802.15.4 标准

家庭物联网关

发展过程和网络结构变化

下面概括以下家庭物联网关的发展过程:

  • 最初家庭宽带业务是通过调制解调器拨号上网的纯宽带业务。网络结构为单一的点状网络结构
  • 目前家庭网关和光猫提供了更高带宽,为家庭终端设备提供了网线、WiFi 等多种连接方式,供多种设备连接使用。因此网络结构也发展为围绕家庭网关的星型布局结构
  • 将来由于家庭网关还将提供网络安防的一系列新功能,网络结构会从目前的星型结构发展为网状结构

智能家庭网络结构

  • 在家庭外接入运营商的宽带网络,在家庭内部网络则包括了基础宽带网络和智能互联网络,其中:
    • 基础宽带网络包括 LAN、WiFi 以及扩展 AP 组成的宽带网络服务(主要是提供各类多媒体服务)
    • 智能互联网络基于 WiFi、ZigBee 和 Z-Wave 等协议建立的智能设备互联互通网络,提供智能安防、家具自动化等业务

智能家庭网络提供的关键业务

  • 智能提速:由于终端数量增多,要求智能网关可以智能识别提速请求,上报开放平台获得授权后建立加速隧道
  • 家庭 WiFi 无缝覆盖:增强 WiFi 使用体验,从单 ONT 集中式 WiFi 向分布式发展是趋势。可以通过以太网 AP、PLC(电力猫)、无线中继器等工具 扩展 WiFi
  • 智能互联和智能业务:智能家庭网关可以基于 USB-Dongle 扩展的方式提供包括 ZigBee 和 Z-Wave 等多种物联网基础接入能力。通过统一接入标准,集成不同厂家的智能设备;通过统一 UI 界面可以连接到自有或第三方智能家居云平台
  • 智能运维:对家庭设备的可视化管理,提供网络测速和体检以及设备上线离线的通知