物联网连接方式_物联网系统有哪些「建议收藏」

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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