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物聯網常見通信協議梳理

發表時間:2021-12-07 11:17作者:清風軟件測試來源:博客園網址:https://www.cnblogs.com/111testing/p/12659331.html

1   概述

在上一篇文章《物聯網常見通信協議與通訊協議梳理【上】-通訊協議》中,對物聯網常用通信協議和通訊協議作了區分,并對通訊協議進行了分享;本文將對常用的通信協議進行剖析,重點面向市場上使用率較高的,且又不是諸如TCP/IP之類老生常談的。



2   近距離通信協議

2.1   RFID

RFID的空中接口通信協議規范基本決定了RFID的工作類型,RFID讀寫器和相應類型RFID標簽之間的通訊規則,包括:頻率、調制、位編碼及命令集。ISO/IEC制定五種頻段的空中接口協議。

(1)ISO/IEC 18000-1《信息技術-基于單品管理的射頻識別-第1部分:參考結構和標準化的參數定義》。它規范空中接口通信協議中共同遵守的讀寫器與標簽的通信參數表、知識產權基本規則等內容。這樣每一個頻段對應的標準不需要對相同內容進行重復規定。

(2)ISO/IEC 18000-2《信息技術-基于單品管理的射頻識別-第2部分:135KHz以下的空中接口通信用參數》。它規定在標簽和讀寫器之間通信的物理接口,讀寫器應具有與Type A(FDX)和Type B(HDX)標簽通信的能力;規定協議和指令再加上多標簽通信的防碰撞方法。

(3)ISO/IEC 18000-3《信息技術-基于單品管理的射頻識別-第3部分:參數空中接口通信在13.56MHz》。它規定讀寫器與標簽之間的物理接口、協議和命令再加上防碰撞方法。關于防碰撞協議可以分為兩種模式,而模式1又分為基本型與兩種擴展型協議(無時隙無終止多應答器協議和時隙終止自適應輪詢多應答器讀取協議)。模式2采用時頻復用FTDMA協議,共有8個信道,適用于標簽數量較多的情形。

(4)ISO/IEC 18000-4《信息技術-基于單品管理的射頻識別-第4部分:2.45 GHz空中接口通信用參數》。它規定讀寫器與標簽之間的物理接口、協議和命令再加上防碰撞方法。該標準包括兩種模式,模式1是無源標簽工作方式是讀寫器先講;模式2是有源標簽,工作方式是標簽先講。

(5)ISO/IEC 18000-6《信息技術-基于單品管理的射頻識別-第6部分:860 MHz - 960 MHz空中接口通信參數》。它規定讀寫器與標簽之間的物理接口、協議和命令再加上防碰撞方法。它包含TypeA、TypeB和TypeC三種無源標簽的接口協議,通信距離最遠可以達到10m。其中TypeC是由EPCglobal起草的,并于2006年7月獲得批準,它在識別速度、讀寫速度、數據容量、防碰撞、信息安全、頻段適應能力、抗干擾等方面有較大提高。2006年遞交V4.0草案,它針對帶輔助電源和傳感器電子標簽的特點進行擴展,包括標簽數據存儲方式和交互命令。帶電池的主動式標簽可以提供較大范圍的讀取能力和更強的通信可靠性,不過其尺寸較大,價格也更貴一些。

(6)ISO/IEC 18000-7《信息技術-基于單品管理的射頻識別-第7部分:433 MHz有源空中接口通信參數》。它規定讀寫器與標簽之間的物理接口、協議和命令再加上防碰撞方法。有源標簽識讀范圍大,適用于大型固定資產的跟蹤。屬于有源電子標簽。

此外,還有3個常用的RFID協議:

(1)ISO/IEC 14443《識別卡—無觸點集成電路卡—鄰近卡》

國際標準ISO 14443定義了兩種信號接口:TypeA和TypeB。ISO 14443A和B互不兼容。

一、ISO 14443 TypeA

ISO 14443 TypeA

(也稱ISO 14443A)一般用于門禁卡、公交卡和小額儲值消費卡等,具有較高的市場占有率。

舉例:

1)MIFARE ULtralight(MFO ICU1X):國內常稱U10。此芯片沒有加密功能,只能系統加密,內存是64個字節,典型應用:廣深高速火車票。(另:MIFARE ULtralight C,也叫U20,此芯片可以加密,內存是192個字節)。這兩個芯片的內碼位數都是一樣的,不過內碼數據時不同的。(國內兼容芯片有FM11RF005內存64個字節、BL75R12內存64個字節等)

2)MIFARE Std 1k(MF1 IC S50):國內常稱MF1 S50。主要應用在一卡通方面。內存1KB,有16個扇區,每個扇區有4個塊,每個塊16個字節。初始密碼是12個F。(國內兼容芯片有FM11R08、ISSI4439、TKS50、BL75R06等)

3)MIFARE Std 4k(MF1 IC S70):國內常稱為MF1 S70。主要應用在一卡通方面。內存4KB,共40個扇區,前面32個扇區跟S50一樣,每個扇區有4個塊,后面8個扇區是16個塊,每個塊都是16個字節。初始密碼是12個F。(國內兼容芯片有ISSI4469、FM11RF32以及華大的S70)。

4)Mifare DESFire 4k(MF3 IC D41/D40):國內常稱為MF3。典型應用:南京地鐵。

5)SHC1102:上海華虹生產。典型應用:上海一卡通。

二、ISO 14443 TypeB

ISO14443B由于加密系數比較高,更適合于CPU卡,一般用于身份證、護照、銀聯卡等,目前的第二代電子身份證采用的標準是ISO 14443 TypeB協議。

舉例:

1)SR176:瑞士意法半導體(ST)生產。

2)SRIX4K:瑞士意法半導體(ST)生產。

3)THR1064:北京同方生產。典型應用:奧運門票。

4)AT88RF020:美國愛特梅爾(ATMIL)生產。典型應用:廣州地鐵卡。

5)第二代居民身份證:上海華虹、北京同方THR9904、天津大塘和北京華大生產。

(2)ISO/IEC 15693《識別卡—無接觸點集成電路卡—近距卡》

ISO 14443A/B的讀寫距離通常在10cm以內,應用較廣。但ISO 15693的讀寫距離可以達到1m,應用較靈活,與ISO 18000-3兼容(我國的國家標準很多與ISO 18000大部分兼容)。

舉例:

1)ICODE SLI(SL2ICS20):國內常稱ICODE 2(內存是1Kbit),此型號常用。國內兼容有BL75R05、FM1302N。(另:ICODE SLI-S內存是2048bit,ICODE SLI-L內存是512bit,這兩款芯片在國內不常用。)

2)Tag-it HF-1 Plus:國內常稱Tl2048,美國德州儀器公司(簡稱TI公司)生產。

3)EM4135:瑞士EM生產。

4)BL75R04:上海貝嶺生產以及FM1302T(復旦生產),兼容TI公司的Tag-it HF-1 Plus。

(3)ISO 18092《信息技術系統間近距離無線通信及信息交換的接口和協議》

NFC協議,對近距離無線通信技術進行了一些規范。NFC屬于RFID范疇,但又與RFID有一些區別,因此本文將單獨一小節對NFC進行闡述。



2.2   NFC

2.2.1   NFC概述

近距離無線通信NFC是Near Field Communication縮寫,即近距離無線通訊技術,是一種短距離的高頻無線通信技術,允許電子設備之間進行非接觸式點對點數據傳輸(在10厘米內)交換數據。

NFC提供了一種簡單、觸控式的解決方案,可以讓消費者簡單直觀地交換信息、訪問內容與服務。這個技術由免接觸式射頻識別(RFID)演變而來,并向下兼容RFID,最早由Philips、Nokia和Sony主推,主要可能用于手機等手持設備中。由于近場通訊具有天然的安全性,因此,NFC技術被認為在手機支付等領域具有很大的應用前景。NFC將非接觸讀卡器、非接觸卡和點對點(Peer-to-Peer)功能整合進一塊單芯片,為消費者的生活方式開創了不計其數的全新機遇。

這是一個開放接口平臺,可以對無線網絡進行快速、主動設置,也是虛擬連接器,服務于現有蜂窩狀網絡、藍牙和無線802.11設備。和RFID不同,NFC采用了雙向的識別和連接。在20cm距離內工作于13.56MHz頻率范圍。它能快速自動地建立無線網絡,為蜂窩設備、藍牙設備、Wi-Fi設備提供一個“虛擬連接”,使電子設備可以在短距離范圍進行通訊。

2.2.2   NFC技術原理

NFC的設備可以在主動或被動模式下交換數據。

在被動模式下,啟動NFC通信的設備,也稱為NFC發起設備(主設備),在整個通信過程中提供射頻場。它可以選擇106kbps、212kbps或424kbps其中一種傳輸速度,將數據發送到另一臺設備。另一臺設備稱為NFC目標設備(從設備),不必產生射頻場,而使用負載調制(load modulation)技術,即可以相同的速度將數據傳回發起設備。 移動設備主要以被動模式操作,可以大幅降低功耗,并延長電池壽命。電池電量較低的設備可以要求以被動模式充當目標設備,而不是發起設備。


在主動模式下,每臺設備要向另一臺設備發送數據時,都必須產生自己的射頻場。這是對等網絡通信的標準模式,可以獲得非??焖俚倪B接設置。



2.2.3   NFC應用

NFC技術的應用可以分為四種基本的類別:

(1)接觸通過(TouchandGo),如門禁管制、車票和門票等,使用者只需攜帶儲存著票證或門控密碼的移動設備靠近讀取裝置即可。

(2)接觸確認(TouchandConfirm),如移動支付,用戶通過輸入密碼或者僅是接受交易,確認該次交易行為。

(3)接觸連接(TouchandConnect),如把兩個內建NFC的裝置相連接,進行點對點數據傳輸,例如下載音樂、圖片互傳和同步交換通訊簿等。

(4)接觸瀏覽(TouchandExplore),NFC設備可以提供一種以上有用的功能,消費者將能夠通過瀏覽一個NFC設備,了解提供的是何種功能和服務。

2.3   Bluetooth

2.3.1   起源

藍牙的名字來源于10世紀丹麥國王Harald Blatand -英譯為Harold Bluetooth(因為他十分喜歡吃藍梅,所以牙齒每天都帶著藍色)。他將當時的瑞典、芬蘭與丹麥統一起來。用他的名字來命名這種新的技術標準,含有將四分五裂的局面統一起來的意思。



1998年5月,愛立信、諾基亞、東芝、IBM和英特爾公司等五家著名廠商,在聯合開展短程無線通信技術的標準化活動時提出了藍牙技術,其宗旨是提供一種短距離、低成本的無線傳輸應用技術。

2.3.2   藍牙技術的規范及特點

藍牙技術是一種無線數據與語音通信的開放性全球規范,工作在全球通用的2.4GHz ISM(即工業、科學、醫學)頻段,標準是IEEE802.15,工作在2.4GHz頻帶,帶寬為1Mb/s。

它以低成本的近距離無線連接為基礎,為固定與移動設備通信環境建立一個特別連接。以時分方式進行全雙工通信,其基帶協議是電路交換和分組交換的組合。一個跳頻頻率發送一個同步分組,每個分組占用一個時隙,使用擴頻技術也可擴展到5個時隙。 同時,藍牙技術支持1個異步數據通道或3個并發的同步話音通道,或1個同時傳送異步數據和同步話音的通道。每一個話音通道支持64kb/s的同步話音;異步通道支持最大速率為721kb/s,反向應答速率為57. 6 kb/s的非對稱連接,或者是432. 6 kb/s的對稱連接。

依據發射輸出電平功率不同,藍牙傳輸有3種距離等級:

Class1為100m左右;

Class2約為10m;

Class3約為2-3m。

一般情況下,其正常的工作范圍是10m半徑之內。在此范圍內,可進行多臺設備間的互聯。

2.3.3   藍牙版本

目前藍牙發展到了藍牙5.0:

下面對現階段主要版本藍牙技術的特性做一個詳細的介紹:

一、版本1.1

傳輸率約在748~810kb/s,因是早期設計,容易受到同頻率之間的類似通信產品干擾,影響通訊質量。這個初始版本支持Stereo音效的傳輸要求,但只能夠以(單工)方式工作,加上帶寬頻率響應等指標不理想,并未算是最好的Stereo傳輸工具。

二、版本1.2

同樣是只有748~810kb/s的傳輸率,但增加了(改善Software)抗干擾跳頻功能。支持Stereo音效的傳輸要求,但只能夠作(單工)方式工作,加上帶寬頻率響應還是不理想,也不能作為立體聲(Stereo)傳輸工具。

三、版本2.0

2.0是1.2的改良提升版,傳輸率約在1.8M/s~2.1M/s,可以有(雙工)的工作方式。即一邊作語音通訊,同時亦可以傳輸檔案/高質素圖片,2.0版本當然也支持Stereo運作。隨后藍牙2.0版本的芯片,增加了Stereo譯碼芯片,則連A2DP(Advanced Audio Distribution Profile)也可以不需要了。

四、版本2.1

為了改善藍牙技術存在的問題,藍牙SIG組織(Special Interest Group)推出了Bluetooth 2.1+EDR版本的藍牙技術。改善裝置配對流程:以往在連接過程中,需要利用個人識別碼來確保連接的安全性,而改進過后的連接方式則是會自動使用數字密碼來進行配對與連接,舉例來說,只要在手機選項中選擇連接特定裝置,在確定之后,手機會自動列出當前環境中可使用的設備,并且自動進行連結;而短距離的配對方面:也具備了在兩個支持藍牙的手機之間互相進行配對與通訊傳輸的NFC(Near Field Communication)機制;更佳的省電效果:藍牙2.1版加入了SniffSubrating的功能,透過設定在2個裝置之間互相確認訊號的發送間隔來達到節省功耗的目的。藍牙2.1將裝置之間相互確認的訊號發送時間間隔從舊版的0.1秒延長到0.5秒左右,如此可以讓藍牙芯片的工作負載大幅降低,也可讓藍牙可以有更多的時間可以徹底休眠。根據官方的報告,采用此技術之后,藍牙裝置在開啟藍牙聯機之后的待機時間可以有效延長5倍以上,開始支持全雙工通信模式。

五、版本3.0+HS

2009年4月21日,藍牙技術聯盟(BluetoothSIG)正式頒布了新一代標準規范"BluetoothCoreSpecificationVersion3.0HighSpeed"(藍牙核心規范3.0版高速),藍牙3.0的核心是"Generic Alternate MAC/PHY"(AMP),這是一種全新的交替射頻技術,允許藍牙協議棧針對任一任務動態地選擇正確射頻。最初被期望用于新規范的技術包括802.11以及UMB,但是新規范中取消了UMB的應用。作為新版規范,藍牙3.0的傳輸速度自然會更高,而秘密就在802.11無線協議上。通過集成"802.11PAL"(協議適應層),藍牙3.0的數據傳輸率提高到了大約24Mbps(即可在需要的時候調用802.11WI-FI用于實現高速數據傳輸),是藍牙2.0的八倍,可以輕松用于錄像機至高清電視、PC至PMP、UMPC至打印機之間的資料傳輸。功耗方面,通過藍牙3.0高速傳送大量數據自然會消耗更多能量,但由于引入了增強電源控制(EPC)機制,再輔以802.11,實際空閑功耗會明顯降低,藍牙設備的待機耗電問題有望得到初步解決。此外,新的規范還具備通用測試方法(GTM)和單向廣播無連接數據(UCD)兩項技術,并且包括了一組HCI指令以獲取密鑰長度。據稱,配備了藍牙2.1模塊的PC理論上可以通過升級固件讓藍牙2.1設備也支持藍牙3.0。聯盟成員已經開始為設備制造商研發藍牙3.0解決方案。

六、藍牙4.0

(1)簡介

藍牙4.0為藍牙3.0的升級標準藍牙4.0最重要的特性是省電,極低的運行和待機功耗可以使一粒紐扣電池連續工作數年之久。此外,低成本和跨廠商互操作性,3毫秒低延遲、AES-128加密等諸多特色,可以用于計步器、心律監視器、智能儀表、傳感器物聯網等眾多領域,大大擴展藍牙技術的應用范圍。

(2)主要特點

藍牙4.0是藍牙3.0+HS規范的補充,專門面向對成本和功耗都有較高要求的無線方案,可廣泛用于衛生保健、體育健身、家庭娛樂、安全保障等諸多領域。它支持兩種部署方式:雙模式和單模式。雙模式中,低功耗藍牙功能集成在現有的經典藍牙控制器中,或再在現有經典藍牙技術(2.1+EDR/3.0+HS)芯片上增加低功耗堆棧,整體架構基本不變,因此成本增加有限。

Single mode只能與BT4.0互相傳輸無法向下兼容(與3.0/2.1/2.0無法相通);Dual mode可以向下兼容可與BT4.0傳輸也可以跟3.0/2.1/2.0傳輸。單模式面向高度集成、緊湊的設備,使用一個輕量級連接層(Link Layer)提供超低功耗的待機模式操作、簡單設備恢復和可靠的點對多點數據傳輸,還能讓聯網傳感器在藍牙傳輸中安排好低功耗藍牙流量的次序,同時還有高級節能和安全加密連接。

(3)優點

藍牙4.0將三種規格集一體,包括傳統藍牙技術、高速技術和低耗能技術,與3.0版本相比最大的不同就是低功耗?!?.0版本的功耗較老版本降低了90%,更省電,“隨著藍牙技術由手機、游戲、耳機、便攜電腦和汽車等傳統應用領域向物聯網、醫療等新領域的擴展,對低功耗的要求會越來越高。4.0版本強化了藍牙在數據傳輸上的低功耗性能?!?/p>

七、藍牙4.1

(1)簡介

如果說藍牙4.0主打的是省電特性的話,那么此次升級藍牙4.1的關鍵詞應當是IOT(全聯網),也就是把所有設備都聯網的意思。為了實現這一點,對通訊功能的改進是藍牙4.1最為重要的改進之一。

(2)主要特點

1)批量數據的傳輸速度

首當其沖的就是批量數據的傳輸速度,大家知道藍牙的傳輸速率一直非常渣,與已經跨入千兆的Wi-Fi相比毫無可比性。所以藍牙4.1在已經被廣泛使用的藍牙4.0 LE基礎上進行了升級,使得批量數據可以以更高的速率傳輸。當然這并不意味著可以用藍牙高速傳輸流媒體視頻,這一改進的主要針對的還是剛剛興起的可穿戴設備。例如已經比較常見的健康手環,其發送出的數據流并不大,通過藍牙4.1能夠更快速地將跑步、游泳、騎車過程中收集到的信息傳輸到手機等設備上,用戶就能更好地實時監控運動的狀況,這是很有用處的。在藍牙4.0時代,所有采用了藍牙4.0 LE的設備都被貼上了“Bluetooth Smart”和“Bluetooth SmartReady”的標志。其中Bluetooth Smart Ready設備指的是PC、平板、手機這樣的連接中心設備,而Bluetooth Smart設備指的是藍牙耳機、鍵鼠等擴展設備。之前這些設備之間的角色是早就安排好了的,并不能進行角色互換,只能進行1對1連接。而在藍牙4.1技術中,就允許設備同時充當“Bluetooth Smart”和“Bluetooth Smart Ready”兩個角色的功能,這就意味著能夠讓多款設備連接到一個藍牙設備上。舉個例子,一個智能手表既可以作為中心樞紐,接收從健康手環上收集的運動信息的同時,又能作為一個顯示設備,顯示來自智能手機上的郵件、短信。借助藍牙4.1技術智能手表、智能眼鏡等設備就能成為真正的中心樞紐。

2)通過IPV6連接到網絡

除此之外,可穿戴設備上網不易的問題,也可以通過藍牙4.1進行解決。新標準加入了專用通道允許設備通過IPv6聯機使用。舉例來說,如果有藍牙設備無法上網,那么通過藍牙4.1連接到可以上網的設備之后,該設備就可以直接利用IPv6連接到網絡,實現與WiFi相同的功能。盡管受傳輸速率的限制,該設備的上網應用有限,不過同步資料、收發郵件之類的操作還是完全可以實現的。這個改進的好處在于傳感器、嵌入式設備只需藍牙便可實現連接手機、連接互聯網,相對而言WiFi多用于連接互聯網,在連接設備方面效果一般,無法做到藍牙的功能。未來隨著物聯網逐漸走進我們的生活,無線傳輸在日常生活中的地位也會越來越高,藍牙作為普及最廣泛的傳輸方式,將在“物聯網”中起到不可忽視的作用。不過,藍牙完全適應IPv6則需要更長的時間,所以就要看芯片廠商如何幫助藍牙設備增加IPv6的兼容性了。

3)簡化設備連接

在各大手機廠商以及PC廠商的推動下,幾乎所有的移動設備和筆記本電腦中都裝有藍牙的模塊,用戶對于藍牙的使用也比較多。不過仍有大量用戶覺得藍牙使用起來很麻煩,歸根結底還是藍牙設備較為復雜的配對、連接造成的。試想一下,如果與手機連接的智能手表,每次斷開連接后,都得在設置界面中手動選擇一次才能重新連接,這就非常麻煩了。之前解決這一問題的方法是廠商在兩個藍牙設備中都加入NFC芯片,通過NFC近場通訊的方式來簡化重新配對的步驟,這本是個不錯的思路。只是搭載NFC芯片的產品不僅數量少,而且價格偏高,非常小眾。

藍牙4.1針對這點進行了改進,對于設備之間的連接和重新連接進行了很大幅度的修改,可以為廠商在設計時提供更多的設計權限,包括設定頻段創建或保持藍牙連接,這以改變使得藍牙設備連接的靈活性有了非常明顯的提升。兩款帶有藍牙4.1的設備之前已經成功配對,重新連接時只要將這兩款設備靠近,即可實現重新連接,完全不需要任何手動操作。舉個例子,以后使用藍牙4.1的耳機時,只要打開電源開關就行了,不需要在手機上進行操作,非常的簡單。

4)與4G和平共處

在移動通信領域,近期最火的話題莫過于4G了,已經成為全球無線通信網絡一個不可逆轉的發展趨勢。而藍牙4.1也專門針對4G進行了優化,確??梢耘c4G信號和平共處,這個改進被藍牙技術聯盟稱為“共存性”??赡艽蠹視X得疑惑,手機網絡信號和藍牙不是早就共存了么,為什么藍牙4.1還要特別針對這點改進呢?這是因為在實際的應用中,如果這兩者同時傳輸數據,那么藍牙通信就可能受到手機網絡信號的干擾,導致傳輸速率的下降。因此在全新的藍牙4.1標準中,一旦遇到藍牙4.1和4G網絡同時在傳輸數據的情況,那么藍牙4.1就會自動協調兩者的傳輸信息,從而減少其它信號對藍牙4.1的干擾,用戶也就不用擔心傳輸速率下降的問題了。

5)藍牙4.1提供的增強功能

包括:

AES加密技術提供更安全的連接。該功能使無線耳機更加適用于政府、醫療及銀行等安全至上的應用領域。

可通過專屬Bluetooth Smart遠程遙控器操控耳機、揚聲器及條形音箱,并支持同步播放源于另一個完全不同設備的音頻流。

八、藍牙4.2標準

2014年12月4日,藍牙4.2標準頒布,改善了數據傳輸速度和隱私保護程度,可直接通過IPv6和6LoWPAN接入互聯網。在新的標準下藍牙信號想要連接或者追蹤用戶設備必須經過用戶許可,否則藍牙信號將無法連接和追蹤用戶設備。

速度方面變得更加快速,兩部藍牙設備之間的數據傳輸速度提高了2.5倍,因為藍牙智能(Bluetooth Smart)數據包的容量提高,其可容納的數據量相當于此前的10倍左右。

九、藍牙5.0協議

于美國時間2016年6月16日在倫敦正式發布,為現階段最高級的藍牙協議標準。藍牙5.0有以下特點:

(1)更快的傳輸速度

藍牙5.0的開發人員稱,新版本的藍牙傳輸速度上限為2Mbps,是之前4.2LE版本的兩倍。當然,你在實際生活中是不太可能達到這個極限速度的,但是仍然可以體驗到顯著的速度提升。

(2)更遠的有效距離

藍牙5.0的另外一個重要改進是,它的有效距離是上一版本的4倍,因此在理論上,當你拿著手機站在距離藍牙音箱300米的地方,它還是會繼續放著你愛的歌。也就是說,理論上,藍牙發射和接收設備之間的有效工作距離可達300米。當然,實際的有效距離還取決于你使用的電子設備。

(3)導航功能

藍牙5.0將添加更多的導航功能,因此該技術可以作為室內導航信標或類似定位設備使用,結合Wi-Fi可以實現精度小于1米的室內定位。舉個例子,如果你是路癡,你仍可以使用藍牙技術,在諾大的商業中心找到路。

(4)物聯網功能

物聯網還在持續火爆,因此,藍牙5.0針對物聯網進行了很多底層優化,力求以更低的功耗和更高的性能為智能家居服務。

(5)升級硬件

此前的一些藍牙版本更新只要求升級軟件,但藍牙5.0很可能要求升級到新的芯片。不過,舊的硬件仍可以兼容藍牙5.0,你就無法享用其新的性能了。搭載藍牙5.0芯片的旗艦級手機將于2017年問世,相信中低端手機也將陸陸續續內置藍牙5芯片。蘋果將為成為第一批使用該項技術的廠商之一。

(6)更多的傳輸功能

全新的藍牙5.0能夠增加更多的數據傳輸功能,硬件廠商可以通過藍牙5.0創建更復雜的連接系統,比如Beacon或位置服務。因此通過藍牙設備發送的廣告數據可以發送少量信息到目標設備中,甚至無需配對。

(7)更低的功耗

眾所周知,藍牙是智能手機的必備功能,隨著智能設備和移動支付等越來越多需要打開藍牙,才能享受便利功能逐漸融入人們的生活之中,藍牙的功耗成為了智能手機待機時間的一大殺手。為此藍牙5.0將大大降低了藍牙的功耗,使人們在使用藍牙的過程中再也不必擔心待機時間短的問題。

(8)真正支持無損傳輸

支持24bit/192KHz的無損音源傳輸,對現有的Wi-Fi高保真無損音頻傳輸形成有效威脅。

2.3.4藍牙匹配規則

兩個藍牙設備在進行通訊前,必須將其匹配在一起,以保證其中一個設備發出的數據信息只會被經過允許的另一個設備所接受。藍牙技術將設備分為兩種:主設備和從設備。

(1)藍牙主設備

主設備一般具有輸入端。在進行藍牙匹配操作時,用戶通過輸入端可輸入隨機的匹配密碼來將兩個設備匹配。

藍牙手機、安裝有藍牙模塊的PC等都是主設備。(例如:藍牙手機和藍牙PC進行匹配時,用戶可在藍牙手機上任意輸入一組數字,然后在藍牙PC上輸入相同的一組數字,來完成這兩個設備之間的匹配。)

(2)藍牙從設備

從設備一般不具備輸入端。因此從設備在出廠時,在其藍牙芯片中,固化有一個4位或6位數字的匹配密碼。藍牙耳機、UD數碼筆等都是從設備。(例如:藍牙PC與UD數碼筆匹配時,用戶將UD筆上的藍牙匹配密碼正確的輸入到藍牙PC上,完成UD筆與藍牙PC之間的匹配。)

注意事項:

主設備與主設備之間、主設備與從設備之間,是可以互相匹配在一起的;而從設備與從設備是無法匹配的。

例如:藍牙PC與藍牙手機可以匹配在一起;藍牙PC也可以與UD筆匹配在一起;而UD筆與UD筆之間是不能匹配的。

一個主設備,可匹配一個或多個其他設備。例如:一部藍牙手機,一般只能匹配7個藍牙設備。而一臺藍牙PC,可匹配十多個或數十個藍牙設備。

在同一時間,藍牙設備之間僅支持點對點通訊。

2.3.5   藍牙應用

藍牙技術可以應用于日常生活的各個方面,例如,引入藍牙技術,就可以去掉移動電話與膝上型電腦之間的令人討厭的連接電纜而而通過無線使其建立通信。

打印機、PDA、桌上型電腦、傳真機、鍵盤、游戲操縱桿以及所有其它的數字設備都可以成為藍牙系統的一部分。

3   遠距離蜂窩通信協議

遠距離蜂窩通信協議主要是2/3/4/5G、NB-IoT等技術下的各電信運營商采用的制式、協議,在這里就不再多為電信運營商和大設備商們搖旗了。

4   遠距離非蜂窩通信協議

4.1   ZigBee

4.1.1   ZigBee簡介

ZigBee這個名字來源于蜂群的通信方式:蜜蜂之間通過跳Zigzag形狀的舞蹈來交互消息,以便共享食物源的方向、位置和距離等信息。借此意義Zigbee作為新一代無線通訊技術的命名。



ZigBee是一種高可靠的無線數傳網絡,類似于CDMA和GSM網絡。ZigBee數傳模塊類似于移動網絡基站。ZigBee是一個由可多到65000個無線數傳模塊組成的一個無線網絡平臺,在整個網絡范圍內,每一個網絡模塊之間可以相互通信,每個網絡節點間的距離可以從標準的75m無限擴展。通訊距離從標準的75m到幾百米、幾公里,并且支持無限擴展(依靠節點數增加)。與移動通信的CDMA網或GSM網不同的是,ZigBee網絡主要是為工業現場自動化控制數據傳輸而建立,因而,它必須具有簡單,使用方便,工作可靠,價格低的特點;而移動通信網主要是為語音通信而建立,每個基站價值一般都在幾十萬甚至上百萬元人民幣,而每個ZigBee網絡“基站”(節點)卻不到1000元人民幣。

4.1.2   技術特點

ZigBee是一種無線連接,可工作在2.4GHz(全球流行)、868MHz(歐洲流行)和915 MHz(美國流行)3個頻段上,分別具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的傳輸速率,它的傳輸距離在10-75m的范圍內,但可以繼續增加。

作為一種無線通信技術,ZigBee具有如下特點:

(1)低功耗

(2)成本低

(3)時延短

(4)網絡容量大

(5)可靠

(6)安全

4.1.3   ZigBee協議棧

ZigBee協議棧結構是基于標準OSI七層模型的,包括高層應用規范、應用匯聚層、網絡層、媒體接入層和物理層,如下圖所示。



IEEE 802.15.4定義了兩個物理層標準,分別是2.4GHz物理層和868/915MHz物理層。兩者均基于直接序列擴頻(DSSS)技術。

868MHz只有一個信道,傳輸速率為20kb/s;902MHz~928MHZ頻段有10個信道,信道間隔為2MHz,傳輸速率為40kb/s。以上這兩個頻段都采用BPSK調制。

2.4GHz~2.4835 GHz頻段有16個信道,信道間隔為5MHz,能夠提供250kb/s的傳輸速率,采用O-QPSK調制。

為了提高傳輸數據的可靠性,IEEE 802.15.4定義的媒體接入控制(MAC)層采用了CSMA-CA和時隙CSMA-CA信道接入方式和完全握手協議。

應用匯聚層主要負責把不同的應用映射到ZigBee網絡上,主要包括安全與鑒權、多個業務數據流的會聚、設備發現和業務發現。

4.1.4   應用領域

(1)家庭和建筑物的自動化控制:照明、空調、窗簾等家具設備的遠程控制;

(2)消費性電子設備:電視、DVD、CD機等電器的遠程遙控。

(3)PC外設:無線鍵盤、鼠標、游戲操縱桿等;

(4)工業控制:使數據的自動采集、分析和處理變得更加容易;

(5) 醫療設備控制:醫療傳感器、病人的緊急呼叫按鈕等;

(6)交互式玩具。

4.2   LoRa

LoRa?(Long Range,遠距離)是一種調制技術,與同類技術相比,提供更遠的通信距離。由于LoRa調制是物理層(PHY),因此也可將其用于不同的協議和不同網絡架構(如Mesh、Star、點對點)等等??梢詫oRa概括為以下幾種協議:

(1)LoRaWAN協議

(2)CLAA網絡協議

(3)LoRa私有網絡協議

(4)LoRa數據透傳

LoRa的協議不同,其產品和業務形態也有所不同。

4.2.1   LoRaWAN協議

LoRaWAN協議是由LoRa聯盟推動的一種低功耗廣域網協議,針對低成本、電池供電的傳感器進行了優化,包括不同類別的節點,優化了網絡延遲和電池壽命。LoRa聯盟標準化了LoRaWAN,以確保不同國家的LoRa網絡是可以互操作的。

LoRaWAN構建的是一個運營商級的大網,覆蓋地區乃至全國的網絡。經過幾年的發展,目前已建立起了較為完整的生態鏈:LoRa芯片→模組→傳感器→基站或網關→網絡服務→應用服務。

在芯片方面,Semtech授權了多家公司做芯片,如ST、Micorochip、華普等,使得芯片產品更為豐富,一芯多源,產品不再受限于一家供應商。未來或許會有更多的廠家授權,生產出滿足物聯網市場多樣化需求的產品來。

在LoRaWAN網絡還沒有部署好的時候,符合LoRaWAN協議的模組還不能像2G/3G/4G模組等一樣自由銷售。一般地LoRaWAN模組是與網關或基站的產品搭配一起銷售。部分廠家也開源了終端部分,提供網關和網絡服務部分的解決方案。

在LoRaWAN的產品中,多數廠家是以提供(云)端到(終)端的解決方案為主,包括模組、網關和網絡服務器(Network Server),如NPLINK、八月科技、華立、唯傳、門思、未來寬帶等公司。由于對設備數據的要求不同,LoRaWAN網絡服務(NS)有的是私有化部署,有的是部署在公有云或第三方網絡服務器上。

LoRaWAN目前還基本上是面向toB的市場,還沒有普及到toC市場。一些具有行業或市場資源的公司會較早地部署LoRaWAN網絡,改變原有或創造新的應用系統,而低功耗廣域網市場的創新活力也在于此。

4.2.2   CLAA協議

“中國LoRa應用聯盟(China Lora Application Alliance,簡稱CLAA)是在LoRa Alliance支持下,由中興通訊發起,各行業物聯網應用創新主體廣泛參與、合作共建的技術聯盟,旨在共同建立中國LoRa應用合作生態圈,推動LoRa產業鏈在中國的應用和發展,建設多業務共享、低成本、廣覆蓋、可運營的LoRa物聯網。中興通訊作為LoRa Alliance(簡稱LoRa聯盟)董事會成員,與LoRa聯盟成員一起共同推動LoRa技術在全球低功耗廣域網絡(LPWAN)建設和產業鏈的發展?!?/p>

中興通訊在LoRaWAN的基礎上優化了協議,構建了共建共享的LoRa應用平臺。憑借中興通訊行業的實力和影響力,在CLAA平臺上已聚集了很多公司的產品。CLAA提供網關和云化核心網服務,可快速搭建起LoRa網絡的物聯網系統的應用來。

CLAA有四種主要的業務合作模式:

(1)獨立運營商:提供全套解決方案;支持客戶建網,并與CLAA共享物聯網互聯互通

(2)大型合作伙伴:直接參股,CLAA負責建網,多城市大范圍覆蓋,享受全網整體受益,CLAA承擔運維費

(3)中小型客戶:直接采購設備,CLAA協助建網,城市級或區域級覆蓋,享受城市級、區域級收益,客戶承擔運維費

(4)專業渠道商:直接采購設備,自行微客戶建網,協助客戶運營,客戶承擔運維費用

4.2.3   LoRa私有網絡協議

在面向小范圍節點數不多的應用中,使用LoRaWAN網關部署網絡成本就顯得高了。用一個或幾個SX127x做一個小“網關”或“集中器”,無線連接上百個的SX127x,組建一個小的星型網絡,通過自己的LoRa私有通信協議,就可以實現一個簡單的LoRa私有網絡,這也是一種比較靈活方式。當然,協議也可以是LoRaWAN協議。

4.2.4   LoRa數據透傳

目前市面上LoRa芯片基本上源于美國SEMTECH的SX127x系列,用LoRa做成透傳模塊,只進行簡單的發送和接收,實現點對點數據的傳輸,應用相對簡單。

5   有線通信協議

5.1   USB協議

目前USB已經發展了3代協議:

USB協議規范1.1——支持USB低速和全速規范(12Mbps)

USB協議規范2.0——支持USB高速協議規范(480Mbps)

USB協議規范3.0——支持USB超高速協議規范(5Gbps)

USB 3.0是最新的USB規范,該規范由英特爾等公司發起。USB 2.0已經得到了PC廠商普遍認可,接口更成為了硬件廠商的必備接口。USB2.0的最大傳輸帶寬為480Mbps(60MB/s),而USB3.0的最大傳輸帶寬高達5.0Gbps(即640MB/s)。不過注意這是理論傳輸值,如果幾臺設備共用一個USB通道,主控制芯片會對每臺設備可支配的帶寬進行分配、控制。如在USB1.1中,所有設備只能共享1.5MB/s的帶寬。如果單一的設備占用USB接口所有帶寬的話,就會給其他設備的使用帶來困難。

5.2   RS232協議

RS232是一種異步傳輸標準接口協議。通常RS-232接口以9個引腳(DB-9)或是25個引腳(DB-25)的型態出現 。RS232最常用的連接方式是三根線:一條發送線、一條接收線及一條地線。

電平信號:邏輯1(MARK)=-3V~-15V,邏輯0(SPACE)=+3~+15V

傳輸距離:RS-232-C標準規定,驅動器允許有2500pF的電容負載,通信距離將受此電容限制,例如,采用150pF/m的通信電纜時,最大通信距離為15m;若每米電纜的電容量減小,通信距離可以增加。傳輸距離短的另一原因是RS-232屬單端信號傳送,存在共地噪聲和不能抑制共模干擾(兩條傳輸線上的信號同時變大或變?。┑葐栴},因此一般用于20m以內的通信。

RS232不能實現多機通信。

傳輸速率:RS232的傳輸速率較慢,能夠達到1Mbps的已經比較少。

5.3   RS485協議

RS485是RS232升級版的串口協議,一般采用兩線制傳輸:A、B兩條傳輸線。

電平信號:-2V~-6V表示“0”,+2V~+6V表示“1”,電壓為A-B的電壓。

傳輸距離:一般1Km以內都沒有問題。理論上,通信速率在100Kpbs及以下時,RS485的最長傳輸距離可達1200米,但在實際應用中傳輸的距離也因芯片及電纜的傳輸特性而所差異。在傳輸過程中可以采用增加中繼的方法對信號進行放大,最多可以加八個中繼,也就是說理論上RS485的最大傳輸距離可以達到9.6公里。如果真需要長距離傳輸,可以采用光纖為傳播介質,收發兩端各加一個光電轉換器,多模光纖的傳輸距離是5~10公里,而采用單模光纖可達50公里的傳播距離。

RS485可以實現多機通信。

原因:RS485為半雙工通信方式,即分時實現收和發??偩€空閑的狀態下需要保證狀態為邏輯1,也就是A-B的電壓符合邏輯1的電平值。假設此時1為主機,2和3為從機,數據線的連接方式為1,2,3的A連接在一起,1,2,3的B也連接在一起,不存在RS232連接方式的問題。

異步傳輸(Asynchronous Transmission): 異步傳輸將比特分成小組進行傳送,小組可以是8位的1個字符或更長。發送方可以在任何時刻發送這些比特組,而接收方從不知道它們會在什么時候到達。一個常見的例子是計算機鍵盤與主機的通信。

波特率計算:如果設置波特率為115200,數據位為8bit,起始位為1bit,結束位為1bit,校驗位為1bit;那1s鐘不間斷可傳送的字符(1bit起始位+8bit數據位+1bit校驗位+1bit結束位,共11bit)為115200/11=10472;10472/1024結果約為10.227所以速率約為10kB/ps。

5.4   M-Bus協議

M-BUS在本文中暫不介紹,因為筆者在后續文章中將分享遠程抄表系統,而M-Bus是為遠程抄表系統數據采集而誕生的,在遠程抄表系統中,筆者將會對M-Bus協議進行分析。





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