對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)系統(tǒng)化、層次化介紹和典型應(yīng)用場景

蔡 翔

（中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司襄陽市公司，襄陽 441000）

物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展過程當中，是通過物體之間的相互信息交流以及交互來實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)發(fā)展，在物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展過程當中，我國在很多的行業(yè)都會運用到相應(yīng)的互聯(lián)網(wǎng)感知以及層次的技術(shù)。尤其表現(xiàn)在相應(yīng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，農(nóng)業(yè)信息化管理以及現(xiàn)代企業(yè)物流管理當中，這些基本的管理是通過物聯(lián)網(wǎng)的基本信息化功能來實現(xiàn)相應(yīng)的工作需求和工作發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)分為三個層次，應(yīng)用層以網(wǎng)絡(luò)平臺、數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)通過APP 形式向個人終端提供相應(yīng)服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)層從感知層硬件獲取數(shù)據(jù)并與終端設(shè)備相互連接傳感。感知硬件包括二維碼、紅膜掃描傳感器，攝像等等，物聯(lián)網(wǎng)在實現(xiàn)相應(yīng)功能的時候，會通過相應(yīng)的傳輸功能以及信息轉(zhuǎn)化功能實現(xiàn)對社會相應(yīng)的服務(wù)，反饋物聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)平臺，相較于其他的互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展，具有更強大的信息交互以及感知系統(tǒng)的交流。目前主要成熟的領(lǐng)域是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)監(jiān)測、智能運用。安防監(jiān)控、智能卡等等。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)系統(tǒng)化

1.1 Wi-Fi 技術(shù)

在物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展過程當中，其中的Wi-Fi 技術(shù)是相應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)將互聯(lián)網(wǎng)以及局域網(wǎng)之間的聯(lián)系來進行相應(yīng)的連接Wi-Fi 技術(shù)可以更好的實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)與電子設(shè)備以及其他的系統(tǒng)信息之間的信息交互，在我國當前的電子產(chǎn)品發(fā)展過程當中，很多的電子產(chǎn)品通過Wi-Fi 技術(shù)來實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)應(yīng)用，比如一些電子臺燈以及空調(diào)等這些相應(yīng)的電器以及電子產(chǎn)品在使用當中可以通過Wi-Fi技術(shù)實現(xiàn)相應(yīng)的物聯(lián)網(wǎng)控制，比如對該電器進行開關(guān)控制以及溫度變化控制等。Wi-Fi 技術(shù)在相應(yīng)的電子技術(shù)當中應(yīng)用比較多，同時也會在相應(yīng)的農(nóng)業(yè)機械生產(chǎn)當中也有比較明顯的應(yīng)用。

1.2 RFID 技術(shù)

射頻技術(shù)在相應(yīng)的物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展當中處于一種非常重要的地位，射頻技術(shù)當中關(guān)于相應(yīng)的信息儲存是需要通過信息的傳遞和傳輸來實現(xiàn)，在射頻技術(shù)的發(fā)展過程當中，根據(jù)數(shù)據(jù)以及信息的讀取，然后根據(jù)相應(yīng)的頻率和信號的接收，實現(xiàn)對信號的處理和反饋。同時在物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展過程當中，射頻技術(shù)可以將整理后的數(shù)據(jù)反饋給二級后臺操作，實現(xiàn)相應(yīng)數(shù)據(jù)信息儲存以及相應(yīng)數(shù)據(jù)的控制。

1.3 傳感網(wǎng)技術(shù)

在相應(yīng)的物聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù)運用當中，需要通過相應(yīng)的信息傳輸系統(tǒng)以及感知信息采集方面的功能，是在互聯(lián)網(wǎng)的傳感網(wǎng)技術(shù)過程當中實現(xiàn)，通過數(shù)據(jù)的處理以及單方面的數(shù)據(jù)以及通信系統(tǒng)的隨機分布來實現(xiàn)對內(nèi)部網(wǎng)格的優(yōu)化，在物聯(lián)網(wǎng)的信息處理以及采集過程當中，通過傳感網(wǎng)來實現(xiàn)對所有節(jié)點的相應(yīng)連接，在比較復(fù)雜的互聯(lián)網(wǎng)以及互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境當中。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以將相應(yīng)的節(jié)點與對應(yīng)的信息接收點進行連接，雖然在信息接收過程當中，外界的環(huán)境會對相應(yīng)的物聯(lián)網(wǎng)信息傳感有一定的干擾，但是由于傳感網(wǎng)技術(shù)是針對多個單點的部件來進行數(shù)據(jù)傳遞，所以受到相應(yīng)的外界干涉影響比較小，在傳感網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展過程當中，通過節(jié)點的密集以及相應(yīng)的分布隨機實現(xiàn)相應(yīng)功能的儲存，在物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備使用當中，傳感網(wǎng)技術(shù)可以對設(shè)備類的信息儲存以及信息傳遞起到非常重要的連接作用，通過對信息傳輸方面的保，保障現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)基本信息傳輸功能的實現(xiàn)。

2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)層次化

物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)按層級來劃分可分為3個層級： 感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層，本文對它們在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中扮演的角色及作用進行闡述。

2.1 感知層

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)點重要入口，傳感器極其重要，傳感器之于物聯(lián)網(wǎng)如同眼睛與之人體，通過傳感器去感受身體周邊與物理環(huán)境，為應(yīng)用層的數(shù)據(jù)分析提供依據(jù)，傳感器分為物理、化學和生物三大類，當前物理類傳感器主要是基于力、熱、光、電、磁和聲等物理效應(yīng)；化學傳感器主要分為離子、生物、氣體內(nèi)的傳感器；生物傳感器基于酶、抗體和激素等分子識別功能。大量運用在無線傳感器，MEMS 傳感器等等，能夠?qū)崿F(xiàn)體積小、成本低、功耗小等環(huán)境，在微米量級特征下能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)機械傳感器難以完成的任務(wù)。同時大量運用在無線自組網(wǎng)等中，不需要基站，能夠?qū)Φ冉Y(jié)構(gòu)移動的模式，大量的動態(tài)拓展、無中心控制、多跳路的特點。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)層圖

2.2 網(wǎng)絡(luò)層

第二層是數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)層，在互聯(lián)網(wǎng)工作當中，需要通過相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)層來實現(xiàn)對數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋Ｗo，物聯(lián)網(wǎng)的相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)層是通過所有移動移動信號以及相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)方面的連接來進行網(wǎng)絡(luò)城市通過感知相應(yīng)數(shù)據(jù)庫以及傳輸信號源的數(shù)據(jù)來進行相應(yīng)核心技術(shù)的保護，互聯(lián)網(wǎng)在發(fā)展當中數(shù)據(jù)保護以及數(shù)據(jù)傳輸都是需要通過網(wǎng)絡(luò)層來實現(xiàn)快速傳輸。在網(wǎng)絡(luò)城的發(fā)展當中，會對傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)當中的一些基本信息進行儲存，同時也可以為用戶提供相應(yīng)的查詢功能和分析功能，在傳輸數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)層當中，網(wǎng)絡(luò)層可以通過傳感網(wǎng)器數(shù)據(jù)來實現(xiàn)對內(nèi)部信息的挖掘以及理解，同時要通過感知數(shù)據(jù)的決策行為來實現(xiàn)相應(yīng)的理論和技術(shù)方面理解。在云計算的發(fā)展過程當中，物聯(lián)網(wǎng)與網(wǎng)絡(luò)層當中的數(shù)據(jù)儲存需要通過復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)層以及傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)來實現(xiàn)，云計算平臺是我國當前互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展當中重要的數(shù)據(jù)存儲技術(shù)，一位相應(yīng)的企業(yè)以及社會單位儲存相應(yīng)的數(shù)據(jù)，而且可以隨時進行數(shù)據(jù)的跳取和修改，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層方面的功能體現(xiàn)。

當前的IOT 工業(yè)數(shù)據(jù)采集等局域網(wǎng)通信，一般采用短距離通信技術(shù)，但對于廣范圍、復(fù)雜環(huán)境、遠距離的連接則需要遠距離通信技術(shù)。專為低帶寬、低功耗、遠距離、大量連接的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用而設(shè)計，未授權(quán)頻譜的技術(shù)；另一類是工作于授權(quán)頻譜下的NB-IoT。以 Freescale i.MX287 處理器為核心，ARM9 內(nèi)核。采用雙MiniPCIE 接口設(shè)計，滿足工業(yè)應(yīng)用，與2G/3G/4G，Wi-Fi，Zigbee 搭配接入通訊，自定義各類網(wǎng)關(guān)。

（1）相比于NB-IoT，LoRa 基于Sub-GHz 的頻段使其更易以較低功耗遠距離通信，可用電池。

（2）較低的數(shù)據(jù)速率加大了網(wǎng)絡(luò)容量。

（3）LoRa 信號的波長較長決定了它的穿透力與避障能力。

（4）LoRa 專用網(wǎng)關(guān)可以根據(jù)現(xiàn)場和客戶需求擴展出更多自定義功能，如廣告推送，多種網(wǎng)絡(luò)接入等。

這些適合低成本較大規(guī)模部署的企業(yè)專項任務(wù)重，大量的LoRa 的建設(shè)，比如某電子公司的模塊、網(wǎng)管的開發(fā)，用于車位管理、車流量檢測，監(jiān)測通信等。

圖2 各通信技術(shù)特點整體對比圖

2.3 應(yīng)用層

物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展過程當中，通過相應(yīng)應(yīng)用層的數(shù)據(jù)來實現(xiàn)，對客戶方面的服務(wù)，優(yōu)化服務(wù)客戶是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的最終服務(wù)群體，客戶在使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的過程當中需要通過相應(yīng)的應(yīng)用層來實現(xiàn)對所有數(shù)據(jù)的查詢以及控制，當然物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展當中不僅僅是關(guān)于相關(guān)數(shù)據(jù)的儲存與管理，還需要對相應(yīng)的電子產(chǎn)品進行控制，這種控制是需要相應(yīng)的應(yīng)用層方面的功能實現(xiàn)，比如用戶需要通過物聯(lián)網(wǎng)來實現(xiàn)對高速公路etc 方面的控制，同時也需要通過相應(yīng)的軟件以及互聯(lián)網(wǎng)的開發(fā)，不斷的通過軟件方面的技術(shù)來實現(xiàn)對物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用實際控制，為客戶提供加豐富的物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)體驗。

3 Wi-Fi、NB-IoT、LoRa、等無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)分析

3.1 Wi-Fi

Wi-Fi 是一種無線連接技術(shù)，可用于PC，PDA，手機等終端。Wi-Fi 的目的是改善基于IEEE802.11標準的無線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品之間的互通性，但Wi-Fi 不等同無線網(wǎng)絡(luò)。

Wi-Fi 技術(shù)突出的優(yōu)勢在于：

Wi-Fi 技術(shù)在運營過程當中有著非常重要的優(yōu)勢，首先是相應(yīng)無線電波在使用當中覆蓋范圍較于其他的技術(shù)，覆蓋范圍更廣，其次在Wi-Fi 接觸的傳輸過程當中，相應(yīng)的傳輸速度可以達到非常高的峰值，最高的峰值可以達到11mbps。這些相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸速度可以滿足當前電子產(chǎn)品以及相應(yīng)的企業(yè)發(fā)展當中的數(shù)據(jù)傳輸需求。在企業(yè)和廠商進行相應(yīng)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用當中需要建立更加完善的網(wǎng)絡(luò)熱點，通過網(wǎng)絡(luò)熱點來實現(xiàn)，對相應(yīng)場合的物聯(lián)網(wǎng)控制，當前我國很多的公共場合都運用到了相應(yīng)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，其中都會對Wi-Fi 技術(shù)進行更加規(guī)范的應(yīng)用，尤其是在一些機場火車站以及公共圖書館等地區(qū)，這些地區(qū)，由于相應(yīng)的人員比較密集，歪歪技術(shù)的使用會受到外界因素的影響，所以通過對Wi-Fi 技術(shù)的不斷優(yōu)化，實現(xiàn)Wi-Fi 無線網(wǎng)卡的標準管理，能實現(xiàn)相應(yīng)的傳輸速度，提升優(yōu)化互聯(lián)網(wǎng)在Wi-Fi 使用當中的應(yīng)用效果。

3.2 NB-IoT

強鏈接：在物聯(lián)網(wǎng)在相應(yīng)的連接過程當中，具有非常強大的連接功能，再通過同一個物聯(lián)網(wǎng)基站的使用情況下，窄帶物聯(lián)網(wǎng)可以比相應(yīng)的Wi-Fi 技術(shù)實現(xiàn)50-100倍的連接數(shù)字變化，在一個服務(wù)區(qū)當中可以提供更多的連接點，窄帶物聯(lián)網(wǎng)在實施過程當中相應(yīng)的延時更低，使用成本更低，而且在低功耗的情況下，為物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展提供更加優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架。

高覆蓋：NB-IoT 物聯(lián)網(wǎng)的運用過程當中，可以比基本的LTE 技術(shù)實現(xiàn)更強的覆蓋能力，在窄帶物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用當中，可以實現(xiàn)比LTE 強100倍的覆蓋區(qū)域能力實現(xiàn)，這樣可以實現(xiàn)在我國基層地區(qū)大面積覆蓋相應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，尤其是對于一些大型工廠以及相應(yīng)的大型車庫當中運用的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展提供相應(yīng)的信號傳輸以及信號覆蓋功能。

低功耗：與其他的連接技術(shù)相比，窄帶物聯(lián)網(wǎng)在相應(yīng)的發(fā)展過程當中相應(yīng)的工號非常的小，特別是在使用當中會通過相應(yīng)的電池更換來實現(xiàn)相應(yīng)工號的使用管理，在比較偏僻的山區(qū)安置物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的時候，會通過比較特殊的方式來對相應(yīng)的電池進行更換，同時保證在窄帶物聯(lián)網(wǎng)的使用當中降低相應(yīng)的工號以及提升信號傳輸速率，按照當前窄帶物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備管理在發(fā)展當中，窄帶物聯(lián)網(wǎng)的相應(yīng)續(xù)航時間可以達到幾十年。

低成本：與LoRa 相比，NB-IoT 無需重新建網(wǎng)，射頻和天線基本上都是復(fù)用的。以中國移動為例，900MHZ 里面有一個比較寬的頻帶，只需要清出來一部分2G 的頻段，就可以直接進行LTE 和NB-IoT 的同時部署。低速率、低功耗、低帶寬同樣給NB-IoT 芯片以及模塊帶來低成本優(yōu)勢。模塊預(yù)期價格不超過5美元。

大部分物聯(lián)網(wǎng)場景如智能門鎖、數(shù)據(jù)監(jiān)測等并不需要實時無線聯(lián)網(wǎng)，僅需近場通信或者通過有線方式便可完成。

3.3 LoRa

LoRa 是LPWAN 通信技術(shù)中的一種，是美國Semtech 公司采用和推廣的一種基于擴頻技術(shù)的超遠距離無線傳輸方案。目前，LoRa 主要在全球免費頻段運行，包括433、868、915 MHz 等。

圖3 lora框架圖

（1）天線接受射頻信號后，（經(jīng)過聲表面濾波器轉(zhuǎn)換，將電波轉(zhuǎn)換成電信號），得到高頻信號。

（2）高頻信號需要經(jīng)過低噪聲放大器LNA 處理，將信號放大，同時，信號被轉(zhuǎn)換成差分信號，差分信號經(jīng)過混頻器，和內(nèi)部振蕩源混頻，得到正交的中頻信號（I/Q）；（濾波器和放大器，把信號轉(zhuǎn)換成ADC 可以識別的范圍）。

（3）模擬信號轉(zhuǎn)數(shù)字信號：正交中頻信號通過ADC 進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，得到中頻數(shù)字信號。

（4）降頻。

（5）接著整波；（當然也有自動頻率校準（AFC）、自動增益控制（AGC））。

（6）降頻后的信號經(jīng)過LoRa 解調(diào)器解調(diào)，得到基帶信號，即原始信號，由原始信號得到數(shù)據(jù)包。

（7）將數(shù)據(jù)包放到LoRa 的接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。

LoRa 的最大特點就是：傳輸距離遠、工作功耗低、組網(wǎng)節(jié)點多。發(fā)射功率降下來，傳播距離近。根本原因是LoRa 提高了接收機的靈敏度，從而擁有超強的鏈路預(yù)算，不需要高發(fā)射功率。

應(yīng)用場景對比

（1）智能三表

在智能三表領(lǐng)域需要低速率的數(shù)據(jù)傳輸，頻繁的通信和低延遲。由于三表目前都是由電池供電，所以對于超低功耗和長電池壽命需求比較重視，Lora WAN 的Class C 可以實現(xiàn)低延時，并且對于低傳輸速率和頻繁通信的需求，專網(wǎng)十分必要。

LoRaWAN 的ClassC 可以實現(xiàn)低延遲，但是對于高傳輸速率和頻繁通信的需求NB-IoT 是更適合于智能電表的選擇。并且電表一般安裝在人口密集的地區(qū)的固定位置，所以對于運營商部網(wǎng)也較為容易。

Lora 的電表水表燃氣表終端為弱終端，易受攻擊。目前國內(nèi)大多數(shù)的智能三表還是用NB 來支持的。

（2）智慧農(nóng)業(yè)

農(nóng)業(yè)來說，低功耗低成本的傳感器是迫切需要的，濕溫度，二氧化碳，鹽堿度等傳感器的應(yīng)用對于提高產(chǎn)量，減少水資源消耗有著重要的意義，這些傳感器需要定期的上傳數(shù)據(jù)。而且很多偏遠的農(nóng)場或者耕地并沒有覆蓋蜂窩網(wǎng)絡(luò)，這個時候Lora 就很適用。

（3）自動化制造

工廠機器的運行需要實時監(jiān)控，不僅可以保證生產(chǎn)效率還可以通過遠程監(jiān)控提高人工效率。在工廠的自動化制造和生產(chǎn)中，一些場景需要頻繁的通信并確保良好的服務(wù)質(zhì)量，這個時候NBIOT 就是比較好的選擇；而一些場景需要低成本的傳感器配以低功耗和長壽命的電池，Lora 合理。

物聯(lián)網(wǎng)實施的最終目的是可以通過智能化平臺對相關(guān)設(shè)備進行自動化控制，將傳感器與智能化的信息處理技術(shù)相結(jié)合，通過對收集到的信息進行計算，再利用各種關(guān)鍵技術(shù)，對相關(guān)管理和操作進行控制，進而滿足不同用戶的不同需求，不受時間和地域的限從而達到了用戶智能化操作的目的。