有線連接和無線連接

連接方式可以分成有線連接和無線連接，我們這里講的連接，其目的都是要進行通信，因此也就分別使用有線通信技術(shù)和無線通信技術(shù)。

有線通信，是指利用金屬導線、光纖等有形媒質(zhì)傳送信息的技術(shù)。有線通訊已經(jīng)非常普及，在自己家里墻壁上找找，就不難找到電話口，網(wǎng)口，有線電視口。

無線通信是利用電磁波信號在空間中直接傳播而進行信息交換的通信技術(shù)，進行通信的兩端之間無需有形的媒介連接。常見的無線通信方式有有蜂窩（手機）無線連接，wifi連接，還有一些倍感神秘的方式，如可見光通信和量子通信方式等等。

一般來講，有線連接可靠性高，穩(wěn)定性高，缺點是連接受限于傳輸媒介。無線連接自由靈活，終端可以移動沒有空間限制，但是可靠性受傳輸空間里的其他電磁波，以及對電磁波有影響的其他障礙物的影響很大，因此可靠性較低。

短距離通信和長距離通信

有很多的場合人和物只需要跟附近的通信終端通信，例如在家里，辦公室，工廠等等。但是也存在長距離的應用場景，例如兩個城市之間的網(wǎng)絡(luò)要連接起來，在高速上的車輛或乘客，甚至是海洋上的漁船。通常我們把通信距離在100m以內(nèi)的通信稱之為短距離通信，而通信距離超過1000m的稱之為長距離通信。

現(xiàn)實中有很多種通信技術(shù)可以滿足各種不同的通信需求，但是還沒有哪一種通信技術(shù)可以滿足所有的通信需求，如果還考慮成本，功耗，效率等因素的話。把數(shù)據(jù)傳輸?shù)礁h的距離以及傳輸更多的數(shù)據(jù)常常意味著更高的能耗和更高的成本。因而短距離通信和長距離通信在技術(shù)實現(xiàn)，功耗，成本等各個方面均不同，是將物連接進網(wǎng)絡(luò)時候需要考慮的因素之一。

通信技術(shù)和通信協(xié)議

通信技術(shù)主要是強調(diào)信息從信源到目的地的傳輸過程所使用的技術(shù)，還有一個問題是各種通信技術(shù)之間如何能協(xié)同工作呢？為此，國際標準化組織提出了開放系統(tǒng)互連參考模型OSI，也就是網(wǎng)絡(luò)分成了物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會話層、表示層和應用層。也就是這個偉大的標準最終形成了互聯(lián)網(wǎng)，以及無所不連的物聯(lián)網(wǎng)。

在上述各層之間進行數(shù)據(jù)交換的規(guī)則和約定就是通信協(xié)議。遵守OSI標準的通信協(xié)議能夠做到上層協(xié)議與下層協(xié)議的實現(xiàn)無關(guān)，因此能最大限度的復用下層協(xié)議。

本文提到的通信技術(shù)在通信硬件上就有不同的特性，以支持有線/無線，長距/短劇，節(jié)能/高速等特性。但同時也使得其在物理層向上的若干層都需要使用自己的通信協(xié)議。所以通信技術(shù)的名稱也往往是一些通信協(xié)議的名稱，并且通信技術(shù)和通信協(xié)議的含義也廣為混淆。如下圖所示：

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1.有線通信：以太網(wǎng)

以太網(wǎng)（Ethernet）是一種局域網(wǎng)通信技術(shù)， IEEE組織的IEEE 802.3標準制定了以太網(wǎng)的技術(shù)標準，它規(guī)定了包括物理層的連線、電子信號和介質(zhì)訪問層協(xié)議的內(nèi)容。 以太網(wǎng)使用雙絞線作為傳輸媒介，在沒有中繼的情況下，最遠可以覆蓋200米的范圍。最普及的以太網(wǎng)類型數(shù)據(jù)傳輸速率為100Mb/s，更新的標準則支持1KMb/s和10KMb/s的速率。

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2.有線通信：串口通信技術(shù)

串口（Serial port）是一種非常通用的用于設(shè)備之間通信的接口，也廣泛用于設(shè)備以及儀器儀表之間的通信。常見的串口有RS-232（使用 25 針或 9 針連接器）和工業(yè)電腦應用的半雙工RS-485與全雙工RS-422。詳細信息請參考這里。

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優(yōu)點
串口通信的最大有點就是普及率高，串口至今PC電腦還是標配，通常為了方便連接打印機，大部分的工業(yè)設(shè)備都有串口，那些沒有串口的設(shè)備，在其開發(fā)時，常見方法也是通過串口連接到進行開發(fā)的電腦上的，因此串口是設(shè)備進行通信的最簡單最容易的方法。

另外值得一提的是，如果不考慮連接串口的線纜，串口通信的成本非常低。

缺點
串口通信的組網(wǎng)能力差，雖然通常情況比無線穩(wěn)定，但是在工業(yè)環(huán)境中，也容易受到線纜所處環(huán)境的電磁影響出現(xiàn)通信不穩(wěn)定，甚至串口燒壞的情況。串口的通信速度以太網(wǎng)比起來還是有很大差距，一般來講，只適合低速率和小數(shù)據(jù)量的通信。

3. 有線通信：Modbus

同前面幾種通信技術(shù)不一樣，通常認為Modbus只是使用串行方式進行通信的應用層協(xié)議標準，它并不包含電氣方面的規(guī)范。Modbus最初是Modicon于1979年為使用可編程邏輯控制器（PLC）通信而發(fā)表的，后來衍生出Modbus RTU，Modbus ASCII和Modbus TCP三種模式，前兩種所用的物理接口是上面介紹的串口，后一種使用Ethernet接口。

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隨著PLC在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應用，Modbus也成為工業(yè)領(lǐng)域最受歡迎的通信協(xié)議，它采用主/從（Master/Slave）方式通信，即一對多的方式連接，一個主控制器最多可以支持247個從屬控制器。

優(yōu)點
Modbus的主要優(yōu)點有：

• 標準化、開放，免費使用，無許可證費，無需知識產(chǎn)權(quán)授權(quán)。
• 支持多種電氣接口，如串口和Ethernet接口等，支持多種傳輸介質(zhì)，如雙絞線、光纖、無線等。
• Modbus協(xié)議的幀格式簡單、緊湊，通俗易懂。易開發(fā)，易用。

缺點
Modbus主要存在以下問題：

• 組網(wǎng)能力差，只有主從方式通信
• 網(wǎng)絡(luò)規(guī)模有限，從屬控制器數(shù)量限制了網(wǎng)絡(luò)規(guī)模
• 安全性差，無認證、無權(quán)限管理，明文傳輸使得它在非受控環(huán)境下是非常有風險的

4.無線短距通信：Wi-Fi

Wi-Fi是一種無線局域網(wǎng)通信技術(shù)，全稱Wireless-Fidelity，無線保真，IEEE組織的IEEE 802.11標準制定了以太網(wǎng)的技術(shù)標準。Wi-Fi終端指使用高頻無線電信號發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，使用以太網(wǎng)通信協(xié)議，通信距離通常在幾十米。
Wi-Fi聯(lián)盟成立于1999年，當時的名稱叫做Wireless Ethernet Compatibility Alliance（WECA）。在2002年10月，正式改名為Wi-Fi Alliance。Wi-Fi聯(lián)盟致力解決匹配802.11標準的產(chǎn)品的生產(chǎn)和設(shè)備兼容性問題，并且擁有Wi-Fi這個品牌。

2016年WiFi聯(lián)盟最新公布的802.11ah WiFi標準—WiFi HaLow，使得WiFi可以被運用到更多地方如：小尺寸、電池供電的可穿戴設(shè)備同時也適用于工業(yè)設(shè)施內(nèi)的部署，以及介于兩者之間的應用。HaLow采用900MHz頻段，低于當前WiFi的2.4GHz和5GHz頻段。更低功耗，同時HaLow的覆蓋范圍可以達到1公里，信號更強，且不容易被干擾。這些特點使得WiFi更加順應了物聯(lián)網(wǎng)時代的發(fā)展。

優(yōu)點
Wi-Fi的優(yōu)點是局域網(wǎng)部署無需使用電線，降低部署和擴充的成本。由于Wi-Fi模塊的價位持續(xù)下跌，使得它已成為企業(yè)和家庭的普遍的基礎(chǔ)設(shè)施。另外，根據(jù)Wi-Fi聯(lián)盟指定，“Wi-Fi認證”是向后兼容的。它指定一套全球統(tǒng)一標準：不同于移動電話，任何Wi-Fi標準設(shè)備將在世界上任何地方正確運行。

缺點
Wi-Fi的缺點是通信距離有限，穩(wěn)定性差，功耗較大，組網(wǎng)能力差，其安全性也遭到不少人的批評。通常WiFi技術(shù)使用2.4GHz和5GHz周圍頻段，但在全球各地的頻率分配和操作限制也不完全相同，造成一些混亂現(xiàn)象。

5.無線短距通信：藍牙

藍牙（BlueTooth）是一種設(shè)備之間進行無線通信的技術(shù)，曾經(jīng)標準化為IEEE 802.15.1，現(xiàn)在藍牙技術(shù)聯(lián)盟（SIG）來負責維護其技術(shù)標準，藍牙標準最新版本藍牙5在2016年6月被宣布。藍牙使用短波特高頻（UHF）無線電波，經(jīng)由2.4至2.485GHz的ISM頻段來進行通信，通信距離從幾米到幾百米不等。

優(yōu)點
2010年推出的藍牙4.0，2013年推出的藍牙4.1，以及2014年推出的藍牙4.2為適應物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展推出很多優(yōu)秀的特性：

• 提出了“低功耗藍牙”、“傳統(tǒng)藍牙”和“高速藍牙”三種模式
• “低功耗藍牙”模式下實現(xiàn)了低功耗，覆蓋范圍增強，最大范圍可超過100米
• 支持復雜網(wǎng)絡(luò)：針對一對一連接最優(yōu)化，并支持星形拓撲的一對多連接等
• 智能連接：增加設(shè)置設(shè)備間連接頻率的支持
• 提高安全性：使用AES-128 CCM加密算法進行數(shù)據(jù)包加密和認證
• Ipv6網(wǎng)絡(luò)支持
• Bultooth Smart技術(shù)的藍牙設(shè)備之間可以直接“對話”

等等。

缺點
藍牙的缺點主要是其各個版本不兼容，安全性差（4.0以后得到改進），組網(wǎng)能力差，以及在2.4GHz頻率上的電波干擾問題等等。

6.無線短距通信：ZigBee

Wi-Fi是一種低速低功耗，短距，自組網(wǎng)的無線局域網(wǎng)通信技術(shù)，于2003年被正式提出，為了彌補藍牙通信協(xié)議的高復雜，功耗大，距離近，組網(wǎng)規(guī)模太小等缺陷。名稱取自于蜜蜂，蜜蜂（bee）是靠飛翔和“嗡嗡”（zig）地抖動翅膀的“舞蹈”來與同伴傳遞花粉所在方位信息，依靠這樣的方式構(gòu)成了群體中的通信網(wǎng)絡(luò)。

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ZigBee被標準化為IEEE 802.15.4，工作頻段有三個：868MHz-868.6MHz、902MHz-928MHz和2.4GHz-2.4835GHz，其中最后一個頻段世界范圍內(nèi)通用，16個信道，并且該頻段為免付費、免申請的無線電頻段。三個頻段傳輸速率分別為20kbps，40kbps以及250kbps。

優(yōu)點
ZigBee以其低功耗、低成本，低速率、高容量、支持Mash網(wǎng)絡(luò)、支持大量網(wǎng)絡(luò)節(jié)點以及有較高安全等優(yōu)點一度被認為的物聯(lián)網(wǎng)最有前景的通信技術(shù)。

缺點
如今，實際中ZigBee遠沒有像Wi-Fi或者藍牙那樣得到廣泛的應用，這是由于它復雜，成本高，抗干擾性差，ZigBee協(xié)議沒有開源，以及和IP協(xié)議不的對接比較復雜等等又限制了它在實際中的應用。

7.無線短距通信：LoRa

LoRa來源于Long Range這個單詞，是一種長距離通信的通信技術(shù)。LoRa技術(shù)基于線性Chirp擴頻調(diào)制，延續(xù)了移頻鍵控調(diào)制的低功耗特性，但是大大增加了通信范圍。 Chirp擴頻調(diào)制有長距離傳輸以及很好的抗干擾性，已經(jīng)在軍事和航天通信方面應用多年。極端情況下，LoRa的單個網(wǎng)關(guān)或者基站可以覆蓋整個城市或者幾十公里。技術(shù)方面的介紹可以參考官網(wǎng)：http://www.lora-alliance.org/What-Is-LoRa/Technology

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LoRa聯(lián)盟
LoRa聯(lián)盟由IBM發(fā)起并主導，見官網(wǎng)：http://www.lora-alliance.org/，LoRa聯(lián)盟里比較大一點的公司有Cisco, IBM, Semtech等等，更多的LoRa聯(lián)盟成員，請看下面這個鏈接：
http://www.lora-alliance.org/The-Alliance/Member-List

LoRa的應用場景
LoRa技術(shù)應用典型場景包括：超長電池壽命（幾年），節(jié)點之間長距離通信，低速率（如每小時只要傳遞幾次數(shù)據(jù)）。和NB-IoT技術(shù)一樣，也可以犧牲低功耗指標來提高速率。

8.NB-ioT

對于物聯(lián)網(wǎng)標準的發(fā)展，華為的推進最早。2014年5月，華為提出了窄帶技術(shù)NB M2M；2015年5月融合NB OFDMA形成了NB-CIoT；7月份，NB-LTE跟NB-CIoT進一步融合形成NB-IoT；預計NB-IoT標準會在3GPP R13出現(xiàn)，并于2016年6月份凍結(jié)。 ^[3]

此前，相對于愛立信、諾基亞和英特爾推動的NB-LTE，華為更注重構(gòu)建NB-CIoT的生態(tài)系統(tǒng)，包括高通、沃達豐、德國電信、中國移動、中國聯(lián)通、Bell等主流運營商、芯片商及設(shè)備系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)鏈上下游均加入了該陣營。
NB-IoT聚焦于低功耗廣覆蓋（LPWA）物聯(lián)網(wǎng)（IoT）市場，是一種可在全球范圍內(nèi)廣泛應用的新興技術(shù)。具有覆蓋廣、連接多、速率快、成本低、功耗低、架構(gòu)優(yōu)等特點。NB-IoT使用License頻段，可采取帶內(nèi)、保護帶或獨立載波等三種部署方式，與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)共存。

NB-IoT端到端系統(tǒng)架構(gòu)如下圖所示：

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9.無線遠距通信GPRS

GPRS是通用分組無線電服務(wù)（General Packet Radio Service）的縮寫，GPRS是終端和通信基站之間的一種遠程通信技術(shù)。

無線電服務(wù)最早采用模擬通信技術(shù)，被成為第一代移動通信技術(shù)，后來采用數(shù)字通信技術(shù)，稱為第二代移動通信技術(shù)，其中全球移動通訊系統(tǒng)（Global System for Mobile Communications），即GSM的應用最廣泛最為成功。GSM主要是為了傳輸話音設(shè)計的，話音在傳輸時，獨占一個頻道。

GPRS可說是GSM的延續(xù)，它以封包方式來傳輸數(shù)據(jù)，不獨占頻道，因此可以較好利用GSM上空閑的頻道資源。GPRS的傳輸速率可達到56~114Kbps。用戶使用該項數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，可以連接到電信運營商的通信基站，進而連接到互聯(lián)網(wǎng)，獲取互聯(lián)網(wǎng)信息。GPRS由歐洲電信標準委員會（ETSI）推出，后來移交給第三代合作伙伴計劃（3rd Generation Partnership Project）即3GPP負責。

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優(yōu)點
由于GSM的網(wǎng)絡(luò)信號覆蓋范圍很廣，實際上可以使用GPRS業(yè)務(wù)的地域也很廣，這是GPRS技術(shù)的主要優(yōu)點。
其次，GPRS終端可以在信號覆蓋范圍內(nèi)自由地漫游，開發(fā)商無需在開發(fā)任何其他通信設(shè)備（由運營商負責），用戶使用方便。
最后，由于移動通信終端的普及，其成本已經(jīng)大大降低，因此在物聯(lián)網(wǎng)中采用GPRS通信技術(shù)，其硬件成本相比Wi-Fi或者ZigBee都有較大的優(yōu)勢。

缺點
GPRS終端在通信時要使用電信運營商的基礎(chǔ)設(shè)施，因此需要繳納一定的費用，即數(shù)據(jù)流量費，這個服務(wù)費用限制了大量設(shè)備連接到網(wǎng)絡(luò)。
GPRS的速率較低，是另外一個問題。
GPRS通信質(zhì)量受信號強弱影響較大，無信號覆蓋或者較弱的地方通信效果很差，可能影響業(yè)務(wù)的完成。

10.無線近距通信：NFC

NFC，Near-field communication，中文常翻譯為近場通信。NFC是一種短距高頻的無線電技術(shù)，屬于RFID技術(shù)的一種，工作頻率在13.56MHz，有效工作距離在20cm以內(nèi)。其傳輸速度有106Kb/s、212Kb/s或者424Kb/s三種。通過卡、讀卡器以及點對點三種業(yè)務(wù)模式進行數(shù)據(jù)讀取與交換。

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NFC最早是于2002年由飛利浦半導體、諾基亞和索尼共同研發(fā)。2004年，NFC論壇成立，致力于近場通信技術(shù)的標準化和推廣。

優(yōu)點

• NFC通信距離非常短，但因此通信保密性好。
• NFC卡無功耗，讀卡器功耗也較低，可以適用于很多無功耗，或者低功耗的應用場景中。
• NFC方案的成本較低，尤其是NFC卡成本非常低，特別適合覆蓋大量非智能物體。

NFC通信技術(shù)目前在移動支付和消費類電子等方面有廣泛的應用。例如很多手機都已經(jīng)支持NFC應用，公交卡這類的小額支付系統(tǒng)都是使用的NFC技術(shù)。

缺點
NFC沒有其他無線通信那種無線信號被竊聽的風險，但是其NFC卡過于簡單以及被動式響應的設(shè)計也是不安全的因素。見到報道的風險例如：即NFC銀行卡內(nèi)的交易信息，很容易被其他讀卡器，甚至智能手機讀取。

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