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物联网如何做到“万物互联”?看懂这些你就明白

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邢远 发表于 2017-7-20 17:09:13 | 显示全部楼层 |阅读模式 打印 上一主题 下一主题
“物联网”——这个如今无处不在的词汇,顾名思义就是将联网的对象从电脑、手机,扩展到更多过去并未“触网”的物件——比如说冰箱、洗衣机、空调……甚至于集装箱、工业生产线、物流交通工具……
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试想一下,在未来的某天,当你从自动驾驶车里悠然走出,回到家门口——房门自动识别户主身份并开启,室内的空调、音响立刻启动并且调整到主人习惯的设定和喜爱的歌单,热水器开始预热、百叶窗也根据当前室内的光照强度实时调整……

这些曾经看起来像是科幻小说的剧情,近年来正越来越变为现实——没错,在这些智能设备的背后,其实就是“物联网”发挥着作用。

那么问题就来了——物联网物联网,到底是怎么“联网”的呢?它用的是我们平时熟悉的4G、WiFi这些联网方式么?还是说,物联网有自己专用的网络和联网技术呢?别急,看完这篇文章,大家就会明白了~

宽带广域物联网:5G、4G、eSIM

没错——对于某些物联网设备来说,它们需要的是和我们平时手机、电脑上一样(甚至更大)的联网带宽,而对功耗却不太在意:比如家里常年插着插头的智能家电、比如安防监控、智能交通、远程遥感等等……
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MWC2017上海展会上的物联网专题展台

在这种情况下,物联网设备当然也可以直接使用基于4G LTE甚至是5G技术的移动宽带联网——只不过,和手机上的蜂窝网络稍有不同的是,为了保证物联网设备的长期稳定在线,运营商一般会给物联网建设专用网络通道,和常规通信网络独立运行。
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韩国KT展示的5G千兆网络智能家电

同时,在我们手机上,起到赋予“身份(电话号码)”功能的SIM卡,对于物联网设备来说却存在着两大弊端。一是体积太大,不适合某些微型物联网设备(比如电子标签、智能手表);二是SIM卡信息固化,需要重新设定用户、号码等非常不便。
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小米笔记本4G版本,集成来自中国移动的eSIM芯片

因此,就诞生了嵌入式SIM(eSIM)技术,其本质上是一块超小型的可编程芯片——体积和功耗比最小的SIM卡更小,同时能够通过网络进行远程集中管理——无需硬件“烧卡”,大大简化了GSM网络物联网设备的注册和管理方式。

不甘寂寞的WIFi:服务室内高速连接

和蜂窝网络专注远程、广域高速互联互为补充,我们熟悉的WiF网络在物联网里也扮演着重要的角色。而且与蜂窝物联网必须使用专用网络不同,WiFi物联网设备往往本身就服务于一般家庭,靠的就是普通的家用路由器或无线AP。
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比如说,现在非常火热的家用安防摄像头,成本低廉,使用方便——而且确实能起到远程监控家中老人小孩宠物安全的作用。而这类安防摄像头其实使用的就是最简单的WiFi网络连接。

当然,在物联网的大潮面前,WiFi联盟也不会一味吃老本,他们推出了两个适应物联网的WiFi新技术:一是WiFi Aware,另一个就是802.11ad。
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WiFi Aware是一种让WiFi设备之间相互“感知”的技术,有了它,用户无需手动执行WiFi认证,就能直接与附近的WiFi设备交换信息。
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比如说,当你在博物馆里靠近一副名画,手机上的导览程序会自动显示这幅艺术品的相关介绍——此时手机已经和隐藏在画框附近的无线AP建立了连接。当然,这一技术用在未来的智能仓库、交通ETC等方面会更能显出其价值。
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而802.11ad,通俗地说,也可以称之为“无线千兆网”(Wireless Gigabit,WiGig),则是解决未来超高速室内通信的关键技术。相比现在的802.11ac,WiGig的最大带宽能轻易地跃升数倍(4600Mbps,最大可达30Gbps),同时因为使用的是60GHz的新频段,还可以显著减少网络干扰。
靠着这些优点,802.11ad可以在未来的智慧家庭中承载起更高带宽,信息量更大的设备间通信——比如说家庭安防摄像头理论上在11ad网络下就能做到流畅的4K分辨率直播,这在当前是无法想象的。当然,把它用于企业级的智能设备交互,11ad的高带宽优势使得它相比11ac网络,能够多承载好几倍的在线设备,大幅降低了运营成本。

NB-IoT:占据主流地位的“窄带”网络

当然,上面说的都是现有的宽带网络技术在物联网时代的延伸。而实际上,因为许多物联网设备都会采用微型化、低功耗的设计,宽带网络对于它们来说其实是没必要又浪费能源的。

因此,看似落后但其实并不“古老”的窄带网络就注定扛起物联网的大旗:和4G/5G、WiFi分别对应室外和室内环境一样,窄带物联网也有分为对应广域和室内环境的两大技术:NB-IoT(基于蜂窝的窄带物联网)/蓝牙LE(蓝牙低功耗)。
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NB-IoT本质上来说,可以视作是专用于物联网的“简化版”蜂窝数据网络,因此它在技术上和现有的手机网络(比如GSM、FDMA、LTE)是共通的,只是功耗要低很多很多,而且对网络带宽的要求非常低,组网成本低廉。

但是,因为是基于成熟的蜂窝网络技术,相比蓝牙和ZigBee等近距离通信技术,NB-IoT(特别是基于4G的NB-LTE)具备广覆盖、可移动以及大连接数等特性。
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而且,NB-LTE的频段因为很短,它可以通过带内、保护带或独立载波三种部署方式,与现有网络共存——有LTE基站的地方,就能简单快速地部署物联网NB-LTE窄带网络。
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同时,低功耗(一块电池可支撑10年运行)、连接多(单个小区能支持10万连接)、广覆盖(有移动网络就有NB-IoT网络)、低运营成本(每个模块不足5美元)的优点,使得NB-IoT可以轻松地运用在大量需要持续监测但无需高速数据通信的行业,如远程抄表、物流跟踪、智能停车、智慧农业等。
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可以说,名称上看起来并不高大上的NB-IoT,实际上已经成为物联网技术发展的绝对主流,并且也是目前最具商业应用潜力的新兴技术之一。

蓝牙LE/Zigbee:成熟的近距离物联网方案

说到蓝牙,大家肯定不会陌生:虽然蓝牙的传输速率和传输距离都远不及WiFi,但因为功耗低,成本低,在短距离物联网方案中也占据了一定地位。
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比如说,负责蓝牙技术更迭的蓝牙技术联盟( Bluetooth SIG)就于近日宣布,蓝牙技术将支持物联网网状网络(mesh networking)。物联网网状网络可以将多个蓝牙设备连接,创造大规模的设备网络。蓝牙技术联盟表示,这种“多对多”的连接,可以支持数千设备。在家庭环境中,mesh networking可以用来连接智能家庭设备,并建立覆盖整个房子的物联网络。
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相比传统的单点连接,蓝牙支持网状网络之后,可以大幅提升覆盖面积,变相提升了蓝牙连接的传输距离,同时不会提高成本:因为只要是支持蓝牙4.0的设备,理论上都可以通过升级固件,加入对mesh networking的支持。
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而和蓝牙相比,Zigbee(紫蜂)的历史没有那么悠久,但却更具对于物联网的针对性。Zigbee协议诞生于2004年,它去掉了蓝牙当中那些高清媒体之类的功能,专注于传感器数据传输、设备交互控制。
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Zigbee使用了一种非常有趣的“接力”方式,将每一个低功耗的Zigbee传感器或控制器连接起来,这些传感器只需要很少的能量,以接力的方式通过无线电波将数据从一个网络节点传到另一个节点,所以Zigbee的功耗更小、距离(相对蓝牙来说)更远、成本也更低。
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而且,因为从一开始就专注与传感器之间的信息传递,Zigbee非常强调实时性:使用Zigbee协议的智能家电,当按下其中一个的开关之后,其他的几乎是立刻就能相应动作。这是因为Zigbee设备从睡眠转入工作状态只需15ms,节点连接进入网络只需30ms,。相比较而言,蓝牙需要3~10s、WiFi需要3s以上。

总结:万物互联时代就在眼前

好了——以上就是我们今天关于物联网“如何联网”的小科普了。当然,庞大的物联网并不是只有这么几个连接技术,其他的比如EnOcean、beacon甚至是NFC/RFID其实也被应用在当前的物联网设备里,只是相比之下没有那么主流,或者并非未来的发展方向。
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不过,我们也应该看到,物联网传输协议再多,其实也就寥寥数种,而且基本上都是在10年前就已经被外国公司所制定、把持了。虽然到时候中国的企业或许会像今日的手机市场那样,在终端设备的出货量上占据大流,但“基础技术”依旧握于他人之手。这对于未来物联网设备的安全性、产品成本会造成怎样的影响呢?我们目前只能拭目以待。


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