對物聯網技術系統化、層次化介紹和典型應用場景

蔡 翔

（中國聯合網絡通信有限公司襄陽市公司，襄陽 441000）

物聯網的發展過程當中，是通過物體之間的相互信息交流以及交互來實現物聯網的技術發展，在物聯網發展過程當中，我國在很多的行業都會運用到相應的互聯網感知以及層次的技術。尤其表現在相應的農業生產，農業信息化管理以及現代企業物流管理當中，這些基本的管理是通過物聯網的基本信息化功能來實現相應的工作需求和工作發展，物聯網技術分為三個層次，應用層以網絡平臺、數據庫為基礎通過APP 形式向個人終端提供相應服務。網絡層從感知層硬件獲取數據并與終端設備相互連接傳感。感知硬件包括二維碼、紅膜掃描傳感器，攝像等等，物聯網在實現相應功能的時候，會通過相應的傳輸功能以及信息轉化功能實現對社會相應的服務，反饋物聯網的服務平臺，相較于其他的互聯網發展，具有更強大的信息交互以及感知系統的交流。目前主要成熟的領域是農業生產監測、智能運用。安防監控、智能卡等等。

1 物聯網技術系統化

1.1 Wi-Fi 技術

在物聯網的發展過程當中，其中的Wi-Fi 技術是相應物聯網將互聯網以及局域網之間的聯系來進行相應的連接Wi-Fi 技術可以更好的實現物聯網與電子設備以及其他的系統信息之間的信息交互，在我國當前的電子產品發展過程當中，很多的電子產品通過Wi-Fi 技術來實現物聯網的技術應用，比如一些電子臺燈以及空調等這些相應的電器以及電子產品在使用當中可以通過Wi-Fi技術實現相應的物聯網控制，比如對該電器進行開關控制以及溫度變化控制等。Wi-Fi 技術在相應的電子技術當中應用比較多，同時也會在相應的農業機械生產當中也有比較明顯的應用。

1.2 RFID 技術

射頻技術在相應的物聯網發展當中處于一種非常重要的地位，射頻技術當中關于相應的信息儲存是需要通過信息的傳遞和傳輸來實現，在射頻技術的發展過程當中，根據數據以及信息的讀取，然后根據相應的頻率和信號的接收，實現對信號的處理和反饋。同時在物聯網的發展過程當中，射頻技術可以將整理后的數據反饋給二級后臺操作，實現相應數據信息儲存以及相應數據的控制。

1.3 傳感網技術

在相應的物聯網傳感技術運用當中，需要通過相應的信息傳輸系統以及感知信息采集方面的功能，是在互聯網的傳感網技術過程當中實現，通過數據的處理以及單方面的數據以及通信系統的隨機分布來實現對內部網格的優化，在物聯網的信息處理以及采集過程當中，通過傳感網來實現對所有節點的相應連接，在比較復雜的互聯網以及互聯網環境當中。物聯網技術可以將相應的節點與對應的信息接收點進行連接，雖然在信息接收過程當中，外界的環境會對相應的物聯網信息傳感有一定的干擾，但是由于傳感網技術是針對多個單點的部件來進行數據傳遞，所以受到相應的外界干涉影響比較小，在傳感網技術的發展過程當中，通過節點的密集以及相應的分布隨機實現相應功能的儲存，在物聯網的設備使用當中，傳感網技術可以對設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，保障現物聯網基本信息傳輸功能的實現。

2 物聯網技術層次化

物聯網架構按層級來劃分可分為3個層級： 感知層、網絡層、應用層，本文對它們在物聯網系統中扮演的角色及作用進行闡述。

2.1 感知層

物聯網技術作為系統數據點重要入口，傳感器極其重要，傳感器之于物聯網如同眼睛與之人體，通過傳感器去感受身體周邊與物理環境，為應用層的數據分析提供依據，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；化學傳感器主要分為離子、生物、氣體內的傳感器；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，能夠實現體積小、成本低、功耗小等環境，在微米量級特征下能夠實現傳統機械傳感器難以完成的任務。同時大量運用在無線自組網等中，不需要基站，能夠對等結構移動的模式，大量的動態拓展、無中心控制、多跳路的特點。

圖1 物聯網架構層圖

2.2 網絡層

第二層是數據傳輸的網絡層，在互聯網工作當中，需要通過相應的網絡層來實現對數據傳輸的保護，物聯網的相應網絡層是通過所有移動移動信號以及相應網絡方面的連接來進行網絡城市通過感知相應數據庫以及傳輸信號源的數據來進行相應核心技術的保護，互聯網在發展當中數據保護以及數據傳輸都是需要通過網絡層來實現快速傳輸。在網絡城的發展當中，會對傳感網數據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的查詢功能和分析功能，在傳輸數據的網絡層當中，網絡層可以通過傳感網器數據來實現對內部信息的挖掘以及理解，同時要通過感知數據的決策行為來實現相應的理論和技術方面理解。在云計算的發展過程當中，物聯網與網絡層當中的數據儲存需要通過復雜的網絡層以及傳感網數據來實現，云計算平臺是我國當前互聯網發展當中重要的數據存儲技術，一位相應的企業以及社會單位儲存相應的數據，而且可以隨時進行數據的跳取和修改，實現物聯網網絡層方面的功能體現。

當前的IOT 工業數據采集等局域網通信，一般采用短距離通信技術，但對于廣范圍、復雜環境、遠距離的連接則需要遠距離通信技術。專為低帶寬、低功耗、遠距離、大量連接的物聯網應用而設計，未授權頻譜的技術；另一類是工作于授權頻譜下的NB-IoT。以 Freescale i.MX287 處理器為核心，ARM9 內核。采用雙MiniPCIE 接口設計，滿足工業應用，與2G/3G/4G，Wi-Fi，Zigbee 搭配接入通訊，自定義各類網關。

（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）較低的數據速率加大了網絡容量。

（3）LoRa 信號的波長較長決定了它的穿透力與避障能力。

（4）LoRa 專用網關可以根據現場和客戶需求擴展出更多自定義功能，如廣告推送，多種網絡接入等。

這些適合低成本較大規模部署的企業專項任務重，大量的LoRa 的建設，比如某電子公司的模塊、網管的開發，用于車位管理、車流量檢測，監測通信等。

圖2 各通信技術特點整體對比圖

2.3 應用層

物聯網的發展過程當中，通過相應應用層的數據來實現，對客戶方面的服務，優化服務客戶是物聯網技術的最終服務群體，客戶在使用物聯網技術的過程當中需要通過相應的應用層來實現對所有數據的查詢以及控制，當然物聯網的發展當中不僅僅是關于相關數據的儲存與管理，還需要對相應的電子產品進行控制，這種控制是需要相應的應用層方面的功能實現，比如用戶需要通過物聯網來實現對高速公路etc 方面的控制，同時也需要通過相應的軟件以及互聯網的開發，不斷的通過軟件方面的技術來實現對物聯網應用實際控制，為客戶提供加豐富的物聯網基礎體驗。

3 Wi-Fi、NB-IoT、LoRa、等無線網絡技術分析

3.1 Wi-Fi

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

Wi-Fi 技術突出的優勢在于：

Wi-Fi 技術在運營過程當中有著非常重要的優勢，首先是相應無線電波在使用當中覆蓋范圍較于其他的技術，覆蓋范圍更廣，其次在Wi-Fi 接觸的傳輸過程當中，相應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。這些相應的數據傳輸速度可以滿足當前電子產品以及相應的企業發展當中的數據傳輸需求。在企業和廠商進行相應的物聯網技術應用當中需要建立更加完善的網絡熱點，通過網絡熱點來實現，對相應場合的物聯網控制，當前我國很多的公共場合都運用到了相應的物聯網技術，其中都會對Wi-Fi 技術進行更加規范的應用，尤其是在一些機場火車站以及公共圖書館等地區，這些地區，由于相應的人員比較密集，歪歪技術的使用會受到外界因素的影響，所以通過對Wi-Fi 技術的不斷優化，實現Wi-Fi 無線網卡的標準管理，能實現相應的傳輸速度，提升優化互聯網在Wi-Fi 使用當中的應用效果。

3.2 NB-IoT

強鏈接：在物聯網在相應的連接過程當中，具有非常強大的連接功能，再通過同一個物聯網基站的使用情況下，窄帶物聯網可以比相應的Wi-Fi 技術實現50-100倍的連接數字變化，在一個服務區當中可以提供更多的連接點，窄帶物聯網在實施過程當中相應的延時更低，使用成本更低，而且在低功耗的情況下，為物聯網的發展提供更加優秀的網絡構架。

高覆蓋：NB-IoT 物聯網的運用過程當中，可以比基本的LTE 技術實現更強的覆蓋能力，在窄帶物聯網的應用當中，可以實現比LTE 強100倍的覆蓋區域能力實現，這樣可以實現在我國基層地區大面積覆蓋相應物聯網技術的應用，尤其是對于一些大型工廠以及相應的大型車庫當中運用的物聯網技術發展提供相應的信號傳輸以及信號覆蓋功能。

低功耗：與其他的連接技術相比，窄帶物聯網在相應的發展過程當中相應的工號非常的小，特別是在使用當中會通過相應的電池更換來實現相應工號的使用管理，在比較偏僻的山區安置物聯網技術的時候，會通過比較特殊的方式來對相應的電池進行更換，同時保證在窄帶物聯網的使用當中降低相應的工號以及提升信號傳輸速率，按照當前窄帶物聯網的設備管理在發展當中，窄帶物聯網的相應續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，射頻和天線基本上都是復用的。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勢。模塊預期價格不超過5美元。

大部分物聯網場景如智能門鎖、數據監測等并不需要實時無線聯網，僅需近場通信或者通過有線方式便可完成。

3.3 LoRa

LoRa 是LPWAN 通信技術中的一種，是美國Semtech 公司采用和推廣的一種基于擴頻技術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，（經過聲表面濾波器轉換，將電波轉換成電信號），得到高頻信號。

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

（3）模擬信號轉數字信號：正交中頻信號通過ADC 進行模數轉換，得到中頻數字信號。

（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）降頻后的信號經過LoRa 解調器解調，得到基帶信號，即原始信號，由原始信號得到數據包。

（7）將數據包放到LoRa 的接收數據緩沖區。

LoRa 的最大特點就是：傳輸距離遠、工作功耗低、組網節點多。發射功率降下來，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算，不需要高發射功率。

應用場景對比

（1）智能三表

在智能三表領域需要低速率的數據傳輸，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 可以實現低延時，并且對于低傳輸速率和頻繁通信的需求，專網十分必要。

LoRaWAN 的ClassC 可以實現低延遲，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的固定位置，所以對于運營商部網也較為容易。

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

（2）智慧農業

農業來說，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用對于提高產量，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據。而且很多偏遠的農場或者耕地并沒有覆蓋蜂窩網絡，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控，不僅可以保證生產效率還可以通過遠程監控提高人工效率。在工廠的自動化制造和生產中，一些場景需要頻繁的通信并確保良好的服務質量，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。

物聯網實施的最終目的是可以通過智能化平臺對相關設備進行自動化控制，將傳感器與智能化的信息處理技術相結合，通過對收集到的信息進行計算，再利用各種關鍵技術，對相關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。