摘要：通信技術是物聯網的基礎，如果把物聯網比作是物流系統，那么通信技術就相當於 是送快遞的各種運輸方式，比如空運、水運還有陸運等。在通信技術當中，大體上它可以分為兩大類，一類是無線通信技術，另一類是有線通信技術。
本文分享自華為雲社區《物聯網通信技術之有線通信技術那些你不知道的事》，原文作者：愛吃面包的貓。
網絡層的通信技術相當於是感知層和平台層連接的媒介。通信技術是物聯網的基礎，如果把物聯網比作是物流系統，那么通信技術就相當於是送快遞的各種運輸方式，比如空運、水運還有陸運等。在通信技術當中，大體上它可以分為兩大類，一類是無線通信技術，另一類是有線通信技術。首先，我們先來看有線通信技術有哪幾種類型，它們區別在哪里呢？
以太網
以太網（ETH）簡單來說就是用戶使用的網線網絡。以太網是當前TCP/IP主要的局域網技術，也是當今現有局域網采用的最通用的通信協議標准。在物聯網領域，以太網除了在辦公場景當中有線接入當中會被使用到之外，主要是在工業上應用的比較多，因為以太網的成本低，又是IEEE的通用標准，所以就改良成了工業以太網。
以太網的核心技術是采用CSMA/CD（載波監聽多路訪問/沖突檢測）通信控制機制。CSMA協議要求站點在發送數據之前先監聽信道。如果信道空閑，站點就可以發送數據；如果信道忙，則站點不能發送數據。但是，如果兩個站點都檢測到信道是空閑的，並且同時開始傳送數據，那么這幾乎會立即導致沖突。另外，站點在監聽信道時，聽到信道是空閑的，但這並不意味着信道真的空閑，因為其他站點的數據此時可能正在信道上傳送，但由於傳播時延，信號還沒有到達正在監聽的站點，從而引起對信道狀態的錯誤判斷。在早期的CSMA傳輸方式中，由於信道傳播時延的存在，即使通信雙方的站點，都沒有偵聽到載波信號，在發送數據時仍可能會發生沖突。因為它們可能會在檢測到介質空閑時，同時發送數據，致使沖突發生。
盡管CSMA可以發現沖突，但它並沒有先知的沖突檢測和阻止功能，致使沖突發生頻繁。所以，可以對CSMA協議作進一步的改進，使發送站點在傳輸過程中仍繼續偵聽介質，以檢測是否存在沖突。如果兩個站點都在某一時間檢測到信道是空閑的，並且同時開始傳送數據，則它們幾乎立刻就會檢測到有沖突發生。如果發生沖突，信道上可以檢測到超過發送站點本身發送的載波信號幅度的電磁波，由此判斷出沖突的存在。一旦檢測到沖突，發送站點就立即停止發送，並向總線上發一串阻塞信號，用以通知總線上通信的對方站點，快速地終止被破壞的幀，可以節省時間和帶寬要求站點在發送數據過程中進行沖突檢測，而一旦檢測到沖突立即停止發送數據。這樣的協議被稱為帶沖突檢測的載波監聽多路訪問協議。
RS-232與RS-485
學習過嵌入式開發的讀者可能會比較了解RS232，圖4-1即為RS-232的接口示意圖，很多讀者都會覺得對其似曾相識，這是因為在台式電腦的后面就有這樣的接口。RS232的特點就在於它主要是支持一對一的通信並且通信的距離是比較短的，只能是不超過20米。RS485就相當於是RS232的一個改良版，到了RS485，它就支持一對多的傳輸了，總線上最多允許128個收發器。同時傳輸速率和通訊距離也得到了極大地提升。
RS-232與RS-485的對比
表4-1即為RS-232與RS-485的區別，簡單來講，兩者之間的區別在於三點：第一點在於傳輸方式不同，RS-232采取不平衡傳輸方式，即所謂單端通訊.而RS-485則采用平衡傳輸，即差分傳輸方式。第二點在於傳輸距離不同，RS-232適合本地設備之間的通信，傳輸距離一般不超過20m。而RS-485的傳輸距離為幾十米到上千米。第三點在於通信數量不同，RS232只允許一對一通信，而RS-485接口在總線上是允許連接多達128個收發器。
通信串口總線
在串口通信當中，除了RS232和RS485之外。還有USB，USB又叫通用串行總線，是連接計算機和其他外部設備的串口總線標准。在USB接口出現之前，電腦的接口處於春秋戰國時代，串口並口等多方割據，像鍵盤、鼠標、Modem、打印機、掃描儀等都要連接到不同的接口上，一個接口只能連接一個設備，不過電腦不可能支持那么多的接口，所以擴展能力不足，而且速度有限。USB正是為了解決速度、擴展能力、易用性應景而生的。
正是由於它在生活當中非常常見，所以物聯網這項與生活相接軌的技術也同樣會廣泛使用USB來進行數據傳輸。其中需要着重注意的一點是，USB根據接口又被分為不同的類型，其中比較常見的就是圖4-2中的四種，Type-A，Type-B，Micro-B和Type-C。
M-Bus技術
M-Bus，也叫做MeterBus。它是一種專門應用於遠程抄表業務的總線，比如說在電表，水表，氣表這表具當中的使用比較多，這種技術在國內的抄表業務中並不常見，但是在歐洲卻被廣泛使用。這種總線技術有什么樣的特點就在於它可以在遠程為設備供電，並且不需要布設電源線，所以說如果家里斷電的話，對於這個儀表是不會有影響的。
電力載波PLC技術
PLC又叫PowerLineCommunication。這項技術的意思是以在平時使用的電線上附加數據的方式來進行數據的傳輸。那么它是怎么操作的呢，首先需要把載有信息的高頻信號加載到電流上，然后經過電線的傳輸，再在另一端用適配器將高頻信號從電流中分離出來，之后再傳輸到計算機上以此來實現通信。但是其實PLC這項技術是有缺點的，它只能被使用在電壓不發生變化的近端場景當中。這是因為這項技術的原理是將高頻信號加載在電線上，但是當電線上的電壓發生變化的時候，電線上的高頻信號就會消失。所以，這項技術只能被應用於電壓不會發生變化的近端場景當中。在抄表業務上，PLC技術主要應用在抄表終端到管理終端這一塊，因為數據再向上傳輸時，就會經歷變電和輸電的步驟，那么因為電壓變化后數據就會消失，所以無法在上層繼續使用PLC技術。數據會先加載到電線上上傳到管理終端，管理終端再與基站相連接在通過交換機和服務器就可以把數據上傳到數據庫進行操作，這就是使用PLC電力抄表的主要流程。
表4-2即為上述幾種有線通信技術的簡要對比，在有線通信技術當中，這些技術基本上是用在工業上和公共事業會相對多一點。因為在物聯網領域，設備相對來說，移動性是比較強的，所以有線的通信方式應用的場景相對會少一點，更多的還是會用無線通信的方式來進行數據的傳輸。
四大短距無線通信特點及應用場景
接下來我們介紹IoT常見的無線通信技術，其中無線的技術又可以被細分成很多不同的部分，比如運營商使用的蜂窩網絡，還有藍牙等一系列短距通信技術。
BluetoothBluetooth，即藍牙
這項技術在生活中非常常見，藍牙在手機，電腦，平板等設備當中可以說已經是一個必備的技術了。藍牙技術最初由電信巨頭愛立信公司於1994年創制，當時是作為RS232數據線的替代方案。藍牙可連接多個設備，克服了數據同步的難題。在物聯網當中，比方說運動手環，智能電子秤當中都需要用到藍牙技術。老版本的藍牙技術，傳輸距離相對於其他的無線通信技術來講是比較近的，只有10厘米到10米的范圍。但是它的傳輸速率是比較快的，最高可以達到1Mbps。
但是現在藍牙技術已經發展到了藍牙5.0的版本，雖然它還是屬於短距無線通信技術，但它的傳輸距離已經可以達到非常遠了。藍牙5.0支持最高3Mbps的傳輸速率以及最遠300米的傳輸距離。同時藍牙技術在發展到后期是又被分為了兩種技術類型，一種是BR/DER，另一種是LE。其中，需要重點去關注的是LE類型，因為LE類型的藍牙技術是非常適合在物聯網當中使用的。可能讀者們所熟知的藍牙技術還是以點對點的方式進行通信的，但是LE類型的藍牙技術可以支持點對點、廣播和Mesh等多種形式的網絡拓撲結構，這就非常適合物聯網場景下多設備連接進行數據傳輸了。
Wi-Fi
大多數人在家里或者辦公等場景下完成日常上網肯定都會使用到Wi-Fi。所以Wi-Fi的應用是非常廣泛的。Wi-Fi通常是用在2.4G和5G兩個頻段上，通過這兩個不同的頻段，它可以為不同的設備提供不同的服務。跟之前版本的藍牙相比的話，Wi-Fi的通信距離相對還是比較遠的，並且支持一對多的連接。同時，它的傳輸速率同樣也很快。但是，Wi-Fi的缺點也十分明顯，首先是它的安全性不好，穩定性非常差。比方說在看視頻的時候，也許會發現視頻看到一半卡住了。還有就是當用戶在打電腦游戲的時候，感受會非常明顯，如果用Wi-Fi上網打游戲的話，延遲的變化是非常大的，有的時候是二三十毫秒，有的時候就直接變成一兩百毫秒了。所以Wi-Fi的穩定性是比較差的，並且Wi-Fi的功耗相對來講是比較高的。如同藍牙一樣，Wi-Fi目前也發展到了新一代的Wi-Fi6這個版本，它支持9.6Gbps的傳輸速率以及低至20ms的時延。
ZigBee
相較於Wi-Fi與藍牙，ZigBee和下文中要描述的Z-Wave讀者們可能對它知之甚少。ZigBee也是一種短距離低功耗的無線技術，圖4-5即為ZigBee設備的工作模式示意圖，與圖4-4中的Wi-Fi設備工作示意圖相比其實就能發現該技術的特點。Wi-Fi設備在連接時只能和AP或者主集中器相連接，但是ZigBee不一樣，它的數據在設備與設備之間也是可以進行傳遞的。這代表的就是ZigBee這項技術易組網的特點，如果Wi-Fi設備的中間接入點壞掉的話，相當於整個網絡就癱瘓了。但是ZigBee不一樣，因為ZigBee的每台設備都可以充當中繼，如果由其中一台設備壞了，其他的設備可以進行網絡重組，找到另一個可以充當中繼的設備就可以重新構建一個網絡。ZigBee技術的特點其實和它的名字是非常相近的，ZigBee又稱紫蜂協議，因為它來源於蜜蜂的八字舞，由於蜜蜂是靠飛翔和“嗡嗡”地抖動翅膀的“舞蹈”來與同伴傳遞花粉所在方位信息，也就是說蜜蜂依靠這樣的方式構成了群體中的通信網絡，這與ZigBee具備的靈活組網的特點就非常相似了。
除此之外，ZigBee模組的成本很低，只有2美金左右，同時和Wi-Fi相比，它的速率就顯得非常低了，只有20到250kbps。同時它的缺點就在於兼容性差和不易維護。
Z-Wave
除了ZigBee之外，還有一項短距無線技術叫Z-Wave。Z-Wave其實跟ZigBee差不多，但是他們的區別就在於Z-Wave相對來講更加可靠，但是它的協議標准不開放，同時Z-Wave的芯片只能通過SigmaDesigns這個公司來獲取。Z-Wave技術在最初設計時，就定位於智能家居無線控制領域。采用小數據格式傳輸，40kb/s的傳輸速率足以應對，早期甚至使用9.6kb/s的速率傳輸。與同類的其他無線技術相比，擁有相對較低的傳輸頻率、相對較遠的傳輸距離和一定的價格優勢。
短距無線技術對比
針對上述四種IoT短距無線技術做了個簡單的對比，主要的區別在於藍牙和Wi-Fi的傳速速率比較高，但老版本的藍牙只能一對一連接，Wi-Fi能一對多，所以，藍牙主要用在鼠標，耳機，手機這些設備上，而Wi-Fi主要是用在家庭或者其他室內進行高速上網。同時基於ZigBee和Z-Wave設備它們低速率和連接節點多的特點，基本上不太可能應用在除了物聯網之外的其他領域，因為它們的傳輸速率是在是太低了。所以ZigBee和Z-Wave主要應用於家庭自動化、智能家居、智慧大廈等等領域。