消费物联网、工业物联网应用场景中的有线、无线连接协议综合分析 - 好文

消费物联网、工业物联网应用场景中的有线、无线连接协议综合分析

一、物联网

物联网是一个大而泛的概念，从大的应用领域来说，可以分为消费级物联网和工业级物联网。

这两类对物联网性能的要求差别很大，消费级物联网比较大的场景有可穿戴设备、共享经济、智能家居等，这些场景与消费者的生活息息相关，连接上以GPRS、WiFi和蓝牙等方式为主，主要的性能要求是低功耗。

智能家居是最近快速发展的一个领域。一方面是交互领域技术进步带来语音交互体验的提升，另一方面是产业链上连接模组成本的降低，从而使得以音箱作为入口，连接并控制家庭内部大量的电器成为可行的场景，并产生了像小米IoT、涂鸦、乐鑫等行业内领先的业务或公司。

但在工业物联网领域，情况并不一样。工业各垂直领域行业特性迥异
，知识壁垒很高，而且工业制造流程对可靠性和稳定性要求非常高，目前的运营商网络还很难满足工业物联网对性能方面要求。因此物联网在工业领域的进展一直比较缓慢，还没有产生比较成熟的商业模式和相对大体量的公司。

二、消费物联网应用场景

数据表明，在当前消费物联网板块中，智能家居占据了约36%的规模总量，且该部分占比也在不断地增加，其次是可穿戴设备板块。我们按照“物联网产业路线图2.0”中的设备商、方案商和运营商对当前消费物联网企业主要的业务形态做简单梳理划分。设备商提供智能终端的研发及生产，如华米生产智能手环或者智能手表；方案商提供智能系统的平台或者解决方案，如华为HiLink提供智能家庭的连接管理平台，而涂鸦科技提供智能家庭解决方案；服务商基于智能终端产生的大量数据，更好的为消费者服务，如京东的智能冰箱，通过长时间学习了解消费者的生活习惯，可以根据冰箱的状态自动提醒消费者需要补充哪类食品，通过向用户提供信息或者基于信息的服务的商业模式。

三、工业物联网应用场景

制造业：通过嵌入机械设备的传感器帮助确定制造过程中出现的问题和瓶颈。同时还可以通过对机器数据的分析，为机器提供预测性维护。预测性维护意味着只在需要时对机器进行维护，这样可以节省成本和减少机器闲置时间。案例：Caterpillar（NYSE:CAT）是世界上最大的工程机械和矿山设备制造商。它与机器数据分析独角兽Uptake合作，将机器联网，然后将包括设备方位和路径、闲置时间和机器使用等数据汇集并进行分析，对设备的运行路径、停机时间和维护进行优化，减少运营成本并提升产量。

能源：通过传感器监控照明、温度或能源使用情况，并将数据通过算法进行实时处理，实现微观管理。案例：AutoGrid是由前斯坦福大学智能电网研究室负责人Amit
Narayan创办的服务电力、能源行业的大数据公司，通过其能源数据平台（EDP），公共事业公司、企业、社区甚至家庭可以使用大数据和基于云的软件来调整能源消耗和成本。同时还能帮助电网各端匹配电力供应和需求，降低电网各端的成本。

供应链／物流：通过将RFID或NFC标签贴在产品上，可以知道仓库中该产品的确切位置，并可以进行行李或包裹的分拣和跟踪。案例：Precyse
Technologies专门提供基于有源RFID技术的实时定位和供应链可视化解决方案，主要用于跟踪物体位置和移动人员或实物资产的室内外定位，帮助工作人员有效的识别、定位、检测状态和沟通。

工业可穿戴设备：将AR技术用于工业设计或安装维护等环节，为工程设计师、技术人员或维护操作人员提供直接展示在眼前的操作说明或复杂问题远程求助和培训等服务。案例：Upskill原名APXLabs，是工业增强现实可穿戴设备内容软件的提供商，其AR软件平台Skylight可以与智能眼镜搭配，将企业工人所需要的操作信息直接显示在他们面前，避免翻阅纸质操作文档或通过电脑来找文件带来的效率低下、容易犯错的问题。

四、物联网应用模式

* 售卖硬件产品：

这个很好理解。但现在新的模式出现，付费方和使用方分离，付费方看重数据资源，使用方免费使用硬件产品。一个典型的例子是Google旗下的NestLabs与电力公司的合作，如果消费者与该电力公司签署两年的合约，就可以免费得到Nest的温控产品。Nest的硬件产品的付费方由消费者变成了电力公司，而电力公司则注重Nest使用者的用电大数据，Nest的价值则转移到数据资源上。

2. 出售SaaS服务：

主要是一些工业领域的大数据和人工智能企业，通过采集机器的数据，为工业企业提供诸如售后、预测分析等服务。典型的例子是GE的Predix平台，通过将GE全球的装有传感器的机械设备连到平台，再通过平台的分析工具进行数据分析，来给运转中的机械设备提供售后保障。

3. 提供解决方案：

物联网解决方案提供商一般既没有硬件的生产能力，也没有提供SaaS服务的数据分析、人工智能算法的能力。它们的能力是对业务场景的了解，可以根据不同的业务逻辑、技术要求、产品服务来提供最适合的解决方案，客户不需要了解使用的是哪个品牌的传感器、云服务或传输协议，只需要关注是否解决业务痛点。

五、有线连接和无线连接

“物联网”概念在1999年美国麻省理工学院首次被提出，狭义的物联网指的是“物—物相连的互联网”，这里相连的主体既包括物品到物品，也包括物品到识别管理设备。

广义的物联网指的是信息空间和物理空间的融合，也就是虚拟与现实的融合，把所有的物体和事件数字化、网络化，在人与人、人与物、物与物之间实现信息交互，实现物品的自动识别，监控定位和远程管理。物联网以现有的互联网和各种专有的网为基础，传输通过感知层采集汇总的各类数据，实现数据的实时传输并保证数据安全。

连接方式可以分成有线和无线，连接的目的是进行通信，因此也就分别使用有线通信技术和无线通信技术。

有线通信，是指利用光纤、金属导线等有形媒质传送信息的技术。目前，有线通信已经非常普及，如电话线，网线，电视线等等。

无线通信，是指利用电磁波信号在空间传播而进行信息交换的通信技术（进行通信的两端之间无需有形的媒介连接）。常见的无线通信方式有有蜂窝无线连接，wifi连接，蓝牙连接，还有一些倍感神秘的方式，如可见光通信和量子通信等等方式。

一般来讲，有线连接可靠性更高，稳定性也更强，缺点是连接受限于传输媒介。无线连接自由灵活，终端可以移动没有空间限制，但是容易受传输空间里的其他电磁波以及对电磁波有影响的其他障碍物的影响，因此可靠性不如有线连接。

六、通信协议

物联网生态系统的核心组成部分是连接和通信。物联网使远程和分散物体(设备，传感器节点，网关单元，云服务器)之间的连接和通信成为可能。

物联网通信协议的专业知识对于理解物联网系统至关重要。这些有线或无线协议不仅充当通信媒介，还为物联网网络提供增值功能。诸如Zigbee之类的物联网协议实现了无干扰，低功耗的通信，而像Profinet这样的开源协议可以促进与各种工业单元和设备的无缝和快速通信。

在此进行归纳总结了常用的8种物联网通信协议，这些协议已广泛部署在众多现有和新兴的物联网应用中。

1. 蓝牙

兼容的蓝牙IoT传感器非常适合需要短距离连接和低功率通信的应用。蓝牙协议的有效范围为50到100米，支持高达1 Mbps的数据传输速率。

最近，物联网开发人员已经表现出对基于蓝牙智能协议的低能耗蓝牙低功耗(BLE)的倾向。与前一代产品相比，BLE的功耗显着降低，但不适合大型文件传输。

2. Zigbee

基于IEEE
802.15.4标准的Zigbee已成为嵌入式应用中使用最广泛的通信协议之一。Zigbee用于连接10-100米范围内的设备，支持高达250
Kbps的数据速率。作为一种低功耗，低数据速率技术，Zigbee非常适合物联网传感器和物联网网关设备之间的双向数据传输，以及ad hoc无线网状网络。

通过其网状拓扑，Zigbee设备可以通过中间设备在一定距离上传输数据。对于在消费和工业领域需要低成本和低功耗传感器网络的物联网应用，Zigbee是一个很好的选择。

Zigbee协议还包括由128位加密密钥和加密帧定义的安全框架。

3. 6LoWPAN

6LoWPAN是一种简单的无线网状技术，可使各个节点支持IP。其目标是克服将所有类型的设备连接到互联网的技术和商业障碍。

6LoWPan规范还定义了通过IEEE
802.15.4网络交换IPv6数据包的封装和报头压缩机制。6LoWPan集成了安全模块和ACL密钥等安全组件，以及可选的TLS。对于需要低功耗无线通信的小型设备而言，它是一种可行的选择。

4. Wi-Fi

Wi-Fi旨在取代以太网，并通过IEEE 802.11标准系列提供易于使用的短距离无线连接和跨厂商互操作性。

Wi-Fi以更快，更大容量的通信而闻名，并且可以使用2.4 GHz和5 GHz频带在50
m范围内进行传输。由于现有基础设施的普遍存在，其受欢迎程度不断提高。

5. 蜂窝

需要长距离连续连接的物联网应用可以基于GSM，LTE，EDGE，3G，4G和5G等蜂窝网络进行设计。蜂窝网络可以与设备通信，最远距离可达35公里。

蜂窝技术有利于物联网应用，因为它具有以下特点：

通过像Cat-0和Cat-1等LTE网络，物联网应用的成本优化，增强覆盖。

通过TLS / DTLS安全性和LTE网络的空中加密实现端到端安全性。

最低或零监管法规。使用蜂窝网络，数据可以高达23 dBm进行交换。

6. ModBus

Modbus协议是一种强大的通信标准，广泛应用于工业自动化和SCADA系统，以便将仪表，传感器和执行器的信号发送回主控制器。Modbus具有广泛的通信协议，可在各种物理链路上运行。

Modbus是一种基于主从模型的串行通信协议。

主设备使用功能代码请求信息，该功能代码指示需要执行的操作，例如：

read a discrete input; read a first in, first out queue

使用Modbus的主要优点是它是一个简单的开源协议。Modbus的开发成本很低，并且需要最少的硬件设计。此外，Modbus还支持与各种设备(来自不同供应商)和系统的互操作性和兼容性。

7. PROFINET

PROFINET广泛用于工业自动化解决方案，用于连接制造环境中的系统。根据IEC 61158和IEC
61784标准，PROFINET以固定的时间间隔(1 ms或更短)提供数据，而不会造成质量损失。它还支持现有的IT标准。

PROFINET与现场总线技术高度兼容，可轻松与现有工业系统集成。PROFINET规范使用指定的数据映射系统定义代理(代理地址)，以允许协议与现代IoT协议进行通信。

8. EtherCAT

EtherCAT基于CANopen协议和以太网，专门针对工业自动化进行了优化。它允许任何标准PC用作EtherCAT主站，并使用任何拓扑与EtherCAT从站通信。它们可以在30微秒内以高达1,000个I
/ O点的速率连接工厂车间的所有设备。

EtherCAT可靠且速度快，因为消息可以在转发到下一个从系统之前借助专用高性能硬件进行处理。

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