IoT通信技術(shù)的特點(diǎn)以及模型設(shè)計(jì)的思考

近幾年隨著大型物聯(lián)平臺的出現(xiàn)，智能設(shè)備數(shù)量和種類持續(xù)增長以及芯片廠商不斷的技術(shù)突破，新的使用領(lǐng)域和互聯(lián)場景不斷出現(xiàn)，IoT進(jìn)入到一個(gè)快速增長和爆發(fā)的時(shí)代。無線通信作為物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，IoT項(xiàng)目如何進(jìn)行通訊技術(shù)選型至關(guān)重要。本文詳述了當(dāng)下熱門IoT通信技術(shù)的特點(diǎn)以及作者在模型設(shè)計(jì)方面的一些思考。

IoT時(shí)代的無線通信技術(shù)

“世界上最遙遠(yuǎn)的距離就是沒有網(wǎng)絡(luò)”，無線通信是IoT的基礎(chǔ)，常見的無線網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)有：WiFi、NFC、ZigBee、Bluetooth、WWAN（Wireless Wide Area Network，包括GPRS、3G、4G、5G等）、NB-IoT、Sub-1GHz等。它們在組網(wǎng)、功耗、通訊距離、安全性等方面各有差別，因此擁有不同的適用場景。WiFi、Bluetooth、WWAN是現(xiàn)階段物聯(lián)網(wǎng)的主力，占所有應(yīng)用的95%以上。ZigBee主要用在全屋智能領(lǐng)域，NB-IoT是針對IoT設(shè)計(jì)的下一代網(wǎng)絡(luò)。

那么如何在眾多無線通訊技術(shù)中找到適合自己的呢？下面根據(jù)我的經(jīng)驗(yàn)做一下簡單總結(jié)，供大家參考。

為什么選WiFi

WiFi最大的優(yōu)點(diǎn)是連接快速、持久、穩(wěn)定，它是IoT設(shè)備端連接的首選方案，唯一需要考慮的是智能設(shè)備對WiFi覆蓋范圍的依賴導(dǎo)致smart devices的活動(dòng)范圍比較小，不適合隨時(shí)攜帶和戶外場景。

舉例：各種智能家電可以通過WiFi被遠(yuǎn)程控制。

為什么選Bluetooth

Bluetooth最大的優(yōu)點(diǎn)是不依賴于外部網(wǎng)絡(luò)、便攜、低功耗。只要有手機(jī)和智能設(shè)備，就能保持穩(wěn)定的連接，走到哪連到哪。所以大部分運(yùn)動(dòng)和戶外使用的設(shè)備都會優(yōu)先考慮Bluetooth。它的主要不足是：不能直接連接云端，傳輸速度比較慢，組網(wǎng)能力比較弱。

舉例：智能手環(huán)，共享單車的智能藍(lán)牙鎖，iBeacon定位。

為什么選WWAN

WiFi的不足是智能設(shè)備移動(dòng)范圍小，藍(lán)牙的短板是設(shè)備不能直連云端和組網(wǎng)能力弱，而WWAN既可以隨時(shí)移動(dòng)，也可以隨時(shí)聯(lián)網(wǎng)，完美彌補(bǔ)了WiFi和Bluetooth的不足。但實(shí)際上它也存在二個(gè)短板：一是它在使用的過程中會產(chǎn)生費(fèi)用，二是網(wǎng)絡(luò)狀況不穩(wěn)定，常常遇到無網(wǎng)或弱網(wǎng)的環(huán)境。

舉例：車載智能設(shè)備，政府的城市公共自行車。

無線模塊選型分析

前面介紹了主流的三種無線技術(shù)，下面是一些特殊場景用到的無線技術(shù)選型。

ZigBee的使用

在全屋智能（精裝修智能房屋）的場景中，從交付開始，家中就已存在大量IoT設(shè)備，如果使用WiFi方案，每個(gè)設(shè)備配網(wǎng)會非常麻煩，并且WiFi每次做移動(dòng)或修改密碼，智能設(shè)備都要做相應(yīng)的調(diào)整。如果使用藍(lán)牙方案，以目前的BLE 4.2標(biāo)準(zhǔn)來說，藍(lán)牙的組網(wǎng)只能一個(gè)Central連接7個(gè)外設(shè)（部分芯片會有能力擴(kuò)充，因?yàn)楸容^少見，所以這里忽略），藍(lán)牙組網(wǎng)能力弱，也滿足不了需求。所以在全屋智能場景中，經(jīng)常會使用ZigBee+WiFi的二合一網(wǎng)關(guān)。ZigBee和藍(lán)牙一樣都是近距離低功耗的通訊技術(shù)，但它相比藍(lán)牙最大的優(yōu)勢就是強(qiáng)大的組網(wǎng)能力，ZigBee和WiFi的二合一網(wǎng)關(guān)通過ZigBee連接IoT設(shè)備，通過WiFi將數(shù)據(jù)同步到云端。

Sub-1GHz的使用

飛行器常常在沒有WiFi，山上等GPRS無信號或弱網(wǎng)的環(huán)境中使用，而且通常有較遠(yuǎn)的飛行距離，這樣WiFi、Bluetooth、ZigBee和WWAN這種單一的無線模塊不能很好的解決飛行器的通訊需求，所以需要多種無線模塊的組合使用。通過Bluetooth讓遙控器和手機(jī)連接，通過Sub-1GHz處理長距離飛行時(shí)飛行器和遙控器的通訊，通過其他波長處理中距離或短距離飛行中的數(shù)據(jù)通信。這種組合既能滿足手機(jī)操控，又能在中距離有高質(zhì)量的圖像數(shù)據(jù)，在遠(yuǎn)距離還能繼續(xù)控制。

同樣功能的設(shè)備不一定選相同的通訊模塊

例如補(bǔ)水儀，統(tǒng)一的功能，都是從設(shè)備噴出水汽到皮膚，給皮膚補(bǔ)水，但有便攜式和固定式兩種，便攜式體積小，便于攜帶，隨時(shí)使用，可以選擇Bluetooth；固定式功能多，可以冷熱交替補(bǔ)水，一般在家中使用，選WiFi沒錯(cuò)。

總結(jié)和整理

上表對前面介紹的無線通訊技術(shù)做了個(gè)總結(jié)，方便大家了解其中的差別，選到適合自己的方案。

IoT物聯(lián)模型

應(yīng)用側(cè)的架構(gòu)，根據(jù)接入設(shè)備的種類和數(shù)量，復(fù)雜度會相差很大，其中物聯(lián)平臺的架構(gòu)最為復(fù)雜，例如阿里智能、微信物聯(lián)、米家、百度物聯(lián)這類平臺級的系統(tǒng)。不過能做平臺級物聯(lián)系統(tǒng)的公司還很少，大部分還是針對特定設(shè)備類型或共同特征的智能設(shè)備的載體，它們的結(jié)構(gòu)相對簡單些，也是本文重點(diǎn)介紹的部分。

以智能手機(jī)、智能設(shè)備，智能云三者交互為例,主要涉及的無線通訊方式就是WiFi、WWAN、Bluetooth，其中WiFi和WWAN的場景幾乎一致，Bluetooth架構(gòu)多一層媒介層，本文主要介紹這三種場景。

WWAN/WiFi和Bluetooth在應(yīng)用架構(gòu)設(shè)計(jì)上最重要的區(qū)別是WWAN的智能設(shè)備可以直接和云端交互，而Bluetooth智能設(shè)備需要一個(gè)中轉(zhuǎn)媒介，大部分時(shí)候，這個(gè)媒介指的是智能手機(jī)，偶爾也可能是其他的形態(tài)，比如藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)，或是一臺裝有操作系統(tǒng)的智能冰箱。

WWAN和WiFi物聯(lián)模型的主要區(qū)別在于WWAN設(shè)備只要插上上網(wǎng)卡，就可以上網(wǎng)，而WiFi設(shè)備需要多一步配網(wǎng)的過程。

WWAN/WiFi物聯(lián)模式

WWAN/WiFi物聯(lián)模型如圖1所示。

圖1 WWAN/WiFi物聯(lián)模式

圖2 Bluetooth物聯(lián)模式

WiFi在設(shè)備初次使用時(shí)，首先需要配網(wǎng)操作。通過WiFi在手機(jī)和智能設(shè)備之間建立點(diǎn)對點(diǎn)連接，手機(jī)把WiFi的SSID和密碼傳遞到智能設(shè)備，然后再斷開手機(jī)與智能設(shè)備的直連，把智能設(shè)備連接的WiFi網(wǎng)絡(luò)切換至用于連接的WiFi設(shè)備（在家的場景，通常指的是家中的路由器）。WiFi smart device在聯(lián)網(wǎng)成功后，會向云端發(fā)送設(shè)備激活的消息，此后設(shè)備端和云端就建立了一個(gè)穩(wěn)定，長期的連接，保證了數(shù)據(jù)上行和命令下發(fā)。

Bluetooth物聯(lián)模式

藍(lán)牙設(shè)備一般都作為外設(shè)，和智能手機(jī)建立一對一的連接之后，通過智能手機(jī)作為媒介，間接與云端進(jìn)行數(shù)據(jù)同步。通常情況，BLE 智能手機(jī)設(shè)備和智能手機(jī)的通訊非常重要（通道1），設(shè)備操控和數(shù)據(jù)同步都是通過這層連接完成的，相比之下通道2經(jīng)常只是智能手機(jī)的普通API請求，用做Bluetooth 智能手機(jī)設(shè)備的數(shù)據(jù)持久層使用。

IoT模型優(yōu)化

上一節(jié)介紹了WWAN/WiFi和Bluetooth的物聯(lián)模型，IoT模型在設(shè)計(jì)的時(shí)候，有很多需要考慮的地方，常見的有：通道的安全、物聯(lián)協(xié)議、動(dòng)態(tài)化等。

通道的安全

通道安全往往是通過對連接通道認(rèn)證和數(shù)據(jù)對稱/非對稱加密這兩件事情保障的。對于安全性較高的設(shè)備，一定要在建立連接通道時(shí)，確保通道的安全性，在數(shù)據(jù)和命令上下行時(shí)，盡可能不要使用明文傳輸。安全通道的建立可以使用一些成熟的方案或者成熟的加密算法去實(shí)現(xiàn)，選擇算法時(shí)要考慮到設(shè)備端的計(jì)算能力。設(shè)備端因?yàn)槌杀竞腕w積，計(jì)算能力較弱，如果算法過于復(fù)雜會嚴(yán)重影響到設(shè)備端的處理能力和穩(wěn)定性。

物聯(lián)協(xié)議

物聯(lián)協(xié)議是大型IoT平臺必須考慮的問題，因?yàn)榻尤氲脑O(shè)備類型多，很多場景需要多個(gè)設(shè)備互聯(lián)互動(dòng)，良好的物聯(lián)協(xié)議設(shè)計(jì)可以減低設(shè)備接入的成本，提高穩(wěn)定性和處理能力。現(xiàn)在每個(gè)物聯(lián)平臺都有自己的物聯(lián)協(xié)議。

物聯(lián)協(xié)議可以細(xì)分為通用協(xié)議和領(lǐng)域定制協(xié)議。通用協(xié)議可以做物聯(lián)通道的兜底方案，對設(shè)備有一個(gè)統(tǒng)一的收口，而具體領(lǐng)域定制協(xié)議可以根據(jù)品類和業(yè)務(wù)深入定制行業(yè)解決方案，優(yōu)化領(lǐng)域和領(lǐng)域設(shè)備的接入速度，優(yōu)化業(yè)務(wù)流程和場景質(zhì)量。一個(gè)優(yōu)秀的領(lǐng)域協(xié)議需要綜合平臺、方案商、設(shè)備制造商多方經(jīng)驗(yàn)才能制定，忌諱由平臺制定后強(qiáng)推。

下面用藍(lán)牙來舉例說明一下平臺的物聯(lián)協(xié)議和業(yè)務(wù)協(xié)議。

微信物聯(lián)的藍(lán)牙協(xié)議要求：廣播包中包含ServiceUUID:FEE7作為統(tǒng)一標(biāo)識，F(xiàn)EA1為數(shù)據(jù)出口，F(xiàn)EA2為數(shù)據(jù)入口，把藍(lán)牙協(xié)議扁平化形成一種請求，相應(yīng)的數(shù)據(jù)模式。這是一個(gè)通道的固定，并沒有涉及業(yè)務(wù)。業(yè)務(wù)協(xié)議舉例：藍(lán)牙體重秤，協(xié)議如圖3。

圖3 藍(lán)牙體重秤協(xié)議

業(yè)務(wù)協(xié)議根據(jù)具體的通道，規(guī)定了二進(jìn)制流中每一位數(shù)據(jù)的含義、數(shù)據(jù)長度、單位、大小端模式等。業(yè)務(wù)協(xié)議和智能設(shè)備具體的功能和要做的業(yè)務(wù)緊密相關(guān)。

動(dòng)態(tài)化

物聯(lián)平臺因?yàn)榻尤氲脑O(shè)備各種各樣，芯片有各種不同的方案，如果要兼容多種設(shè)備和方案，就必須要求這個(gè)架構(gòu)有著非常好的靈活性，而動(dòng)態(tài)化可以極大提高靈活性。

客戶端通過HTML5、React-Native等動(dòng)態(tài)化渲染技術(shù)，解決業(yè)務(wù)層的動(dòng)態(tài)化；數(shù)據(jù)協(xié)議的動(dòng)態(tài)化可以在客戶端或者服務(wù)端，通過動(dòng)態(tài)化腳本方案實(shí)現(xiàn)；設(shè)備端的動(dòng)態(tài)化可以考慮OTA固件升級實(shí)現(xiàn)。

上面只是動(dòng)態(tài)化的一些具體實(shí)現(xiàn)方向，對于大型的物聯(lián)平臺，往往是通過一整套架構(gòu)和模型去解決的，阿里IoT平臺就有自己的一整套解決方案，因?yàn)闀婕暗缴虡I(yè)機(jī)密，這里不再詳述。

總結(jié)

本文淺嘗輒止地介紹了IoT方向的一些無線通信技術(shù)以及IoT模型選擇的思考，歡迎大家入坑。這些方案是近年來的主流方案，而隨著IoT的飛速發(fā)展，也許幾年后就會出現(xiàn)一些殺手級的方案完全改變IoT的現(xiàn)狀和格局。也有許多已知技術(shù)正在孕育當(dāng)中，比如Bluetooth5和NB-IoT，Bluetooth5相比4.2，在組網(wǎng)和傳輸距離上有了很大提升，連接范圍擴(kuò)大了4倍，速度提高了2倍，無連接數(shù)據(jù)廣播能力提高了8倍，同時(shí)提升了組網(wǎng)能力。筆者和TI，Nordic工程師有聊到過，設(shè)備廠商的5.0芯片都已經(jīng)開發(fā)完成，等待生產(chǎn)。量產(chǎn)后，預(yù)計(jì)會對ZigBee有很大的沖擊。

而NB-IoT的提出就是針對IoT的使用場景，其最大特色是覆蓋面廣，價(jià)格便宜。NB-IoT現(xiàn)在聯(lián)盟的力量很強(qiáng)大，大部分芯片商、通訊商、電信運(yùn)營商都參與其中，積極推進(jìn)NB-IoT的公共網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，預(yù)計(jì)就在這一年兩內(nèi)NB-IoT的網(wǎng)絡(luò)會覆蓋國內(nèi)很多地區(qū)，未來潛力非常值得關(guān)注。