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)入到一個快速增長和爆發(fā)的時代。無線通信作為物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，IoT項目如何進(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)的特點以及作者在模型設(shè)計方面的一些思考。

IoT時代的無線通信技術(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的活動范圍比較小，不適合隨時攜帶和戶外場景。

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既可以隨時移動，也可以隨時聯(lián)網(wǎng)，完美彌補(bǔ)了WiFi和Bluetooth的不足。但實際上它也存在二個短板：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，每個設(shè)備配網(wǎng)會非常麻煩，并且WiFi每次做移動或修改密碼，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Central連接7個外設(shè)（部分芯片會有能力擴(kuò)充，因為比較少見，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。

總結(jié)和整理

上表對前面介紹的無線通訊技術(shù)做了個總結(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)備需要一個中轉(zhuǎn)媒介，大部分時候，這個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，首先需要配網(wǎng)操作。通過WiFi在手機(jī)和智能設(shè)備之間建立點對點連接，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)計的時候，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，確保通道的安全性，在數(shù)據(jù)和命令上下行時，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現(xiàn)，選擇算法時要考慮到設(shè)備端的計算能力。設(shè)備端因為成本和體積，計算能力較弱，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，因為接入的設(shè)備類型多，很多場景需要多個設(shè)備互聯(lián)互動，良好的物聯(lián)協(xié)議設(shè)計可以減低設(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)。

動態(tài)化

物聯(lián)平臺因為接入的設(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，就必須要求這個架構(gòu)有著非常好的靈活性，而動態(tài)化可以極大提高靈活性。

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

上面只是動態(tài)化的一些具體實現(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，因為會涉及到商業(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。