物联网无线技术LoRa、Wi-Fi、ZigBee、NB-IoT、蓝牙5.0技术盘点

LoRa

LoRa(长 距离)是由Semtech公司开发的一种技术，典型工作频率在美国是915MHz，在欧洲是868MHz，在亚洲是433MHz。LoRa的物理层 (PHY)使用了一种独特形式的带前向纠错(FEC)的调频啁啾扩频技术。这种扩频调制允许多个无线电设备使用相同的频段，只要每台设备采用不同的啁啾和 数据速率就可以了。其典型范围是2km至5km，最长距离可达15km，具体取决于所处的位置和天线特性。

LoRa芯片在整个产业链中处于基础核心地位，重要性不言而喻。值得注意的是，目前美国Semtech公司是LoRa芯片的核心供应商，掌握着LoRa底层技术的核心专利。而Semtech的客户主要有两种，一是获得Semtech LoRa芯片IP授权的半导体公司；二是直接采用Semtech芯片做SIP级芯片的厂商，包括微芯 科技 （Microchip）等。

Wi-Fi

Wi-Fi被广泛用于许多物联网应用案例，最常见的是作为从网关到连接互联网的路由器的链路。然而，它也被用于要求高速和中距离的主要无线链路。

大多数Wi-Fi版本工作在24GHz免许可频段，传输距离长达100米，具体取决于应用环境。流行的80211n速度可达300Mb/s，而更新的、工作在5GHz ISM频段的80211ac，速度甚至可以超过13Gb/s。

一 种被称为HaLow的适合物联网应用的新版Wi-Fi即将推出。这个版本的代号是80211ah，在美国使用902MHz至928MHz的免许可频段， 其它国家使用1GHz以下的类似频段。虽然大多数Wi-Fi设备在理想条件下最大只能达到100米的覆盖范围，但HaLow在使用合适天线的情况下可以远达1km。

80211ah 的调制技术是OFDM，它在1MHz信道中使用24个子载波，在更大带宽的信道中使用52个子载波。它可以是BPSK、QPSK或QAM，因此可以提供宽 范围的数据速率。在大多数情况下100kb/s到数Mb/s的速率足够用了——真正的目标是低功耗。Wi-Fi联盟透露，它将在2018年前完成 80211ah的测试和认证计划。

针对物联网应用的另外一种新的Wi-Fi标准是80211af。它旨在使用从54MHz到698MHz范围内的电视空白频段或未使用的电视频道。这些频道 很适合长距离和非视距传输。调制技术是采用BPSK、QPSK或QAM的OFDM。每个6MHz信道的最大数据速率大约为24Mb/s，不过在更低的 VHF电视频段有望实现更长的距离。
ZigBee

ZigBee，也称紫蜂，是一种低速短距离传输的无线网上协议，底层是采用IEEE 802154标准规范的媒体访问层与物理层。主要特色有低速、低耗电、低成本、支持大量网上节点、支持多种网上拓扑、低复杂度、快速、可靠、安全。ZigBee是物联网的理想选择之一。

虽然ZigBee一般工作在24GHz ISM频段，但它也可以在902MHz到928MHz和868MHz频段中使用。在24GHz频段中数据速率是250kb/s。它可以用在点到点、星形和网格配置中，支持多达254个节点。与其它技术一样，安全性是通过AES-128加密来保证的。ZigBee的一个主要优势是有预先开发好的软件应用配 置文件供具体应用(包括物联网)使用。最终产品必须得到许可。

ZigBee技术所采用的自组织网是怎么回事？举一个简单的例子就可以说明这个问题，当一队伞兵空降后，每人持有一个ZigBee网络模块终端，降落到地面后，只要他们彼此间在网络模块的通信范围内，通过彼此自动寻找，很快就可以形成一个互联互通的ZigBee网络。而且，由于人员的移动，彼此间的联络还会发生变化。因而，模块还可以通过重新寻找通信对象，确定彼此间的联络，对原有网络进行刷新。这就是自组织网。

NB-IoT

窄带物联网（Narrow Band Internet of Things, NB-IoT）成为万物互联网络的一个重要分支。NB-IoT构建于蜂窝网络，只消耗大约180KHz的带宽，可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络，以降低部署成本、实现平滑升级。

NB-IoT是IoT领域一个新兴的技术，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，也被叫作低功耗广域网(LPWAN)。NB-IoT支持待机时间长、对网络连接要求较高设备的高效连接。据说NB-IoT设备电池寿命可以提高至少10年，同时还能提供非常全面的室内蜂窝数据连接覆盖。

蓝牙50

蓝牙是一种无线传输技术，理论上能够在最远 100 米左右的设备之间进行短距离连线，但实际使用时大约只有 10 米。其最大特色在于能让轻易携带的移动通讯设备和电脑，在不借助电缆的情况下联网，并传输资料和讯息，目前普遍被应用在智能手机和智慧穿戴设备的连结以及智慧家庭、车用物联网等领域中。新到来的蓝牙 50 不仅可以向下相容旧版本产品，且能带来更高速、更远传输距离的优势。

1、大大的改善了接收的灵敏度，降低了功耗。
高达157db的链路预算使其通信距离可达15公里(与环境有关)。其接收电流仅10mA，睡眠电流200nA，这大大延迟了电池的使用寿命。
2、基于该技术的网关/集中器支持多信道多数据速率的并行处理，系统容量大。
如图2所示，网关是节点与IP网络之间的桥梁(通过2G/3G/4G或者Ethernet)。每个网关每天可以处理500万次各节点之间的通信(假设每次发送10Bytes，网络占用率10%)。如果把网关安装在现有移动通信基站的位置，发射功率20dBm(100mW)，那么在建筑密集的城市环境可以覆盖2公里左右，而在密度较低的郊区，覆盖范围可达10公里。
3、基于终端和集中器/网关的系统可以支持测距和定位。
LoRa对距离的测量是基于信号的空中传输时间而非传统的RSSI(Received Signal Sterngth Ind-ication)，而定位则基于多点(网关)对一点(节点)的空中传输时间差的测量。其定位精度可达5m(假设10km的范围)。
这些关键特征使得 LoRa技术非常适用于要求功耗低、距离远、大量连接以及定位跟踪等的物联网应用，如智能抄表、智能停车、车辆追踪、宠物跟踪、智慧农业、智慧工业、智慧城市、智慧社区等等应用和领域。

IBM有提供过一个几个基于原始空口物理层协议的资产定位原型，使用了Node Red等，没有使用LoRaWAN。所以，封闭系统未见得要使用LoRaWAN，除非目标是标准化的公开系统。

国内的许多应用，如智慧城市、船务管理等，一旦需要多家供应商参与，则尽量参考LoRaWAN进行部署。

浏览了一下Github中的开源LoRaWAN网关与服务器，因为这两者与设备，存在配套的必要性。当然，通过配置可以整合这三者。但是设备与网关之间配置难度要大于网关与服务器之间配置难度。

大体上，LoRaWAN终端都来自IBM LMiC参考设计，无论是mbed/Arduino都是衍生版本。只是需要根据不同地区和频率进行设计。主要频段包括：

还有其他的一些频段，但是大体上就是这些频段了。

一般公众IoT LPWAN网关已经标准化了。所以采用LMIC参考设计的设备既可以接入，担心是附近没有LoRaWAN基站。所以有个鸡和蛋的关系。

LoRaWAN网关和服务器之间，有若干种连接方式：

采用TLS over TCP，使用MQTT，比较适合网关与服务器之间的通讯。这样，满足了安全性，连接性要求。

在LoRa联盟中，The Things Network (TTN) 是一个经常被提及的网络服务，该公司为诸多LoRaWAN网关提供网络接入托管服务，同时为用户应用提供REST接口。

一般来说，云端算是比较重要的，且耗费开发时间的。但是现在也有开源的设计： >

随着物联网、大数据、AI等技术的发展，我国智慧城市建设正从连接互联网的10时代，向更高效的数据互联的20时代迈进。智慧城市不再只是信息互联网化，而是人工智能化的新型基础设施的集合，比如，智慧城市中的智慧市政（水电煤能源、管网、路灯等）、智慧交通、智慧安监等。

在此背景下，能源、建设、生产、安保等城市经济服务等方面的物联网建设，正在形成下一个风口。据统计，物联网应用市场规模或达万亿级，目前已吸引了腾讯、阿里等互联网巨头以及移动、铁塔、联通等电信企业布局市场。

智慧城市建设迎来新阶段

近年来，我国多个城市开展了智慧城市建设试点，有效改善了公共服务水平，提升了管理能力，促进了城市经济发展。而在信息化后，智慧城市正在进入以智慧化、精细化治理为重要特征的新型智慧城市阶段。

2019年初，西安正式发布《关于加快推进新型智慧城市建设的决定》，明确提出将推进城市的智慧治理，优化城市管理。升级数字城管系统，搭建一体化城市管理平台等。

湖南省日前印发5G应用创新发展三年行动计划指出，到2021年，“5G+”行动计划初见成效，在工业互联网、自动驾驶、超高清视频、网络安全、医疗 健康 、智慧城市、数字乡村、生态环保等重点领域，打造100个以上示范应用场景。

北京市海淀区宣布，2019年上半年，海淀区拨付智慧海淀专项资金33亿元。包括试点搭建“城市大脑”基础平台，运用大数据、云计算和人工智能技术，在大力整合各部门信息化系统的基础上，加快推动城管、交通、环卫、安防、教育、医疗、社区等领域的智能化项目落地等。

中商产业研究院发布的《2019-2024年中国智慧城市建设发展前景与投资分析报告》显示，截至2016年底，国内100%的副省级以上城市、87%的地级以上城市提出了智慧城市计划，前三批智慧城市试点共签约311个城市，重点项目签约总量超过4000个。总计约500多个城市已提出智慧城市发展计划或在建智慧城市，预计总投资规模将达到万亿元级别。

万亿级应用场景显现

近日，在2019深圳国际LoRa物联网高峰论坛上，腾讯云物联网产品中心产品总监石文凭表示，在城市发展升级的进一步需求中，物联网应用市场的规模或达万亿级。

GSMA智库前不久发布的全球物联网市场报告显示，包括连接、应用、平台与服务等多方面，2025年全球物联市场将达到15万亿美元，商业应用更是占据了整个物联网市场的半壁江山。据中国物联网研究发展中心预计，2025年我国物联网产业规模将达2万亿元。

“但碎片化是目前物联网行业面临的问题。”深圳市唯传 科技 有限公司创始人、CEO姚晓海表示，从目前来看，无论应用场景还是客户规模均呈现碎片化，极为分散，因此多终端、多技术的融合将会是物联网的一个大趋势。

姚晓海说，作为智慧城市建设的一个重要方面，以仪器为终端，万物的统计、检测、计量都会基于物联网应用去做管理。同时，由于这种连接并不需要大量的数据传送，只需要在关键时间点进行数据传输，因此低功耗、低成本将是其应用的关键。

具体来看，任何一种无线通信技术都有自己适合的应用场景，LPWAN具有的低功耗、广覆盖、大连接以及低成本等特点，相比于传统的3G、4G、WiFi、ZigBee等通讯技术，更为适用于物联网行业。目前，LPWAN技术尚未形成统一标准，LoRa、NB-IoT、eMTC、Sigfox等都是比较典型的LPWAN技术。其中，作为最早出现的LPWAN技术之一，LoRa的主要优势在于传输距离远、功耗低、大容量以及组网灵活等。

姚晓海介绍说，LoRa的价值在于低功耗、远距离传输以及高度自主的布网能力，适用于对连续覆盖、深度覆盖要求高的场景，同时在一些特定细分场景中，比如偏远或边缘地区，更是有其他通信技术无可比拟的优势。“LoRa的最大特点就是在同样的功耗条件下，比其他无线方式传播的距离扩大3至5倍，实现了低功耗和远距离的统一。”

除了可控距离外，LoRa技术还可大幅度降低建设成本。姚晓海表示，LoRa不需要建设基站，一个网关便可控制较多设备，并且布网方式较为灵活。另外，对比24G和蓝牙、WiFi等技术，LoRa稳定性较高，也较为安全；而基于短距离射频技术和蜂窝基础设施和基于互联网的物联网网络均有数十亿终端分散在各处，造成部分信号难以长距离输送，且安全性有待考量。

姚晓海表示，国内LoRa产业生态正在不断完善，LoRa技术的应用场景也在不断扩充。未来，LoRa必将会在物联网产业中扮演重要角色。据统计，目前全球已有100个国家和地区的网络运营商部署了LoRa网络。

众巨头加速布局

目前，我国互联网巨头也已开启LoRa布局。腾讯方面，腾讯与维传共同成立深圳腾传物联技术有限公司，共建LoRaWAN网络，为各种物联网应用和终端用户（如政府公共服务）提供从设备、边缘到云端的LoRaWAN一体化解决方案。

腾讯云物联网产品中心产品总监石文凭表示，基于LoRa连接技术，腾讯已经在智慧城市、智慧停车、智慧社区、智慧消防等领域进行了规模化的应用。“但物联网的产业链非常长，这不是一家企业所能通吃的，需要各个不同环节的企业合作共赢，才能更好地促进产业发展。”

阿里云方面表示，除了将继续加大在LoRa芯片、IP、支撑平台上的投入外，未来还将全力打造百亿级LoRa连接，尽快实现LoRa的全面普及。阿里云智能IoT总监华璐坷表示，LoRa技术经过数年发展，已经初具规模，产业发展也进入了一个新的阶段。

华璐坷说，阿里提出了一个LoRa20的概念，在LoRa20时代，LoRa的技术特点与应用场景将逐渐转向室内消费级应用，这将会极大规模地促进LoRa的应用范围，未来LoRa将会如WiFi一样在企业中普及。

物联网其实到目前为止也没有一个精确的定义，一般来说，我们认为物联网是传统的互联网向物理世界的一个延伸。通过连接物理世界，使得网络能够更好的为人类服务。物联网能够广泛用在生产和生活的各个方面，产生了如智慧家庭、智慧城市、智慧农业、智慧医疗、智慧环境等一系列相关的应用场景。
涉及的主要技术包括以下几种：
1、传感器网络技术
传感器网络实现了数据的采集、处理和传输三种功能。它与通信技术和计算机技术共同构成信息技术的三大支柱。传感器网络是由各种各样的传感器节点所组成，用以进行信息的收集、传输和处理的网络系统。
作为物联网感知和获取数据信息的重要手段，传感器网络在物联网中发挥着极为重要的作用。无线传感器网络是一项通过无线通信技术把数以万计的传感器节点以自由式进行组织与结合进而形成的网络形式。
无线传感器网络主要由三大部分组成，包括节点、传感网络和用户这3部分。其中，节点一般是通过一定方式将节点覆盖在一定的范围，整个范围按照一定要求能够满足监测的范围；传感网络是最主要的部分，它是将所有的节点信息通过固定的渠道进行收集，然后对这些节点信息进行一定的分析计算，将分析后的结果汇总到一个基站，最后通过卫星通信传输到指定的用户端，从而实现无线传感的要求。
构成传感器节点的单元分别为：数据采集单元、数据传输单元、数据处理单元以及能量供应单元。
（1） 数据采集单元，通常都是采集监测区域内的信息并加以转换，比如温湿度、光照度等；
（2） 数据传输单元则主要以无线通信和交流信息以及发送接收那些采集进来的数据信息为主；
（3） 数据处理单元通常处理的是全部节点的路由协议和管理任务以及定位装置等；能量供应单元为缩减传感器节点占据的面积，会选择微型电池的构成形式。
2、RFID技术
射频识别（Radio Frequency Identification， RFID），是一种利用无线电波进行信息交换与存储的技术，通过无线射频来对电子标签进行读写，以达到自动识别目标以及信息交换目的。
RFID系统通常由读写器、电子标签与数据管理系统组成，其工作原理一般是由读写器在一定范围内发送无线电射频信号，当电子标签接收到读写器所发射的无线电信号时，就会利用感应电流所获得的能量（无源RFID），或者主动发送无线电信号（有源RFID）将标签芯片内所存储的产品信息发送出去，读写器接收到电子标签所发射的信息并解码后，再将这些数据信息反馈至数据管理系统进行数据处理。
RFID系统主要由标签、阅读器和天线三部分组成。一般由阅读器收集到的数据信息传送到后台系统进行处理。
（1）标签：标签由耦合元件及芯片组成，每个电子标签都具有唯一的电子编码，附着在物体上标识目标对象；每个标签都有一个全球唯一的ID号码——UID（用户身份z明），其在制作标签芯片时存放在ROM中，无法修改，其对物联网的发展有着很重要的影响。
（2）阅读器：阅读器是读取或写入标签信息的设备，可设计为手持式或固定式等多种工作方式。对标签进行识别、读取和写入 *** 作，一般情况下会将收集到的数据信息传送到后台系统，由后台系统处理数据信息。
（3）天线：天线是用来在标签和阅读器之间传递射频信号。射频电路中的天线是联系阅读器和电子标签的桥梁，阅读器发送的射频信号能量，通过天线以电磁波的形式辐射到空间，当电子标签的天线进入该空间时，接收电磁波能量，但只能接收其很小的一部分。
3、嵌入式系统技术
嵌入式系统一般是用户针对特殊需求而定制的，能够被内部计算机控制的设备或系统。嵌入式系统往往结合了计算机技术、通信技术以及自动化技术，使得传统的机电产品智能化，并具有故障诊断、自动报警以及信息传输和远程控制等多种功能，用以实现产品使用与管理的信息化、智能化。
由于嵌入式系统体积小、功能强且成本较低等，使其广泛应用于智能家居、车联网等领域。嵌入式系统的核心由一个或多个微处理器或微控制器组成，这些微处理器或微控制器经过预编程以执行一些任务。嵌入式系统上的软件通常是暂时不变的。嵌入式系统需要与应用紧密结合的，它具有很强的专用性，必须结合实际系统需求进行合理的裁减利用。用先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各行业的具体应用相结合的知识集成系统。
从应用角度可分为通用型嵌入式 *** 作系统和专用型嵌入式 *** 作系统。常见的通用型嵌入式 *** 作系统有Linux、VxWorks、Windows >

lora比ZigBee相比的优点如下：

1、通讯距离远（适合半径500m～2km，通信距离大于7000千米，解决了低功耗和远距离不能兼得的难题），低功耗优化的长电池寿命（Aloha方法有数据时才连接，电池工作几年）。

2、低成本（非授权频谱，远距离通讯中成本最低的，无网络的户外）、集中式低频次、数量小（非视频）、长距离数据传输（和传感器集成），组网方便。

3、稳定性也更高（相比2．4G和蓝牙、WiFi等技术）．抗干扰性（协议里面有LBT的功能，基于aloha的方式，有自动的频点跳转和速率自适应功能）。

扩展资料

LoRa模块的缺点

1、频谱干扰。LoRa的发展势头很好，LoRa设备和网络部署的增多，相互之间会出现一定的频谱干扰。

2、需要新建网络。LoRa在布设过程中，需要新建信号塔、工业基站甚至是便携式家庭网关（解决高并发问题，需要强大的接受信息能力以满足巨量节点的要求，网关往往会采用多路同时收发的传输器来满足星型网络结构的要求）。

3、基站建设中速率低，LoRAWAN目前国内标准支持292bps－5．4kbps。

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