物联网导论

（华为云大学笔记）

第一章：初识物联网

1.1 用一杯咖啡的时间初探物联网

• 物联网：基于通信感知技术，拥有无限开发潜能的互联网创新应用，掀起了世界信息产业的第三次浪潮。并将引发生产，生活方式的巨大变革。
• 课程基于华为物联网1+2+1解决方案。
  • 第一个1是华为云，2是两种网关，最后的1指华为的智能终端
• 课程的流程为物联网概述--云管端的课程体系
  1. 云指华为云
  2. 管指网关包括窄带无线/家庭或工业物联网关
  3. 端指带有Huawei LiteOS操作系统/模块的智能终端
• 课程的流程图（markdown中可以支持mermaid）

    graph TD
    物联网概述-->物联网平台OceanConnect-->物联网网关-->物联网操作系统
    物联网平台OceanConnect-->窄带无线通信-->物联网操作系统

• 物联网的发展历程

  1. 起点：1991 年剑桥大学特洛伊计算机学院的一个咖啡壶：编程用摄像头实时查看咖啡的烹煮情况。
  2. 概念提出：1999 年，Kevin Ashton在MIT提出物联网概念
  • 物联网：指依托于RFID(射频识别)技术和设备，按约定的通信协议与互联网结合，使物品信息实现智能化识别和管理，实现物品信息互联，可交换和共享而形成的网络。
  3. 2005年国际电信联盟引用物联网概念
  • 物联网概念不再局限于RFID技术
  4. 2008年IBM提出“智慧地球”概念
  5. 2009年中科院“感知中国”
  6. 2013年德国汉诺威工业展，德国“工业4.0”概念
  7. 2015年“中国制造2025”发布

• 物联网的发展阶段总结

  1. 1999 - 2013 年，物联网停留在概念阶段
  2. 2014 - 2016 年，以谷歌收购Nest为标志, RFID 进化到了智能可穿戴设备，智能家居设备。
  3. 2016年至今，智能家居，智能可穿戴成熟落地，进入日常生活。NB-IoT 技术标准的冻结，标志着广域物联网时代的到来。物联网的各项传输协议（J808, MQTT, CoAP, HTTPS）的标准成熟使得物联网平台架设开始趋于技术成熟。

• 华为云-管-端的逻辑体系

  • 从下到上，物联网平台涵括了感知层，网络层，平台层，应用层。
  • 感知层：负责信息收集和信号处理
  • 网络层：负责终端接入和数据传输
  • 平台层：负责设备通信管理，数据存储，业务规划等
  • 应用层：负责数据呈现及客户交互

• 垂直行业应用划分

  • 公共事业物联网
  • 车联网
  • 工业物联网
  • 智慧家庭物联网
    不同场景的通信协议不一样。

1. 在车联网，视频监控，智能机器等数据传输速率大于10MB/s的应用领域，多采用4G/5G/LTE-V等通信技术，时延低，速率快，功耗较高，成本较高。

2. 智能穿戴设备，梯联网，电子广告，无线ATM等设备，通常采用eMTC, GPRS通信方式。速率~1MB/s, 时延较低，成本与功耗也较低。

3. 远程抄表，智能停车，智慧农业等应用场景，多采用NB-IoT通信技术，速率小于100kbps，成本低，功耗低，覆盖广。

1.2 稳定可靠的有线通讯

物联网的通信技术：有线和无线

• 有限通信技术包括：以太网，RS-232，RS-485，M-Bus，PLC
• 无线通信技术：Wi-Fi, ZigBee, Z-wave, SigFox, NB-IoT, LoRa, 2G/3G/4G/5G

有线通信协议标准

1. 以太网，包括标准-快速-10G以太网三种以太网，也就是通用的网卡通信

2. RS-232和RS-485

   • RS-232 通常包括DB-9, DB-25两种接口，就是9个针脚和25个针脚的端对端接口。
   • RS-485 可以一个对多个，也可以联网，可以接128个并路。
   • RS-232 和 RS-485的三大不同
     1. 传输方式不同。RS-232采用不平衡传输的单端通讯技术。RS-485采用平衡传输，即差分传输方式。
     2. 传输距离不同。RS-232传输距离最长20m左右。而RS-485可以传输几十米甚至上千米
     3. 通信数量不同。RS-232 一对一通信，而RS-485则在总线上最多可以连接128个收发器。

3. M-Bus(多用于抄表系统，又称为Meter Bus)

   • 非电力户用仪表传输的欧洲总线标准，专门为能耗测量仪器，计数器等传送信息的数据总线设计。
   • M-Bus基于OSI参考模型设计
     OSI参考模型是网络通信设计模型的模板，它从底层到高层有七个层次，分别是物理层，链路层，网络层，传输层，会话层，表示层，应用层。M-Bus只对物理层，链路层，网络层和应用层有设计。但M-Bus多了一个管理层，可以实现对任一层次的管理。

   M-Bus满足了远程抄表以及公用事业设备组网的需求，M-Bus总线通讯传输距离可以达到1000米，使用24V供电。串行通信方式，非常适合公用事业仪表的可靠，低成本的组网要求。

4. PLC通信（电力线通信技术）

   • 将信号通过电力服务器加载到高频波段，通过电力线传输到远端，由远端设备将高频信号分离出来，实现通信。它可以将电表的数据传输到电力服务器。也可以实现PC机与计算机外设之间的通信，比如USB设备，信息家电，多媒体设备等。可以将门口监控摄影传输到电视机。

有线通信技术的优缺点

有线通信技术的特点是稳定性强，可靠性高。缺点是受限于传输媒介。

1.3 百家争鸣的无线通讯

1. 蜂窝无线通信技术，即2G/3G/4G通信技术。目前，较多的物联网设备使用2G网络接入，比如共享单车，Pos机等。
2. 短距无线通信技术。蓝牙，Wi-Fi, ZigBee, Z-Wave
   • 蓝牙作为RS-232数据线的替代方案。蓝牙可实现，固定设备，个人设备，楼宇个人域网之间的数据交换。使用2.4-2.485GHZ的ISM波段的无线电波。最高数据传输速率1Mbps。最大传输距离为10cm-10m. 通过增加发射功率可以增大到100米。速率快，低功耗，安全性高。但是网路节点少，不适合大规模组网通信。
   • Wi-Fi: 是一种允许电子设备连接到无线局域网WLAN的技术。通常使用2.4G UHF 或5G SHF ISM射频频段。Wi-Fi覆盖广，传输速率快。但是传输安全性不好，稳定性差，功耗略高。
   • ZigBee 技术。ZigBee 是低功耗，局域网协议。广泛应用于工业和智慧家庭领域。ZigBee具有简单，使用方便，工作可靠，价格低的特点。ZigBee的基站只有不到1000元人民币，而移动基站则价值百万元以上。它可以直接对所连接的传感器进行数据采集和监控，而且可以自动中转其他网络节点传过来的数据，也即自组网。所以很多智能家电的终端都会采用ZigBee进行通信，包括一些物联网网关汇聚的下行命令转发的场景中，都会使用ZigBee通信。ZigBee的缺点是：ZigBee的网络较复杂，不易维护。信号也容易被遮挡物遮挡衰减。
   • Z-Wave 技术。 Z-Wave 是一种新兴的基于射频的低成本，低功耗，高可靠的短距离无线通信技术。在智能家居领域是领头羊。它可以用于住宅，照明商业控制，也可用于抄表，防盗及火灾检测等。覆盖范围室内30m，室外可达100米。Z-Wave的优点：网络结构简单，低功耗，低成本，可靠性高。缺点：标准不开放，速率较低，芯片只能通过Sigma Designs这唯一来源获取。

1.4 万物互联的LPWA

LPWA通信技术

它是低功耗，广域网的通信技术。适用于很多物联网场景，是物联网发展的一个机遇。包含比较常用的sigfox, LoRa, NB-IoT通信技术。

SigFox 通信技术

法国的SigFox公司拥有，面向低功耗，低成本的物联网专用网络。使用了UNB（Ultra Narrow Band）技术，传输的功耗水平非常低，但很稳定，传输速率只有100bps，非常低速，但适合农场之类的场景。网络拓扑是可扩展的高容量的。

SigFox使用免授权的Sub-G的ISM射频频段。根据国家法规不同，频段也不同。欧洲使用868MHz, 美国是915MHz.

LoRa 通信技术

LoRa 是基于开源的MAC层协议的低功耗广域网标准，同时基于亚-GHz的频段使其更容易以较低功耗实现远距离通信。

LoRa是美国公司SamiTech的技术。

NB-IoT通信技术

NB-IoT通信技术是构建于蜂窝网络的窄带物联网。它可以直接部署于移动GSM，联通UMTS，以及LTE网络。它需要运营商授权。可以实现平滑升级。

NB-IoT通信技术具有覆盖广，连接多，速率低，成本低，功耗低，架构优的特点。

应用场景：远程抄表，资产追踪，智能停车，智慧农业等。