对物联网技术系统化、层次化介绍和典型应用场景

蔡 翔

（中国联合网络通信有限公司襄阳市公司，襄阳 441000）

物联网的发展过程当中，是通过物体之间的相互信息交流以及交互来实现物联网的技术发展，在物联网发展过程当中，我国在很多的行业都会运用到相应的互联网感知以及层次的技术。尤其表现在相应的农业生产，农业信息化管理以及现代企业物流管理当中，这些基本的管理是通过物联网的基本信息化功能来实现相应的工作需求和工作发展，物联网技术分为三个层次，应用层以网络平台、数据库为基础通过APP 形式向个人终端提供相应服务。网络层从感知层硬件获取数据并与终端设备相互连接传感。感知硬件包括二维码、红膜扫描传感器，摄像等等，物联网在实现相应功能的时候，会通过相应的传输功能以及信息转化功能实现对社会相应的服务，反馈物联网的服务平台，相较于其他的互联网发展，具有更强大的信息交互以及感知系统的交流。目前主要成熟的领域是农业生产监测、智能运用。安防监控、智能卡等等。

1 物联网技术系统化

1.1 Wi-Fi 技术

在物联网的发展过程当中，其中的Wi-Fi 技术是相应物联网将互联网以及局域网之间的联系来进行相应的连接Wi-Fi 技术可以更好的实现物联网与电子设备以及其他的系统信息之间的信息交互，在我国当前的电子产品发展过程当中，很多的电子产品通过Wi-Fi 技术来实现物联网的技术应用，比如一些电子台灯以及空调等这些相应的电器以及电子产品在使用当中可以通过Wi-Fi技术实现相应的物联网控制，比如对该电器进行开关控制以及温度变化控制等。Wi-Fi 技术在相应的电子技术当中应用比较多，同时也会在相应的农业机械生产当中也有比较明显的应用。

1.2 RFID 技术

射频技术在相应的物联网发展当中处于一种非常重要的地位，射频技术当中关于相应的信息储存是需要通过信息的传递和传输来实现，在射频技术的发展过程当中，根据数据以及信息的读取，然后根据相应的频率和信号的接收，实现对信号的处理和反馈。同时在物联网的发展过程当中，射频技术可以将整理后的数据反馈给二级后台操作，实现相应数据信息储存以及相应数据的控制。

1.3 传感网技术

在相应的物联网传感技术运用当中，需要通过相应的信息传输系统以及感知信息采集方面的功能，是在互联网的传感网技术过程当中实现，通过数据的处理以及单方面的数据以及通信系统的随机分布来实现对内部网格的优化，在物联网的信息处理以及采集过程当中，通过传感网来实现对所有节点的相应连接，在比较复杂的互联网以及互联网环境当中。物联网技术可以将相应的节点与对应的信息接收点进行连接，虽然在信息接收过程当中，外界的环境会对相应的物联网信息传感有一定的干扰，但是由于传感网技术是针对多个单点的部件来进行数据传递，所以受到相应的外界干涉影响比较小，在传感网技术的发展过程当中，通过节点的密集以及相应的分布随机实现相应功能的储存，在物联网的设备使用当中，传感网技术可以对设备类的信息储存以及信息传递起到非常重要的连接作用，通过对信息传输方面的保，保障现物联网基本信息传输功能的实现。

2 物联网技术层次化

物联网架构按层级来划分可分为3个层级： 感知层、网络层、应用层，本文对它们在物联网系统中扮演的角色及作用进行阐述。

2.1 感知层

物联网技术作为系统数据点重要入口，传感器极其重要，传感器之于物联网如同眼睛与之人体，通过传感器去感受身体周边与物理环境，为应用层的数据分析提供依据，传感器分为物理、化学和生物三大类，当前物理类传感器主要是基于力、热、光、电、磁和声等物理效应；化学传感器主要分为离子、生物、气体内的传感器；生物传感器基于酶、抗体和激素等分子识别功能。大量运用在无线传感器，MEMS 传感器等等，能够实现体积小、成本低、功耗小等环境，在微米量级特征下能够实现传统机械传感器难以完成的任务。同时大量运用在无线自组网等中，不需要基站，能够对等结构移动的模式，大量的动态拓展、无中心控制、多跳路的特点。

图1 物联网架构层图

2.2 网络层

第二层是数据传输的网络层，在互联网工作当中，需要通过相应的网络层来实现对数据传输的保护，物联网的相应网络层是通过所有移动移动信号以及相应网络方面的连接来进行网络城市通过感知相应数据库以及传输信号源的数据来进行相应核心技术的保护，互联网在发展当中数据保护以及数据传输都是需要通过网络层来实现快速传输。在网络城的发展当中，会对传感网数据当中的一些基本信息进行储存，同时也可以为用户提供相应的查询功能和分析功能，在传输数据的网络层当中，网络层可以通过传感网器数据来实现对内部信息的挖掘以及理解，同时要通过感知数据的决策行为来实现相应的理论和技术方面理解。在云计算的发展过程当中，物联网与网络层当中的数据储存需要通过复杂的网络层以及传感网数据来实现，云计算平台是我国当前互联网发展当中重要的数据存储技术，一位相应的企业以及社会单位储存相应的数据，而且可以随时进行数据的跳取和修改，实现物联网网络层方面的功能体现。

当前的IOT 工业数据采集等局域网通信，一般采用短距离通信技术，但对于广范围、复杂环境、远距离的连接则需要远距离通信技术。专为低带宽、低功耗、远距离、大量连接的物联网应用而设计，未授权频谱的技术；另一类是工作于授权频谱下的NB-IoT。以 Freescale i.MX287 处理器为核心，ARM9 内核。采用双MiniPCIE 接口设计，满足工业应用，与2G/3G/4G，Wi-Fi，Zigbee 搭配接入通讯，自定义各类网关。

（1）相比于NB-IoT，LoRa 基于Sub-GHz 的频段使其更易以较低功耗远距离通信，可用电池。

（2）较低的数据速率加大了网络容量。

（3）LoRa 信号的波长较长决定了它的穿透力与避障能力。

（4）LoRa 专用网关可以根据现场和客户需求扩展出更多自定义功能，如广告推送，多种网络接入等。

这些适合低成本较大规模部署的企业专项任务重，大量的LoRa 的建设，比如某电子公司的模块、网管的开发，用于车位管理、车流量检测，监测通信等。

图2 各通信技术特点整体对比图

2.3 应用层

物联网的发展过程当中，通过相应应用层的数据来实现，对客户方面的服务，优化服务客户是物联网技术的最终服务群体，客户在使用物联网技术的过程当中需要通过相应的应用层来实现对所有数据的查询以及控制，当然物联网的发展当中不仅仅是关于相关数据的储存与管理，还需要对相应的电子产品进行控制，这种控制是需要相应的应用层方面的功能实现，比如用户需要通过物联网来实现对高速公路etc 方面的控制，同时也需要通过相应的软件以及互联网的开发，不断的通过软件方面的技术来实现对物联网应用实际控制，为客户提供加丰富的物联网基础体验。

3 Wi-Fi、NB-IoT、LoRa、等无线网络技术分析

3.1 Wi-Fi

Wi-Fi 是一种无线连接技术，可用于PC，PDA，手机等终端。Wi-Fi 的目的是改善基于IEEE802.11标准的无线网络产品之间的互通性，但Wi-Fi 不等同无线网络。

Wi-Fi 技术突出的优势在于：

Wi-Fi 技术在运营过程当中有着非常重要的优势，首先是相应无线电波在使用当中覆盖范围较于其他的技术，覆盖范围更广，其次在Wi-Fi 接触的传输过程当中，相应的传输速度可以达到非常高的峰值，最高的峰值可以达到11mbps。这些相应的数据传输速度可以满足当前电子产品以及相应的企业发展当中的数据传输需求。在企业和厂商进行相应的物联网技术应用当中需要建立更加完善的网络热点，通过网络热点来实现，对相应场合的物联网控制，当前我国很多的公共场合都运用到了相应的物联网技术，其中都会对Wi-Fi 技术进行更加规范的应用，尤其是在一些机场火车站以及公共图书馆等地区，这些地区，由于相应的人员比较密集，歪歪技术的使用会受到外界因素的影响，所以通过对Wi-Fi 技术的不断优化，实现Wi-Fi 无线网卡的标准管理，能实现相应的传输速度，提升优化互联网在Wi-Fi 使用当中的应用效果。

3.2 NB-IoT

强链接：在物联网在相应的连接过程当中，具有非常强大的连接功能，再通过同一个物联网基站的使用情况下，窄带物联网可以比相应的Wi-Fi 技术实现50-100倍的连接数字变化，在一个服务区当中可以提供更多的连接点，窄带物联网在实施过程当中相应的延时更低，使用成本更低，而且在低功耗的情况下，为物联网的发展提供更加优秀的网络构架。

高覆盖：NB-IoT 物联网的运用过程当中，可以比基本的LTE 技术实现更强的覆盖能力，在窄带物联网的应用当中，可以实现比LTE 强100倍的覆盖区域能力实现，这样可以实现在我国基层地区大面积覆盖相应物联网技术的应用，尤其是对于一些大型工厂以及相应的大型车库当中运用的物联网技术发展提供相应的信号传输以及信号覆盖功能。

低功耗：与其他的连接技术相比，窄带物联网在相应的发展过程当中相应的工号非常的小，特别是在使用当中会通过相应的电池更换来实现相应工号的使用管理，在比较偏僻的山区安置物联网技术的时候，会通过比较特殊的方式来对相应的电池进行更换，同时保证在窄带物联网的使用当中降低相应的工号以及提升信号传输速率，按照当前窄带物联网的设备管理在发展当中，窄带物联网的相应续航时间可以达到几十年。

低成本：与LoRa 相比，NB-IoT 无需重新建网，射频和天线基本上都是复用的。以中国移动为例，900MHZ 里面有一个比较宽的频带，只需要清出来一部分2G 的频段，就可以直接进行LTE 和NB-IoT 的同时部署。低速率、低功耗、低带宽同样给NB-IoT 芯片以及模块带来低成本优势。模块预期价格不超过5美元。

大部分物联网场景如智能门锁、数据监测等并不需要实时无线联网，仅需近场通信或者通过有线方式便可完成。

3.3 LoRa

LoRa 是LPWAN 通信技术中的一种，是美国Semtech 公司采用和推广的一种基于扩频技术的超远距离无线传输方案。目前，LoRa 主要在全球免费频段运行，包括433、868、915 MHz 等。

图3 lora框架图

（1）天线接受射频信号后，（经过声表面滤波器转换，将电波转换成电信号），得到高频信号。

（2）高频信号需要经过低噪声放大器LNA 处理，将信号放大，同时，信号被转换成差分信号，差分信号经过混频器，和内部振荡源混频，得到正交的中频信号（I/Q）；（滤波器和放大器，把信号转换成ADC 可以识别的范围）。

（3）模拟信号转数字信号：正交中频信号通过ADC 进行模数转换，得到中频数字信号。

（4）降频。

（5）接着整波；（当然也有自动频率校准（AFC）、自动增益控制（AGC））。

（6）降频后的信号经过LoRa 解调器解调，得到基带信号，即原始信号，由原始信号得到数据包。

（7）将数据包放到LoRa 的接收数据缓冲区。

LoRa 的最大特点就是：传输距离远、工作功耗低、组网节点多。发射功率降下来，传播距离近。根本原因是LoRa 提高了接收机的灵敏度，从而拥有超强的链路预算，不需要高发射功率。

应用场景对比

（1）智能三表

在智能三表领域需要低速率的数据传输，频繁的通信和低延迟。由于三表目前都是由电池供电，所以对于超低功耗和长电池寿命需求比较重视，Lora WAN 的Class C 可以实现低延时，并且对于低传输速率和频繁通信的需求，专网十分必要。

LoRaWAN 的ClassC 可以实现低延迟，但是对于高传输速率和频繁通信的需求NB-IoT 是更适合于智能电表的选择。并且电表一般安装在人口密集的地区的固定位置，所以对于运营商部网也较为容易。

Lora 的电表水表燃气表终端为弱终端，易受攻击。目前国内大多数的智能三表还是用NB 来支持的。

（2）智慧农业

农业来说，低功耗低成本的传感器是迫切需要的，湿温度，二氧化碳，盐碱度等传感器的应用对于提高产量，减少水资源消耗有着重要的意义，这些传感器需要定期的上传数据。而且很多偏远的农场或者耕地并没有覆盖蜂窝网络，这个时候Lora 就很适用。

（3）自动化制造

工厂机器的运行需要实时监控，不仅可以保证生产效率还可以通过远程监控提高人工效率。在工厂的自动化制造和生产中，一些场景需要频繁的通信并确保良好的服务质量，这个时候NBIOT 就是比较好的选择；而一些场景需要低成本的传感器配以低功耗和长寿命的电池，Lora 合理。

物联网实施的最终目的是可以通过智能化平台对相关设备进行自动化控制，将传感器与智能化的信息处理技术相结合，通过对收集到的信息进行计算，再利用各种关键技术，对相关管理和操作进行控制，进而满足不同用户的不同需求，不受时间和地域的限从而达到了用户智能化操作的目的。