大型生產(chǎn)場(chǎng)景中涉及大量的設備、生產(chǎn)應用系統、工人和產(chǎn)品，穩定、高速、易管理的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )是必不可少的需求。
工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)主要分為兩類(lèi)：一類(lèi)是ZigBee、WiFi、藍牙等短距離通信技術(shù)；另一類(lèi)是LPWAN（low-power Wide-Area Network），即低功耗廣域網(wǎng)通信技術(shù)。LPWAN又分為兩類(lèi)：一類(lèi)是工作于未授權頻譜的LoRa、SigFox等技術(shù)；另一類(lèi)是工作于授權頻譜下，3GPP支持的2/3/4G蜂窩通信技術(shù)，比如EC-GSM、LTE Cat-m、NB-IoT等。
不同的無(wú)線(xiàn)技術(shù)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(chǎng)景。例如，Sub-1GHz技術(shù)適用于傳輸距離遠、電池供電、須具備強健性的應用環(huán)境；藍牙適合高速、傳輸更多信息、通過(guò)手機控制的狀況；Thread、Wi-Fi等技術(shù)也有各自的優(yōu)勢與適用情境。
下面分別列出了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中最常見(jiàn)的幾種無(wú)線(xiàn)技術(shù)：
ZigBee、藍牙、Lora、NB-IoT、Sigfox，以及最新的WiFi Halow技術(shù)。
ZigBee技術(shù)
ZigBee被正式提出來(lái)是在2003年，它的出現是為了彌補藍牙通信協(xié)議的高復雜、功耗大、距離近、組網(wǎng)規模太小等缺陷。名稱(chēng)取自蜜蜂，蜜蜂(Bee)是靠飛翔和“嗡嗡”(zig)地抖動(dòng)翅膀的“舞蹈”來(lái)與同伴傳遞花粉所在的方位信息，依靠這樣的方式構成了群體中的通信網(wǎng)絡(luò )。
ZigBee可工作在三個(gè)頻段868MHz~868.6MHz、902MHz~928MHz和2.4GHz~2.4835GHz，其中最后一個(gè)頻段世界范圍內通用，16個(gè)信道，為免付費、免申請的無(wú)線(xiàn)電頻段。三個(gè)頻段傳輸速率分別為20kbps、40kbps以及250kbps。
ZigBee是低成本、低功耗、低功率的短距離無(wú)線(xiàn)通信標準，是專(zhuān)為低速率傳感器和控制網(wǎng)絡(luò )而設計的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )規范，具有如下特點(diǎn)：
低功耗：由于ZigBee的傳輸速率低，發(fā)射功率僅為1mW，而且采用了休眠模式，因此ZigBee設備非常省電。據估算，ZigBee設備僅靠?jì)晒?號電池就可以維持長(cháng)達6個(gè)月到2年左右的使用時(shí)間，其他無(wú)線(xiàn)設備望塵莫及。
成本低：ZigBee模塊的初始成本在6美元左右，估計很快就能降到1.5~2.5美元, 并且ZigBee協(xié)議免專(zhuān)利費。
復雜性低：ZigBee協(xié)議的大小一般在4~32KB，而藍牙和WiFi一般都超過(guò)100KB。
時(shí)延短：通信時(shí)延和從休眠狀態(tài)激活的時(shí)延非常短，典型的搜索設備時(shí)延為30ms，休眠激活的時(shí)延是15ms, 活動(dòng)設備信道接入的時(shí)延為15ms。因此ZigBee技術(shù)適用于對時(shí)延要求苛刻的無(wú)線(xiàn)控制(如工業(yè)控制場(chǎng)合等)應用。
網(wǎng)絡(luò )容量大：一個(gè)星型結構的ZigBee網(wǎng)絡(luò )最多可以容納254個(gè)從設備和一個(gè)主設備， 一個(gè)區域內最多可以同時(shí)存在100個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò ), 一個(gè)網(wǎng)絡(luò )中最多可以有65000個(gè)節點(diǎn)連接，網(wǎng)絡(luò )組成靈活。
可靠：采取了碰撞避免策略，為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預留了專(zhuān)用時(shí)隙，避開(kāi)了發(fā)送數據的競爭和沖突。MAC層采用完全確認的數據傳輸模式， 每個(gè)發(fā)送的數據包都必須等待接收方的確認信息。如果傳輸過(guò)程中出現問(wèn)題可以進(jìn)行重發(fā)。
安全：ZigBee提供了基于循環(huán)冗余校驗(CRC)的數據包完整性檢查功能，支持鑒權和認證，采用AES-128的加密算法，各個(gè)應用可以靈活確定其安全屬性。
ZigBee雖然具有低功耗、低成本，低速率、高容量、長(cháng)電池壽命等優(yōu)點(diǎn)，但也有缺點(diǎn)，即抗干擾性差，通信距離短，而且ZigBee協(xié)議沒(méi)有開(kāi)源。
藍牙技術(shù)
藍牙技術(shù)最早始于1994，由電信巨頭愛(ài)立信公司研發(fā)，是在兩個(gè)設備間進(jìn)行無(wú)線(xiàn)短距離通信的最簡(jiǎn)單、最便捷的方法，可實(shí)現固定設備、移動(dòng)設備和樓宇個(gè)人域網(wǎng)之間的短距離數據交換。藍牙技術(shù)被廣泛地用于手機、PDA等移動(dòng)設備，PC、GPS設備，以及大量的無(wú)線(xiàn)外圍設備（藍牙耳機、藍牙鍵盤(pán)等）。
藍牙采用跳頻技術(shù)，通信頻段為2.402GHz~2.480GHz。截止目前為止已經(jīng)更新了10個(gè)版本，分別為藍牙1.0/1.1/1.2/2.0/2.1/3.0/4.0/4.1/4.2/5.0，通信半徑從幾米到幾百米延伸。
相比之前的藍牙4.2甚至更老的版本，藍牙5.0有如下特點(diǎn)：
更快的傳輸速度：速度上限為2Mbps，是之前4.2LE版本的2倍。
更遠的有效距離：有效距離是上一版本的4倍。理論上，藍牙發(fā)射和接收設備之間的有效工作距離可達300米。
導航功能：添加了更多的導航功能，可以作為室內導航信標或類(lèi)似定位設備使用，結合WiFi可以實(shí)現精度小于1米的室內定位。
更多的傳輸功能：增加了更多的數據傳輸功能，硬件廠(chǎng)商可以通過(guò)藍牙5.0創(chuàng )建更復雜的連接系統，比如Beacon或位置服務(wù)。
更低的功耗：大大降低了功耗，人們在使用藍牙的過(guò)程中再也不必擔心待機時(shí)間的問(wèn)題。
藍牙技術(shù)的最大的優(yōu)點(diǎn)是不依賴(lài)于外部網(wǎng)絡(luò )、速率快、低功耗，安全性高。只要有手機和智能設備，就能保持穩定的連接，走到哪連到哪。其缺點(diǎn)是不能直接連接云端，傳輸速度比較慢，組網(wǎng)能力比較弱，而且網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)少，不適合多點(diǎn)布控。
LoRa技術(shù)
LoRa是美國Semtech公司開(kāi)發(fā)和推廣的一種基于擴頻技術(shù)的超遠距離、低功耗無(wú)線(xiàn)傳輸方案，為用戶(hù)提供了一種能實(shí)現遠距離、長(cháng)電池壽命、大容量的簡(jiǎn)單系統，進(jìn)而擴展傳感網(wǎng)絡(luò )。目前LoRa 主要在全球免費頻段運行，工作頻率在美國是915MHz，在歐洲是868MHz，在亞洲是433MHz。其典型范圍是2km至5km，最長(cháng)距離可達15km，具體取決于所處的位置和天線(xiàn)特性。
LoRa技術(shù)具有如下特點(diǎn)：
低功耗：通信距離可達15公里，接受電流僅10mA，睡眠電流200nA，延長(cháng)了電池的使用壽命。
大容量：在建筑密集的城市環(huán)境可以覆蓋2公里左右，而在密度較低的郊區覆蓋范圍可達10公里。
支持測距和定位：LoRa對距離的測量是基于信號的空中傳輸時(shí)間，定位則基于多點(diǎn)(網(wǎng)關(guān))對一點(diǎn)(節點(diǎn))空間傳輸時(shí)間差的測量，定位精度可達5m（假設10km的范圍）。
因此，LoRa技術(shù)非常適于要求低功耗、遠距離、大量連接以及定位跟蹤等的物聯(lián)網(wǎng)應用，如能停車(chē)、車(chē)輛追蹤、智慧工業(yè)、智慧城市、智慧社區等。
LoRa的缺點(diǎn)是傳輸速率慢，通信頻段易受干擾，芯片供應被Semtech壟斷，從底層開(kāi)發(fā)周期較長(cháng)，以及自組網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò )機制較為復雜，因此一般公司不愿研究LoRa技術(shù)，更愿意買(mǎi)模塊直接用。
NB-IoT技術(shù)
NB-IoT（窄帶物聯(lián)網(wǎng)）技術(shù)起源于一家英國新創(chuàng )公司Neul（2014年被華為收購），聚焦于低功耗廣覆蓋物聯(lián)網(wǎng)(IoT)市場(chǎng)。
與使用標準LTE的全部10MHz或20MHz帶寬不同，NB-IoT使用包含12個(gè)15kHz LTE子載波的180kHz寬的資源塊，數據速率在100kb/s到1Mb/s范圍之內。
NB-IoT使用授權頻段，可采取帶內、保護帶或獨立載波等三種部署方式，與現有網(wǎng)絡(luò )共存。
作為一項應用于低速率業(yè)務(wù)的技術(shù)，NB-IoT的優(yōu)勢主要有：
低功耗：NB-IoT犧牲了速率，卻換回了更低的功耗。采用簡(jiǎn)化的協(xié)議，更合適的設計，大幅提升了終端的待機時(shí)間，部分NB終端的待機時(shí)間號稱(chēng)可以達到10年！
低成本：與LoRa相比，NB-IoT無(wú)需重新建網(wǎng)，射頻和天線(xiàn)基本上都可以復用。低速率、低功耗、低帶寬同樣給NB-IoT芯片以及模塊帶來(lái)低成本優(yōu)勢，模塊價(jià)格不超過(guò)5美元。
海量連接：在同一基站的情況下，NB-IoT可比現有無(wú)線(xiàn)技術(shù)提供50~100倍的接入數。一個(gè)扇區能夠支持10萬(wàn)個(gè)連接，支持低延時(shí)敏感度、超低的設備成本、低設備功耗和優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò )架構。
廣覆蓋：NB-IoT室內覆蓋能力強，在同樣的頻段下，NB-IoT比現有的網(wǎng)絡(luò )增益20dB，相當于提升了100倍覆蓋區域的能力。
雖然NB-IoT具有很多優(yōu)點(diǎn)，但其低速數據傳輸、隱私和安全、IT系統的轉換時(shí)間等問(wèn)題，都將限制其發(fā)展。
Sigfox技術(shù)
Sigfox源自法國的Sigfox公司以超窄帶(UNB，Ultra Narrow Band)技術(shù)建設的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，既是一種無(wú)線(xiàn)技術(shù)，也是一種網(wǎng)絡(luò )服務(wù)。
Sigfox工作在868MHz和902MHz的ISM頻段，消耗很窄的帶寬或功耗。
Sigfox無(wú)線(xiàn)電設備采用一種被稱(chēng)為超窄帶(UNB)調制的技術(shù)，偶爾以低數據速率傳送短消息，消息最長(cháng)是12個(gè)字節，一個(gè)節點(diǎn)每天可以傳送的消息數量最多140條。由于是窄帶寬和短消息，因此除了其162dB的鏈路預算外，還可以達到數公里的長(cháng)傳輸距離。對于僅需發(fā)送較小的不頻繁數據的突發(fā)應用，Sigfox是絕佳選擇。
Sigfox的缺點(diǎn)是數據發(fā)送回傳感器/設備（下行鏈路能力）受到嚴重限制，信號干擾也可能成為問(wèn)題。
HaLow技術(shù)
連接不穩，效率不高，時(shí)段時(shí)續，這些一直是WiFi技術(shù)讓人頭疼的問(wèn)題。
HaLow是適合工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用的新版WiFi，代號是802.11ah，它使WiFi可以應用到更多地方，如小尺寸、電池供電的可穿戴設備，同時(shí)也適用于工業(yè)設施內的部署，以及介于兩者之間的應用。
HaLow采用900MHz頻段，低于當前WiFi的2.4GHz和5GHz頻段，更適合小量數據負荷以及低功耗設備。美國使用902MHz至928MHz的免許可頻段， 其它國家使用1GHz以下的類(lèi)似頻段。雖然大多數WiFi設備在理想條件下最大只能達到100m的覆蓋范圍，但HaLow在使用合適天線(xiàn)的情況下可以遠達1km，信號更強，且不容易被干擾。HaLow號稱(chēng)傳輸距離是標準2.4GHz WiFi的兩倍，而且穿墻能力更強。HaLow不適于快速傳輸數據，也不適合網(wǎng)頁(yè)瀏覽（這對物聯(lián)設備影響不大）。另外，900MHz是未經(jīng)授權的頻段，容易受到干擾。
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