物聯網常見通訊協議梳理

小y發表於2017-07-26

1 概述

在上一篇文章《物聯網常見通訊協議與通訊協議梳理【上】-通訊協議》中，對物聯網常用通訊協議和通訊協議作了區分，並對通訊協議進行了分享；本文將對常用的通訊協議進行剖析，重點面向市場上使用率較高的，且又不是諸如TCP/IP之類老生常談的。

2 近距離通訊協議

2.1 RFID

RFID的空中介面通訊協議規範基本決定了RFID的工作型別，RFID讀寫器和相應型別RFID標籤之間的通訊規則，包括：頻率、調製、位編碼及命令集。ISO/IEC制定五種頻段的空中介面協議。

（1）ISO/IEC 18000-1《資訊科技－基於單品管理的射頻識別－第1部分：參考結構和標準化的引數定義》。它規範空中介面通訊協議中共同遵守的讀寫器與標籤的通訊參數列、智慧財產權基本規則等內容。這樣每一個頻段對應的標準不需要對相同內容進行重複規定。

（2）ISO/IEC 18000-2《資訊科技－基於單品管理的射頻識別－第2部分：135KHz以下的空中介面通訊用引數》。它規定在標籤和讀寫器之間通訊的物理介面，讀寫器應具有與Type A(FDX)和Type B(HDX)標籤通訊的能力；規定協議和指令再加上多標籤通訊的防碰撞方法。

（3）ISO/IEC 18000-3《資訊科技－基於單品管理的射頻識別－第3部分：引數空中介面通訊在13.56MHz》。它規定讀寫器與標籤之間的物理介面、協議和命令再加上防碰撞方法。關於防碰撞協議可以分為兩種模式，而模式1又分為基本型與兩種擴充套件型協議（無時隙無終止多應答器協議和時隙終止自適應輪詢多應答器讀取協議）。模式2採用時頻複用FTDMA協議，共有8個通道，適用於標籤數量較多的情形。

（4）ISO/IEC 18000-4《資訊科技－基於單品管理的射頻識別－第4部分：2.45 GHz空中介面通訊用引數》。它規定讀寫器與標籤之間的物理介面、協議和命令再加上防碰撞方法。該標準包括兩種模式，模式1是無源標籤工作方式是讀寫器先講；模式2是有源標籤，工作方式是標籤先講。

（5）ISO/IEC 18000-6《資訊科技－基於單品管理的射頻識別－第6部分：860 MHz - 960 MHz空中介面通訊引數》。它規定讀寫器與標籤之間的物理介面、協議和命令再加上防碰撞方法。它包含TypeA、TypeB和TypeC三種無源標籤的介面協議，通訊距離最遠可以達到10m。其中TypeC是由EPCglobal起草的，並於2006年7月獲得批准，它在識別速度、讀寫速度、資料容量、防碰撞、資訊保安、頻段適應能力、抗干擾等方面有較大提高。2006年遞交V4.0草案，它針對帶輔助電源和感測器電子標籤的特點進行擴充套件，包括標籤資料儲存方式和互動命令。帶電池的主動式標籤可以提供較大範圍的讀取能力和更強的通訊可靠性，不過其尺寸較大，價格也更貴一些。

（6）ISO/IEC 18000-7《資訊科技－基於單品管理的射頻識別－第7部分：433 MHz有源空中介面通訊引數》。它規定讀寫器與標籤之間的物理介面、協議和命令再加上防碰撞方法。有源標籤識讀範圍大，適用於大型固定資產的跟蹤。屬於有源電子標籤。

此外，還有3個常用的RFID協議：

（1）ISO/IEC 14443《識別卡—無觸點積體電路卡—鄰近卡》

國際標準ISO 14443定義了兩種訊號介面：TypeA和TypeB。ISO 14443A和B互不相容。

一、ISO 14443 TypeA

ISO 14443 TypeA

(也稱ISO 14443A)一般用於門禁卡、公交卡和小額儲值消費卡等，具有較高的市場佔有率。

舉例：

1）MIFARE ULtralight(MFO ICU1X):國內常稱U10。此晶片沒有加密功能，只能系統加密，記憶體是64個位元組，典型應用：廣深高速火車票。(另：MIFARE ULtralight C，也叫U20，此晶片可以加密，記憶體是192個位元組)。這兩個晶片的內碼位數都是一樣的，不過內碼資料時不同的。(國內相容晶片有FM11RF005記憶體64個位元組、BL75R12記憶體64個位元組等)

2）MIFARE Std 1k(MF1 IC S50)：國內常稱MF1 S50。主要應用在一卡通方面。記憶體1KB，有16個扇區，每個扇區有4個塊，每個塊16個位元組。初始密碼是12個F。(國內相容晶片有FM11R08、ISSI4439、TKS50、BL75R06等)

3）MIFARE Std 4k(MF1 IC S70)：國內常稱為MF1 S70。主要應用在一卡通方面。記憶體4KB，共40個扇區，前面32個扇區跟S50一樣，每個扇區有4個塊，後面8個扇區是16個塊，每個塊都是16個位元組。初始密碼是12個F。(國內相容晶片有ISSI4469、FM11RF32以及華大的S70)。

4）Mifare DESFire 4k(MF3 IC D41/D40)：國內常稱為MF3。典型應用：南京地鐵。

5）SHC1102：上海華虹生產。典型應用：上海一卡通。

二、ISO 14443 TypeB

ISO14443B由於加密係數比較高，更適合於CPU卡，一般用於身份證、護照、銀聯卡等，目前的第二代電子身份證採用的標準是ISO 14443 TypeB協議。

舉例：

1）SR176：瑞士意法半導體(ST)生產。

2）SRIX4K：瑞士意法半導體(ST)生產。

3）THR1064:北京同方生產。典型應用：奧運門票。

4）AT88RF020:美國愛特梅爾(ATMIL)生產。典型應用：廣州地鐵卡。

5）第二代居民身份證：上海華虹、北京同方THR9904、天津大塘和北京華大生產。

（2）ISO/IEC 15693《識別卡—無接觸點積體電路卡—近距卡》

ISO 14443A/B的讀寫距離通常在10cm以內，應用較廣。但ISO 15693的讀寫距離可以達到1m，應用較靈活，與ISO 18000-3相容(我國的國家標準很多與ISO 18000大部分相容)。

舉例：

1）ICODE SLI(SL2ICS20):國內常稱ICODE 2(記憶體是1Kbit)，此型號常用。國內相容有BL75R05、FM1302N。(另：ICODE SLI-S記憶體是2048bit，ICODE SLI-L記憶體是512bit，這兩款晶片在國內不常用。)

2）Tag-it HF-1 Plus:國內常稱Tl2048,美國德州儀器公司(簡稱TI公司)生產。

3）EM4135：瑞士EM生產。

4）BL75R04：上海貝嶺生產以及FM1302T(復旦生產)，相容TI公司的Tag-it HF-1 Plus。

（3）ISO 18092《資訊科技系統間近距離無線通訊及資訊交換的介面和協議》

NFC協議，對近距離無線通訊技術進行了一些規範。NFC屬於RFID範疇，但又與RFID有一些區別，因此本文將單獨一小節對NFC進行闡述。

2.2 NFC

2.2.1 NFC概述

近距離無線通訊NFC是Near Field Communication縮寫，即近距離無線通訊技術，是一種短距離的高頻無線通訊技術，允許電子裝置之間進行非接觸式點對點資料傳輸（在10釐米內）交換資料。

NFC提供了一種簡單、觸控式的解決方案，可以讓消費者簡單直觀地交換資訊、訪問內容與服務。這個技術由免接觸式射頻識別（RFID）演變而來，並向下相容RFID，最早由Philips、Nokia和Sony主推，主要可能用於手機等手持裝置中。由於近場通訊具有天然的安全性，因此，NFC技術被認為在手機支付等領域具有很大的應用前景。NFC將非接觸讀卡器、非接觸卡和點對點（Peer-to-Peer）功能整合進一塊單晶片，為消費者的生活方式開創了不計其數的全新機遇。

這是一個開放介面平臺，可以對無線網路進行快速、主動設定，也是虛擬聯結器，服務於現有蜂窩狀網路、藍芽和無線802.11裝置。和RFID不同，NFC採用了雙向的識別和連線。在20cm距離內工作於13.56MHz頻率範圍。它能快速自動地建立無線網路，為蜂窩裝置、藍芽裝置、Wi-Fi裝置提供一個“虛擬連線”，使電子裝置可以在短距離範圍進行通訊。

2.2.2 NFC技術原理

NFC的裝置可以在主動或被動模式下交換資料。

在被動模式下，啟動NFC通訊的裝置，也稱為NFC發起裝置(主裝置)，在整個通訊過程中提供射頻場。它可以選擇106kbps、212kbps或424kbps其中一種傳輸速度，將資料傳送到另一臺裝置。另一臺裝置稱為NFC目標裝置(從裝置)，不必產生射頻場，而使用負載調製(load modulation)技術，即可以相同的速度將資料傳回發起裝置。移動裝置主要以被動模式操作，可以大幅降低功耗，並延長電池壽命。電池電量較低的裝置可以要求以被動模式充當目標裝置，而不是發起裝置。

在主動模式下，每臺裝置要向另一臺裝置傳送資料時，都必須產生自己的射頻場。這是對等網路通訊的標準模式，可以獲得非常快速的連線設定。

2.2.3 NFC應用

NFC技術的應用可以分為四種基本的類別：

（1）接觸通過(TouchandGo)，如門禁管制、車票和門票等，使用者只需攜帶儲存著票證或門控密碼的移動裝置靠近讀取裝置即可。

（2）接觸確認(TouchandConfirm)，如移動支付，使用者通過輸入密碼或者僅是接受交易，確認該次交易行為。

（3）接觸連線(TouchandConnect)，如把兩個內建NFC的裝置相連線，進行點對點資料傳輸，例如下載音樂、圖片互傳和同步交換通訊簿等。

（4）接觸瀏覽(TouchandExplore)，NFC裝置可以提供一種以上有用的功能，消費者將能夠通過瀏覽一個NFC裝置，瞭解提供的是何種功能和服務。

2.3 Bluetooth

2.3.1 起源

藍芽的名字來源於10世紀丹麥國王Harald Blatand -英譯為Harold Bluetooth(因為他十分喜歡吃藍梅,所以牙齒每天都帶著藍色)。他將當時的瑞典、芬蘭與丹麥統一起來。用他的名字來命名這種新的技術標準，含有將四分五裂的局面統一起來的意思。

1998年5月，愛立信、諾基亞、東芝、IBM和英特爾公司等五家著名廠商，在聯合開展短程無線通訊技術的標準化活動時提出了藍芽技術，其宗旨是提供一種短距離、低成本的無線傳輸應用技術。

2.3.2 藍芽技術的規範及特點

藍芽技術是一種無線資料與語音通訊的開放性全球規範，工作在全球通用的2.4GHz ISM(即工業、科學、醫學）頻段，標準是IEEE802.15，工作在2.4GHz頻帶，頻寬為1Mb/s。

它以低成本的近距離無線連線為基礎，為固定與移動裝置通訊環境建立一個特別連線。以時分方式進行全雙工通訊，其基帶協議是電路交換和分組交換的組合。一個跳頻頻率傳送一個同步分組，每個分組佔用一個時隙，使用擴頻技術也可擴充套件到5個時隙。同時，藍芽技術支援1個非同步資料通道或3個併發的同步話音通道，或1個同時傳送非同步資料和同步話音的通道。每一個話音通道支援64kb/s的同步話音；非同步通道支援最大速率為721kb/s，反向應答速率為57. 6 kb/s的非對稱連線，或者是432. 6 kb/s的對稱連線。

依據發射輸出電平功率不同，藍芽傳輸有3種距離等級：

Class1為100m左右；

Class2約為10m；

Class3約為2-3m。

一般情況下，其正常的工作範圍是10m半徑之內。在此範圍內，可進行多臺裝置間的互聯。

2.3.3 藍芽版本

目前藍芽發展到了藍芽5.0：

下面對現階段主要版本藍芽技術的特性做一個詳細的介紹：

一、版本1.1

傳輸率約在748~810kb/s，因是早期設計，容易受到同頻率之間的類似通訊產品干擾，影響通訊質量。這個初始版本支援Stereo音效的傳輸要求，但只能夠以（單工）方式工作，加上頻寬頻率響應等指標不理想，並未算是最好的Stereo傳輸工具。

二、版本1.2

同樣是只有748~810kb/s的傳輸率，但增加了(改善Software)抗干擾跳頻功能。支援Stereo音效的傳輸要求，但只能夠作（單工）方式工作，加上頻寬頻率響應還是不理想，也不能作為立體聲（Stereo）傳輸工具。

三、版本2.0

2.0是1.2的改良提升版，傳輸率約在1.8M/s~2.1M/s，可以有（雙工）的工作方式。即一邊作語音通訊，同時亦可以傳輸檔案/高質素圖片，2.0版本當然也支援Stereo運作。隨後藍芽2.0版本的晶片，增加了Stereo譯碼晶片，則連A2DP（Advanced Audio Distribution Profile）也可以不需要了。

四、版本2.1

為了改善藍芽技術存在的問題，藍芽SIG組織（Special Interest Group）推出了Bluetooth 2.1+EDR版本的藍芽技術。改善裝置配對流程：以往在連線過程中，需要利用個人識別碼來確保連線的安全性，而改進過後的連線方式則是會自動使用數字密碼來進行配對與連線，舉例來說，只要在手機選項中選擇連線特定裝置，在確定之後，手機會自動列出當前環境中可使用的裝置，並且自動進行連結；而短距離的配對方面：也具備了在兩個支援藍芽的手機之間互相進行配對與通訊傳輸的NFC（Near Field Communication）機制；更佳的省電效果：藍芽2.1版加入了SniffSubrating的功能，透過設定在2個裝置之間互相確認訊號的傳送間隔來達到節省功耗的目的。藍芽2.1將裝置之間相互確認的訊號傳送時間間隔從舊版的0.1秒延長到0.5秒左右，如此可以讓藍芽晶片的工作負載大幅降低，也可讓藍芽可以有更多的時間可以徹底休眠。根據官方的報告，採用此技術之後，藍芽裝置在開啟藍芽聯機之後的待機時間可以有效延長5倍以上，開始支援全雙工通訊模式。

五、版本3.0+HS

2009年4月21日，藍芽技術聯盟(BluetoothSIG)正式頒佈了新一代標準規範"BluetoothCoreSpecificationVersion3.0HighSpeed"(藍芽核心規範3.0版高速)，藍芽3.0的核心是"Generic Alternate MAC/PHY"(AMP)，這是一種全新的交替射頻技術，允許藍芽協議棧針對任一任務動態地選擇正確射頻。最初被期望用於新規範的技術包括802.11以及UMB，但是新規範中取消了UMB的應用。作為新版規範，藍芽3.0的傳輸速度自然會更高，而祕密就在802.11無線協議上。通過整合"802.11PAL"(協議適應層)，藍芽3.0的資料傳輸率提高到了大約24Mbps(即可在需要的時候呼叫802.11WI-FI用於實現高速資料傳輸)，是藍芽2.0的八倍，可以輕鬆用於錄影機至高清電視、PC至PMP、UMPC至印表機之間的資料傳輸。功耗方面，通過藍芽3.0高速傳送大量資料自然會消耗更多能量，但由於引入了增強電源控制(EPC)機制，再輔以802.11，實際空閒功耗會明顯降低，藍芽裝置的待機耗電問題有望得到初步解決。此外，新的規範還具備通用測試方法(GTM)和單向廣播無連線資料(UCD)兩項技術，並且包括了一組HCI指令以獲取金鑰長度。據稱，配備了藍芽2.1模組的PC理論上可以通過升級韌體讓藍芽2.1裝置也支援藍芽3.0。聯盟成員已經開始為裝置製造商研發藍芽3.0解決方案。

六、藍芽4.0

（1）簡介

藍芽4.0為藍芽3.0的升級標準藍芽4.0最重要的特性是省電，極低的執行和待機功耗可以使一粒鈕釦電池連續工作數年之久。此外，低成本和跨廠商互操作性，3毫秒低延遲、AES-128加密等諸多特色，可以用於計步器、心律監視器、智慧儀表、感測器物聯網等眾多領域，大大擴充套件藍芽技術的應用範圍。

（2）主要特點

藍芽4.0是藍芽3.0+HS規範的補充，專門面向對成本和功耗都有較高要求的無線方案，可廣泛用於衛生保健、體育健身、家庭娛樂、安全保障等諸多領域。它支援兩種部署方式：雙模式和單模式。雙模式中，低功耗藍芽功能整合在現有的經典藍芽控制器中，或再在現有經典藍芽技術(2.1+EDR/3.0+HS)晶片上增加低功耗堆疊，整體架構基本不變，因此成本增加有限。

Single mode只能與BT4.0互相傳輸無法向下相容（與3.0/2.1/2.0無法相通）；Dual mode可以向下相容可與BT4.0傳輸也可以跟3.0/2.1/2.0傳輸。單模式面向高度整合、緊湊的裝置，使用一個輕量級連線層(Link Layer)提供超低功耗的待機模式操作、簡單裝置恢復和可靠的點對多點資料傳輸，還能讓聯網感測器在藍芽傳輸中安排好低功耗藍芽流量的次序，同時還有高階節能和安全加密連線。

（3）優點

藍芽4.0將三種規格集一體，包括傳統藍芽技術、高速技術和低耗能技術，與3.0版本相比最大的不同就是低功耗。“4.0版本的功耗較老版本降低了90%，更省電，“隨著藍芽技術由手機、遊戲、耳機、便攜電腦和汽車等傳統應用領域向物聯網、醫療等新領域的擴充套件，對低功耗的要求會越來越高。4.0版本強化了藍芽在資料傳輸上的低功耗效能。”

七、藍芽4.1

（1）簡介

如果說藍芽4.0主打的是省電特性的話，那麼此次升級藍芽4.1的關鍵詞應當是IOT（全聯網），也就是把所有裝置都聯網的意思。為了實現這一點，對通訊功能的改進是藍芽4.1最為重要的改進之一。

（2）主要特點

1）批量資料的傳輸速度

首當其衝的就是批量資料的傳輸速度，大家知道藍芽的傳輸速率一直非常渣，與已經跨入千兆的Wi-Fi相比毫無可比性。所以藍芽4.1在已經被廣泛使用的藍芽4.0 LE基礎上進行了升級，使得批量資料可以以更高的速率傳輸。當然這並不意味著可以用藍芽高速傳輸流媒體視訊，這一改進的主要針對的還是剛剛興起的可穿戴裝置。例如已經比較常見的健康手環，其傳送出的資料流並不大，通過藍芽4.1能夠更快速地將跑步、游泳、騎車過程中收集到的資訊傳輸到手機等裝置上，使用者就能更好地實時監控運動的狀況，這是很有用處的。在藍芽4.0時代，所有采用了藍芽4.0 LE的裝置都被貼上了“Bluetooth Smart”和“Bluetooth SmartReady”的標誌。其中Bluetooth Smart Ready裝置指的是PC、平板、手機這樣的連線中心裝置，而Bluetooth Smart裝置指的是藍芽耳機、鍵鼠等擴充套件裝置。之前這些裝置之間的角色是早就安排好了的，並不能進行角色互換，只能進行1對1連線。而在藍芽4.1技術中，就允許裝置同時充當“Bluetooth Smart”和“Bluetooth Smart Ready”兩個角色的功能，這就意味著能夠讓多款裝置連線到一個藍芽裝置上。舉個例子，一個智慧手錶既可以作為中心樞紐，接收從健康手環上收集的運動資訊的同時，又能作為一個顯示裝置，顯示來自智慧手機上的郵件、簡訊。藉助藍芽4.1技術智慧手錶、智慧眼鏡等裝置就能成為真正的中心樞紐。

2）通過IPV6連線到網路

除此之外，可穿戴裝置上網不易的問題，也可以通過藍芽4.1進行解決。新標準加入了專用通道允許裝置通過IPv6聯機使用。舉例來說，如果有藍芽裝置無法上網，那麼通過藍芽4.1連線到可以上網的裝置之後，該裝置就可以直接利用IPv6連線到網路，實現與WiFi相同的功能。儘管受傳輸速率的限制，該裝置的上網應用有限，不過同步資料、收發郵件之類的操作還是完全可以實現的。這個改進的好處在於感測器、嵌入式裝置只需藍芽便可實現連線手機、連線網際網路，相對而言WiFi多用於連線網際網路，在連線裝置方面效果一般，無法做到藍芽的功能。未來隨著物聯網逐漸走進我們的生活，無線傳輸在日常生活中的地位也會越來越高，藍芽作為普及最廣泛的傳輸方式，將在“物聯網”中起到不可忽視的作用。不過，藍芽完全適應IPv6則需要更長的時間，所以就要看晶片廠商如何幫助藍芽裝置增加IPv6的相容性了。

3）簡化裝置連線

在各大手機廠商以及PC廠商的推動下，幾乎所有的移動裝置和膝上型電腦中都裝有藍芽的模組，使用者對於藍芽的使用也比較多。不過仍有大量使用者覺得藍芽使用起來很麻煩，歸根結底還是藍芽裝置較為複雜的配對、連線造成的。試想一下，如果與手機連線的智慧手錶，每次斷開連線後，都得在設定介面中手動選擇一次才能重新連線，這就非常麻煩了。之前解決這一問題的方法是廠商在兩個藍芽裝置中都加入NFC晶片，通過NFC近場通訊的方式來簡化重新配對的步驟，這本是個不錯的思路。只是搭載NFC晶片的產品不僅數量少，而且價格偏高，非常小眾。

藍芽4.1針對這點進行了改進，對於裝置之間的連線和重新連線進行了很大幅度的修改，可以為廠商在設計時提供更多的設計許可權，包括設定頻段建立或保持藍芽連線，這以改變使得藍芽裝置連線的靈活性有了非常明顯的提升。兩款帶有藍芽4.1的裝置之前已經成功配對，重新連線時只要將這兩款裝置靠近，即可實現重新連線，完全不需要任何手動操作。舉個例子，以後使用藍芽4.1的耳機時，只要開啟電源開關就行了，不需要在手機上進行操作，非常的簡單。

4）與4G和平共處

在行動通訊領域，近期最火的話題莫過於4G了，已經成為全球無線通訊網路一個不可逆轉的發展趨勢。而藍芽4.1也專門針對4G進行了優化，確保可以與4G訊號和平共處，這個改進被藍芽技術聯盟稱為“共存性”。可能大家會覺得疑惑，手機網路訊號和藍芽不是早就共存了麼，為什麼藍芽4.1還要特別針對這點改進呢？這是因為在實際的應用中，如果這兩者同時傳輸資料，那麼藍芽通訊就可能受到手機網路訊號的干擾，導致傳輸速率的下降。因此在全新的藍芽4.1標準中，一旦遇到藍芽4.1和4G網路同時在傳輸資料的情況，那麼藍芽4.1就會自動協調兩者的傳輸資訊，從而減少其它訊號對藍芽4.1的干擾，使用者也就不用擔心傳輸速率下降的問題了。

5）藍芽4.1提供的增強功能

包括：

AES加密技術提供更安全的連線。該功能使無線耳機更加適用於政府、醫療及銀行等安全至上的應用領域。

可通過專屬Bluetooth Smart遠端遙控器操控耳機、揚聲器及條形音響，並支援同步播放源於另一個完全不同裝置的音訊流。

八、藍芽4.2標準

2014年12月4日，藍芽4.2標準頒佈，改善了資料傳輸速度和隱私保護程度，可直接通過IPv6和6LoWPAN接入網際網路。在新的標準下藍芽訊號想要連線或者追蹤使用者裝置必須經過使用者許可，否則藍芽訊號將無法連線和追蹤使用者裝置。

速度方面變得更加快速，兩部藍芽裝置之間的資料傳輸速度提高了2.5倍，因為藍芽智慧（Bluetooth Smart）資料包的容量提高，其可容納的資料量相當於此前的10倍左右。

九、藍芽5.0協議

於美國時間2016年6月16日在倫敦正式釋出,為現階段最高階的藍芽協議標準。藍芽5.0有以下特點：

（1）更快的傳輸速度

藍芽5.0的開發人員稱，新版本的藍芽傳輸速度上限為2Mbps，是之前4.2LE版本的兩倍。當然，你在實際生活中是不太可能達到這個極限速度的，但是仍然可以體驗到顯著的速度提升。

（2）更遠的有效距離

藍芽5.0的另外一個重要改進是，它的有效距離是上一版本的4倍，因此在理論上，當你拿著手機站在距離藍芽音響300米的地方，它還是會繼續放著你愛的歌。也就是說，理論上，藍芽發射和接收裝置之間的有效工作距離可達300米。當然，實際的有效距離還取決於你使用的電子裝置。

（3）導航功能

藍芽5.0將新增更多的導航功能，因此該技術可以作為室內導航信標或類似定位裝置使用，結合Wi-Fi可以實現精度小於1米的室內定位。舉個例子，如果你是路痴，你仍可以使用藍芽技術，在諾大的商業中心找到路。

（4）物聯網功能

物聯網還在持續火爆，因此，藍芽5.0針對物聯網進行了很多底層優化，力求以更低的功耗和更高的效能為智慧家居服務。

（5）升級硬體

此前的一些藍芽版本更新只要求升級軟體，但藍芽5.0很可能要求升級到新的晶片。不過，舊的硬體仍可以相容藍芽5.0，你就無法享用其新的效能了。搭載藍芽5.0晶片的旗艦級手機將於2017年問世，相信中低端手機也將陸陸續續內建藍芽5晶片。蘋果將為成為第一批使用該項技術的廠商之一。

（6）更多的傳輸功能

全新的藍芽5.0能夠增加更多的資料傳輸功能，硬體廠商可以通過藍芽5.0建立更復雜的連線系統，比如Beacon或位置服務。因此通過藍芽裝置傳送的廣告資料可以傳送少量資訊到目標裝置中，甚至無需配對。

（7）更低的功耗

眾所周知，藍芽是智慧手機的必備功能，隨著智慧裝置和移動支付等越來越多需要開啟藍芽，才能享受便利功能逐漸融入人們的生活之中，藍芽的功耗成為了智慧手機待機時間的一大殺手。為此藍芽5.0將大大降低了藍芽的功耗，使人們在使用藍芽的過程中再也不必擔心待機時間短的問題。

（8）真正支援無損傳輸

支援24bit/192KHz的無損音源傳輸，對現有的Wi-Fi高保真無損音訊傳輸形成有效威脅。

2.3.4藍芽匹配規則

兩個藍芽裝置在進行通訊前，必須將其匹配在一起，以保證其中一個裝置發出的資料資訊只會被經過允許的另一個裝置所接受。藍芽技術將裝置分為兩種：主裝置和從裝置。

（1）藍芽主裝置

主裝置一般具有輸入端。在進行藍芽匹配操作時，使用者通過輸入端可輸入隨機的匹配密碼來將兩個裝置匹配。

藍芽手機、安裝有藍芽模組的PC等都是主裝置。（例如：藍芽手機和藍芽PC進行匹配時，使用者可在藍芽手機上任意輸入一組數字，然後在藍芽PC上輸入相同的一組數字，來完成這兩個裝置之間的匹配。）

（2）藍芽從裝置

從裝置一般不具備輸入端。因此從裝置在出廠時，在其藍芽晶片中，固化有一個4位或6位數字的匹配密碼。藍芽耳機、UD數碼筆等都是從裝置。（例如：藍芽PC與UD數碼筆匹配時，使用者將UD筆上的藍芽匹配密碼正確的輸入到藍芽PC上，完成UD筆與藍芽PC之間的匹配。）

注意事項：

主裝置與主裝置之間、主裝置與從裝置之間，是可以互相匹配在一起的；而從裝置與從裝置是無法匹配的。

例如：藍芽PC與藍芽手機可以匹配在一起；藍芽PC也可以與UD筆匹配在一起；而UD筆與UD筆之間是不能匹配的。

一個主裝置，可匹配一個或多個其他裝置。例如：一部藍芽手機，一般只能匹配7個藍芽裝置。而一臺藍芽PC，可匹配十多個或數十個藍芽裝置。

在同一時間，藍芽裝置之間僅支援點對點通訊。

2.3.5 藍芽應用

藍芽技術可以應用於日常生活的各個方面，例如，引入藍芽技術，就可以去掉行動電話與膝上型電腦之間的令人討厭的連線電纜而而通過無線使其建立通訊。

印表機、PDA、桌上型電腦、傳真機、鍵盤、遊戲操縱桿以及所有其它的數字裝置都可以成為藍芽系統的一部分。

3 遠距離蜂窩通訊協議

遠距離蜂窩通訊協議主要是2/3/4/5G、NB-IoT等技術下的各電信運營商採用的制式、協議，在這裡就不再多為電信運營商和大裝置商們搖旗了。

4 遠距離非蜂窩通訊協議

4.1 ZigBee

4.1.1 ZigBee簡介

ZigBee這個名字來源於蜂群的通訊方式：蜜蜂之間通過跳Zigzag形狀的舞蹈來互動訊息，以便共享食物源的方向、位置和距離等資訊。藉此意義Zigbee作為新一代無線通訊技術的命名。

ZigBee是一種高可靠的無線數傳網路，類似於CDMA和GSM網路。ZigBee數傳模組類似於行動網路基站。ZigBee是一個由可多到65000個無線數傳模組組成的一個無線網路平臺，在整個網路範圍內，每一個網路模組之間可以相互通訊，每個網路節點間的距離可以從標準的75m無限擴充套件。通訊距離從標準的75m到幾百米、幾公里，並且支援無限擴充套件（依靠節點數增加）。與行動通訊的CDMA網或GSM網不同的是，ZigBee網路主要是為工業現場自動化控制資料傳輸而建立，因而，它必須具有簡單，使用方便，工作可靠，價格低的特點；而行動通訊網主要是為語音通訊而建立，每個基站價值一般都在幾十萬甚至上百萬元人民幣，而每個ZigBee網路“基站”（節點）卻不到1000元人民幣。

4.1.2 技術特點

ZigBee是一種無線連線,可工作在2.4GHz(全球流行)、868MHz(歐洲流行)和915 MHz(美國流行)3個頻段上,分別具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的傳輸速率,它的傳輸距離在10-75m的範圍內,但可以繼續增加。

作為一種無線通訊技術,ZigBee具有如下特點:

(1)低功耗

(2)成本低

(3)時延短

(4)網路容量大

(5)可靠

(6)安全

4.1.3 ZigBee協議棧

ZigBee協議棧結構是基於標準OSI七層模型的，包括高層應用規範、應用匯聚層、網路層、媒體接入層和物理層，如下圖所示。

IEEE 802.15.4定義了兩個物理層標準，分別是2.4GHz物理層和868/915MHz物理層。兩者均基於直接序列擴頻（DSSS）技術。

868MHz只有一個通道，傳輸速率為20kb/s；902MHz～928MHZ頻段有10個通道，通道間隔為2MHz，傳輸速率為40kb/s。以上這兩個頻段都採用BPSK調製。

2.4GHz～2.4835 GHz頻段有16個通道，通道間隔為5MHz，能夠提供250kb/s的傳輸速率，採用O-QPSK調製。

為了提高傳輸資料的可靠性，IEEE 802.15.4定義的媒體接入控制（MAC）層採用了CSMA-CA和時隙CSMA-CA通道接入方式和完全握手協議。

應用匯聚層主要負責把不同的應用對映到ZigBee網路上，主要包括安全與鑑權、多個業務資料流的會聚、裝置發現和業務發現。

4.1.4 應用領域

（1）家庭和建築物的自動化控制：照明、空調、窗簾等傢俱裝置的遠端控制；

（2）消費性電子裝置：電視、DVD、CD機等電器的遠端遙控。

（3）PC外設：無線鍵盤、滑鼠、遊戲操縱桿等；

（4）工業控制：使資料的自動採集、分析和處理變得更加容易；

（5）醫療裝置控制：醫療感測器、病人的緊急呼叫按鈕等；

（6）互動式玩具。

4.2 LoRa

LoRa™(Long Range，遠距離)是一種調製技術，與同類技術相比，提供更遠的通訊距離。由於LoRa調製是物理層（PHY），因此也可將其用於不同的協議和不同網路架構（如Mesh、Star、點對點）等等。可以將LoRa概括為以下幾種協議：

（1）LoRaWAN協議

（2）CLAA網路協議

（3）LoRa私有網路協議

（4）LoRa資料透傳

LoRa的協議不同，其產品和業務形態也有所不同。

4.2.1 LoRaWAN協議

LoRaWAN協議是由LoRa聯盟推動的一種低功耗廣域網協議，針對低成本、電池供電的感測器進行了優化，包括不同類別的節點，優化了網路延遲和電池壽命。LoRa聯盟標準化了LoRaWAN，以確保不同國家的LoRa網路是可以互操作的。

LoRaWAN構建的是一個運營商級的大網，覆蓋地區乃至全國的網路。經過幾年的發展，目前已建立起了較為完整的生態鏈：LoRa晶片→模組→感測器→基站或閘道器→網路服務→應用服務。

在晶片方面，Semtech授權了多家公司做晶片，如ST、Micorochip、華普等，使得晶片產品更為豐富，一芯多源，產品不再受限於一家供應商。未來或許會有更多的廠家授權，生產出滿足物聯網市場多樣化需求的產品來。

在LoRaWAN網路還沒有部署好的時候，符合LoRaWAN協議的模組還不能像2G/3G/4G模組等一樣自由銷售。一般地LoRaWAN模組是與閘道器或基站的產品搭配一起銷售。部分廠家也開源了終端部分，提供閘道器和網路服務部分的解決方案。

在LoRaWAN的產品中，多數廠家是以提供（雲）端到（終）端的解決方案為主，包括模組、閘道器和網路伺服器（Network Server），如NPLINK、八月科技、華立、唯傳、門思、未來寬頻等公司。由於對裝置資料的要求不同，LoRaWAN網路服務（NS）有的是私有化部署，有的是部署在公有云或第三方網路伺服器上。

LoRaWAN目前還基本上是面向toB的市場，還沒有普及到toC市場。一些具有行業或市場資源的公司會較早地部署LoRaWAN網路，改變原有或創造新的應用系統，而低功耗廣域網市場的創新活力也在於此。

4.2.2 CLAA協議

“中國LoRa應用聯盟(China Lora Application Alliance，簡稱CLAA)是在LoRa Alliance支援下，由中興通訊發起，各行業物聯網應用創新主體廣泛參與、合作共建的技術聯盟，旨在共同建立中國LoRa應用合作生態圈，推動LoRa產業鏈在中國的應用和發展，建設多業務共享、低成本、廣覆蓋、可運營的LoRa物聯網。中興通訊作為LoRa Alliance(簡稱LoRa聯盟)董事會成員，與LoRa聯盟成員一起共同推動LoRa技術在全球低功耗廣域網路(LPWAN)建設和產業鏈的發展。”

中興通訊在LoRaWAN的基礎上優化了協議，構建了共建共享的LoRa應用平臺。憑藉中興通訊行業的實力和影響力，在CLAA平臺上已聚集了很多公司的產品。CLAA提供閘道器和雲化核心網服務，可快速搭建起LoRa網路的物聯網系統的應用來。

CLAA有四種主要的業務合作模式：

（1）獨立運營商：提供全套解決方案；支援客戶建網，並與CLAA共享物聯網互聯互通

（2）大型合作伙伴：直接參股，CLAA負責建網，多城市大範圍覆蓋，享受全網整體受益，CLAA承擔運維費

（3）中小型客戶：直接採購裝置，CLAA協助建網，城市級或區域級覆蓋，享受城市級、區域級收益，客戶承擔運維費

（4）專業渠道商：直接採購裝置，自行微客戶建網，協助客戶運營，客戶承擔運維費用

4.2.3 LoRa私有網路協議

在面向小範圍節點數不多的應用中，使用LoRaWAN閘道器部署網路成本就顯得高了。用一個或幾個SX127x做一個小“閘道器”或“集中器”，無線連線上百個的SX127x，組建一個小的星型網路，通過自己的LoRa私有通訊協議，就可以實現一個簡單的LoRa私有網路，這也是一種比較靈活方式。當然，協議也可以是LoRaWAN協議。

4.2.4 LoRa資料透傳

目前市面上LoRa晶片基本上源於美國SEMTECH的SX127x系列，用LoRa做成透傳模組，只進行簡單的傳送和接收，實現點對點資料的傳輸，應用相對簡單。

5 有線通訊協議

5.1 USB協議

目前USB已經發展了3代協議：

USB協議規範1.1——支援USB低速和全速規範（12Mbps）

USB協議規範2.0——支援USB高速協議規範(480Mbps)

USB協議規範3.0——支援USB超高速協議規範（5Gbps）

USB 3.0是最新的USB規範，該規範由英特爾等公司發起。USB 2.0已經得到了PC廠商普遍認可，介面更成為了硬體廠商的必備介面。USB2.0的最大傳輸頻寬為480Mbps（60MB/s），而USB3.0的最大傳輸頻寬高達5.0Gbps（即640MB/s）。不過注意這是理論傳輸值，如果幾臺裝置共用一個USB通道，主控制晶片會對每臺裝置可支配的頻寬進行分配、控制。如在USB1.1中，所有裝置只能共享1.5MB/s的頻寬。如果單一的裝置佔用USB介面所有頻寬的話，就會給其他裝置的使用帶來困難。

5.2 RS232協議

RS232是一種非同步傳輸標準介面協議。通常RS-232介面以9個引腳(DB-9)或是25個引腳(DB-25)的型態出現。RS232最常用的連線方式是三根線：一條傳送線、一條接收線及一條地線。

電平訊號：邏輯1(MARK)=-3V～-15V，邏輯0(SPACE)=+3～+15V

傳輸距離：RS-232-C標準規定，驅動器允許有2500pF的電容負載，通訊距離將受此電容限制，例如，採用150pF/m的通訊電纜時，最大通訊距離為15m；若每米電纜的電容量減小，通訊距離可以增加。傳輸距離短的另一原因是RS-232屬單端訊號傳送，存在共地噪聲和不能抑制共模干擾（兩條傳輸線上的訊號同時變大或變小）等問題，因此一般用於20m以內的通訊。

RS232不能實現多機通訊。

傳輸速率：RS232的傳輸速率較慢，能夠達到1Mbps的已經比較少。

5.3 RS485協議

RS485是RS232升級版的串列埠協議，一般採用兩線制傳輸：A、B兩條傳輸線。

電平訊號：-2V～-6V表示“0”，+2V～+6V表示“1”，電壓為A-B的電壓。

傳輸距離：一般1Km以內都沒有問題。理論上，通訊速率在100Kpbs及以下時，RS485的最長傳輸距離可達1200米，但在實際應用中傳輸的距離也因晶片及電纜的傳輸特性而所差異。在傳輸過程中可以採用增加中繼的方法對訊號進行放大，最多可以加八個中繼，也就是說理論上RS485的最大傳輸距離可以達到9.6公里。如果真需要長距離傳輸，可以採用光纖為傳播介質，收發兩端各加一個光電轉換器，多模光纖的傳輸距離是5~10公里，而採用單模光纖可達50公里的傳播距離。

RS485可以實現多機通訊。

原因：RS485為半雙工通訊方式，即分時實現收和發。匯流排空閒的狀態下需要保證狀態為邏輯1，也就是A-B的電壓符合邏輯1的電平值。假設此時1為主機，2和3為從機，資料線的連線方式為1,2,3的A連線在一起，1,2,3的B也連線在一起，不存在RS232連線方式的問題。

非同步傳輸（Asynchronous Transmission）：非同步傳輸將位元分成小組進行傳送，小組可以是8位的1個字元或更長。傳送方可以在任何時刻傳送這些位元組，而接收方從不知道它們會在什麼時候到達。一個常見的例子是計算機鍵盤與主機的通訊。

波特率計算：如果設定波特率為115200,資料位為8bit，起始位為1bit，結束位為1bit，校驗位為1bit；那1s鐘不間斷可傳送的字元（1bit起始位+8bit資料位+1bit校驗位+1bit結束位，共11bit）為115200/11=10472；10472/1024結果約為10.227所以速率約為10kB/ps。