物联网设备的网络连接---上篇
在一个物联网场景中，设备连接是底层基础。由于物联网设备的多样性，涉及到各个工业领域中的标准或规范，这就需要综合的软硬件技术将它们连接起来。
本文分别从物联网组网技术和传输协议的角度来介绍物联网系统所面对的网络连接问题，最后也介绍了物联网操作系统或平台的连接设计要点，尤其是在异种网络环境下，更需要开放的、可扩展的设计方案。
由于篇幅问题，本内容将分上中下三篇呈现，敬请关注。
一、 物联网的网络结构
互联网是基于TCP/IP协议连接起来的全球性网络，而物联网是互联网的扩展和延伸，加入物联网的物体可通过这个网络进行通信。因此，物联网设备不管以什么方式接入网络，最终都有能力通过TCP/IP与互联网上的其他个体进行通信。
互联网的层次结构同样适用于物联网，我们可以利用TCP/IP模型来理解物联网，如图1所示。
物理层：这一层是指数据传输的物理介质，它的作用是将比特数据如何从一个设备传输到另一个设备，既可以是有线介质（比如铜线或光纤），也可以是无线介质（比如无线电波、卫星和激光）。
链路层：这一层描述了链路上基础的数据结构，怎样将设备连接起来，它本质上是指主机或设备与传输线路之间的接口，常见的传输线路有串行线或经典的以太网链路，或无线电信号编码。
互联网层：也称为网络层，将链路层功能进行统一的抽象，使整个网络体系结构连成一体。不管是传统的互联网主机，还是物联网设备个体，都成为网络上的一个节点，允许它们的数据请求独立地到达接收方。
传输层：这一层的目标是，通信的源方与目标方建立起独立于网络的通道。传输层有两个协议：TCP和UDP。TCP是一个可靠传输协议，适合点到点的字节流通信，通信的两方需要先建立连接；UDP是一个不可靠的无连接协议，可以两方之间进行通信（无需建立连接），也可以一方发送广播信息（在一定的网络范围内进行广播）。
应用层：建立在传输层之上的所有应用协议，比较典型的有HTTP、SMTP、DNS，也有专门针对物联网环境的MODBUS和MQTT等。
对于网络的理解，核心在于协议和服务。协议是指每一层上数据内容的规范，数据的发送方和接收方极有可能是独立实现的，但它们需要相互通信，因此必须遵守协议的规范；服务是指层与层之间的接口，规定了每一层能为上层提供什么样的功能。服务与协议本身是分离的，但协议的设计必须围绕着服务，毕竟服务是功能需求。
互联网技术的发展已经比较成熟了，支撑起了各行各业、各个专业领域对于信息传输与共享的需求，推动了全社会的信息化发展；而物联网技术尚未达到如此统一和普及的程度，但也有大量的技术积累。基于图1的层次模型，我们可以从两个方面来剖析物联网网络连接技术：1、将局部的数据通信能力接入到互联网。图1中的链路层更像是一个概念，它代表了如何将一个局部的网络技术归集到以IP和TCP/UDP为核心网络协议的全局网络中，事实上有很多物联网连接技术区别于传统的以主机和网络交换机/路由器为代表的互联网连接技术。2、由于物联网环境与设备的一些特殊性，比如可移动性、带宽窄、能耗低等，应用层协议也需要有针对性的设计。本文接下来两节分别从物联网组网技术和传输协议的角度来阐述物联网连接技术，正好分别对应于以上两点。我们也可以认为这是物联网技术相对于互联网的发展或延伸部分。
二、物联网组网技术
物联网的组网技术相对于互联网组网技术要丰富得多，一方面它继承了互联网组网技术，另一方面也因为物联网环境和设备的特殊性而诞生了很多适宜的组网技术。图2是典型的物联网场景中用到的组网技术。
在一个物联网场景中，每个设备或主机都以一定的方式连接到物联网络中。连接的形式基本上可以分为有线连接或无线连接，不同类型的设备可能选择不同的连接方式，最终形成一个可互联的网络。以下列出一些常见的连接方式：
有线连接：1、以太网，这是目前最常用的局域网组网方式（主要的标准是IEEE 802.3），通过集线器、交换机和路由器构成一个网络，利用双绞线（或者光纤）将这些网络设备与主机连接起来。图3显示了这些连接线和设备，图4显示了典型的以太网组网结构。
2、RS-485，是一种半双工的工作方式，即任何时候只有一点处于发送状态。RS-485支持总线型结构,总线长度可达上千米，节点数可以多达256个。由于总线结构布线简单，因此广泛应用于门禁对讲、楼宇报警等网络。图5显示了两种典型的RS-485组网结构。
3、RS-232，也是一种串行通信标准，适合点对点进行通讯，本质上它不适合用于组网。RS-232通常用于PC机连接外部设备（比如鼠标、打印机、调制解调器等），但是也有很多电气设备通过RS-232与网关或上位主机连接起来。RS-232的传输距离较短，速率也低。图6(a)显示了一种通过RS-232将一台串口扫描器连接到PC机，进而连接到网络中的情形；图6(b)显示了通过一个RS-232-RS-485转换器将RS-485网络与上位机连接起来的情形。
图6 RS-232连接设备
4、USB，USB是一种非常便利、广泛支持的设备连接接口，在很多场景下，可以替代传统的串行连接接口。目前越来越多的设备支持通过USB接口来连接主机，或者将RS-485或RS-232转换成USB接口（如图7）。
无线连接：
1、WIFI，WIFI代表了无线局域网组网技术（主要的标准是IEEE 802.11），广泛应用于家庭、商业和工业场景中，成为最主流的联网方式之一。WIFI为建筑物内组网提供了极大的便利，避免了物理布线和施工，同时WIFI网络的范围可以小到一个房间的范围，也可以大到城镇的级别，带宽可从数十Mbps到数百Mbps。在范围较小的空间，可以用一个无线路由器连接所有的联网设备，如图8(a)所示；若碰到墙壁导致信号较弱，或者范围略大导致远处的信号较弱，则可以加入信号放大器或者多个无线路由器级联的方式来组网。在范围较大的空间，比如跨楼层的办公空间，则可以采用AC(Access Controller)+APs(Access Points)的方式来组建无线局域网，如图8(b)所示，这些AP通过有线方式连接起来，从而空间上不受无线传输距离的影响，而用户的无线连接可以在整个区域内进行漫游。
2、蓝牙，是一种短距离（通常小于10米）的无线通信技术，通常用于笔记本电脑、智能手机、车载系统、无线耳机，以及各种穿戴设备之间进行数据通信。蓝牙的特点是：短距离、低功耗、低速率，适合在小范围构建起个人区域网络（PAN, Personal Area Network）。蓝牙工作在全球通用的2.4GHz非授权频段，使用IEEE 802.11协议。除了在个人穿戴和消费电子设备上广泛使用以外，蓝牙技术也被用于工业、医疗、汽车等领域，提供设备联网和诊断的便利。然而，蓝牙技术在发展过程中也碰到了很多问题，包括耗电、传输安全、连接繁琐等，随着蓝牙技术发展到4.0版本（2012年），这些问题都已经得到了极大改善，目前应用非常普及了。蓝牙设备通常不能直接连接互联网，但是可以借助于其他设备连接互联网。譬如，手环、手表通过智能手机或平板电脑实现联网（同时最多连7个），如图9(a)；或者多个蓝牙设备通过蓝牙路由器连接互联网，如图9(b)。蓝牙5.0支持蓝牙Mesh，以网状的结构形成一个自组织网络，适合于在蓝牙设备密集的场景中进行组网，比如利用室内照明节点构建蓝牙Mesh网络，其他蓝牙设备加入到该网络中，如图9(c)所示。
3、 LPWAN(Low Power Wide Area Network, 低功耗广域网)，适合广域范围内实现物联网终端连接互联网，典型有两种技术：NB-IoT、LoRa。a、NB-IoT，是一种利用移动基站进行通信的窄带低功耗广域网络技术，它使用了授权的频段，可直接部署于现有的移动通信网络上，需要运营商提供服务和支持。NB-IoT针对低功耗的、广域范围的、传输数据量小且更新频率也不高的物联网设备，适合于像路灯、停车、共享单车、物流集装箱、空气监测仪等各种户外场景。图10(a)显示了典型的NB-IoT网络结构。b、LoRa，是另一种与NB-IoT竞争的窄带通信技术，它使用了非授权频段。LoRa在组网的时候，不需要运营商的支持，终端设备通过LoRa网关与局域网或者互联网连接。LoRa可以用于企业建立广域的私有无线网络，连接企业场景中的各种物联网设备，设备与网关之间的距离可以达到2公里至10公里以上。图10(b)显示了LoRa网络结构。
4、Zigbee，是一种短距离（10米至近百米）的无线网络技术，适合在室内环境连接终端设备。Zigbee网络的下层协议遵从IEEE 802.15.4标准，上层协议由Zigbee组织定义规范，实现了传输安全性，以及应用层对节点之间通信的需求。Zigbee组网成本低，通过一个协调器构建一个网络，终端设备要么直接跟协调器通信，要么通过其他设备接力的方式，间接地通过协调器连接网络。Zigbee目前主要应用于工业自动化、楼宇自动化、仓储与物流、智能家居等包含较多联网设备的场景。图11显示了Zigbee的典型网络结构，智能灯、温度计、空气检测仪是Zigbee终端设备，有的设备通过Zigbee中继器连接到网络中，最终通过Zigbee协调器与互联网连接。
5、DALI (Digital Addressable Lighting Interface) ，是智能照明领域的一个开放标准。DALI用于将照明设备连接起来，每条DALI总线可以连接64个照明或开关设备，长度可以达到300米。DALI标准定义了设备之间的通信语言：开、关、调节灯光等。DALI控制器作为网关，可以连接到RS-232、RS-485、以太网，或者直接连接到无线WIFI或移动通信网络。图12显示了一个典型的DALI网络结构。
6、卫星联网，通过卫星来连接网络是一种在特殊条件下比较便捷的方式，比如在飞机上、偏远山区或者大海上。通讯卫星通过地面站与互联网连接起来，卫星手机或者地面接收站点通过卫星天线连接通讯卫星，进而连接互联网的服务。除了数据通信，当前主流的户外定位也通过卫星来实现，譬如我们常用的GPS定位，以及北斗卫星定位。
以上列举的是一些主流的联网方式，通过各种形式将设备连接到网络中，通常连接到IP网络，成为局域网或者互联网的一部分。我们可以看到，网关是一个关键设备，它们可以将独立组织的物联网络与互联网连接起来。市场上有一种专门的智能网关设备（也称为物联网网关），它们能够适应大多数常见的物联网组网方式，将不同连接方式的物联网设备组织成一个网络。图14是一个典型的智能网关设备，它可以将RS-485、以太网、WIFI、Zigbee等子网络连接起来。
在有些情形下，PC机（尤其是工控PC机）也可以担当网关的角色，通常支持以太网、RS-232、USB接口，通过RS-232或USB转接RS-485接口，从而也可连接RS-485总线网（如图6(b)所示）。最后，简单总结一下物联网组网技术，传统的联网结构采用有线连接的方式，将设备连接起来，主要用于工业控制和工业设备的场景。最近几年，随着物联网技术在生活和商业场景的不断普及，发展了大量的无线联网技术，可以满足各种条件下的设备联网，从室内短距离，到室外长距离，从有源供电到低能耗供电，从极低带宽到一定带宽要求，再到低延迟要求。物联网场景复杂多样，往往需要综合使用这些联网技术，来实现合理的物联网络。