消費物聯網、工業物聯網應用場景中的有線、無線連接協議綜合分析
一、物聯網
物聯網是一個大而泛的概念，從大的應用領域來說，可以分爲消費級物聯網和工業級物聯網。
這兩類對物聯網性能的要求差別很大，消費級物聯網比較大的場景有可穿戴設備、共享經濟、智能家居等，這些場景與消費者的生活息息相關，連接上以GPRS、WiFi和藍牙等方式爲主，主要的性能要求是低功耗。
智能家居是最近快速發展的一個領域。一方面是交互領域技術進步帶來語音交互體驗的提升，另一方面是產業鏈上連接模組成本的降低，從而使得以音箱作爲入口，連接並控制家庭內部大量的電器成爲可行的場景，併產生了像小米IoT、塗鴉、樂鑫等行業內領先的業務或公司。
但在工業物聯網領域，情況並不一樣。工業各垂直領域行業特性迥異 ，知識壁壘很高，而且工業製造流程對可靠性和穩定性要求非常高，目前的運營商網絡還很難滿足工業物聯網對性能方面要求。因此物聯網在工業領域的進展一直比較緩慢，還沒有產生比較成熟的商業模式和相對大體量的公司。
二、消費物聯網應用場景
數據表明，在當前消費物聯網板塊中，智能家居佔據了約36%的規模總量，且該部分佔比也在不斷地增加，其次是可穿戴設備板塊。我們按照“物聯網產業路線圖2.0”中的設備商、方案商和運營商對當前消費物聯網企業主要的業務形態做簡單梳理劃分。設備商提供智能終端的研發及生產，如華米生產智能手環或者智能手錶；方案商提供智能系統的平臺或者解決方案，如華爲HiLink提供智能家庭的連接管理平臺，而塗鴉科技提供智能家庭解決方案；服務商基於智能終端產生的大量數據，更好的爲消費者服務，如京東的智能冰箱，通過長時間學習瞭解消費者的生活習慣，可以根據冰箱的狀態自動提醒消費者需要補充哪類食品，通過向用戶提供信息或者基於信息的服務的商業模式。
三、工業物聯網應用場景
製造業：通過嵌入機械設備的傳感器幫助確定製造過程中出現的問題和瓶頸。同時還可以通過對機器數據的分析，爲機器提供預測性維護。預測性維護意味着只在需要時對機器進行維護，這樣可以節省成本和減少機器閒置時間。案例：Caterpillar（NYSE:CAT）是世界上最大的工程機械和礦山設備製造商。它與機器數據分析獨角獸Uptake合作，將機器聯網，然後將包括設備方位和路徑、閒置時間和機器使用等數據彙集並進行分析，對設備的運行路徑、停機時間和維護進行優化，減少運營成本並提升產量。
能源：通過傳感器監控照明、溫度或能源使用情況，並將數據通過算法進行實時處理，實現微觀管理。案例：AutoGrid是由前斯坦福大學智能電網研究室負責人Amit Narayan創辦的服務電力、能源行業的大數據公司，通過其能源數據平臺（EDP），公共事業公司、企業、社區甚至家庭可以使用大數據和基於雲的軟件來調整能源消耗和成本。同時還能幫助電網各端匹配電力供應和需求，降低電網各端的成本。
供應鏈／物流：通過將RFID或NFC標籤貼在產品上，可以知道倉庫中該產品的確切位置，並可以進行行李或包裹的分揀和跟蹤。案例：Precyse Technologies專門提供基於有源RFID技術的實時定位和供應鏈可視化解決方案，主要用於跟蹤物體位置和移動人員或實物資產的室內外定位，幫助工作人員有效的識別、定位、檢測狀態和溝通。
工業可穿戴設備：將AR技術用於工業設計或安裝維護等環節，爲工程設計師、技術人員或維護操作人員提供直接展示在眼前的操作說明或複雜問題遠程求助和培訓等服務。案例：Upskill原名APXLabs，是工業增強現實可穿戴設備內容軟件的提供商，其AR軟件平臺Skylight可以與智能眼鏡搭配，將企業工人所需要的操作信息直接顯示在他們面前，避免翻閱紙質操作文檔或通過電腦來找文件帶來的效率低下、容易犯錯的問題。
四、物聯網應用模式
- 售賣硬件產品：
這個很好理解。但現在新的模式出現，付費方和使用方分離，付費方看重數據資源，使用方免費使用硬件產品。一個典型的例子是Google旗下的NestLabs與電力公司的合作，如果消費者與該電力公司簽署兩年的合約，就可以免費得到Nest的溫控產品。Nest的硬件產品的付費方由消費者變成了電力公司，而電力公司則注重Nest使用者的用電大數據，Nest的價值則轉移到數據資源上。
2. 出售SaaS服務：
主要是一些工業領域的大數據和人工智能企業，通過採集機器的數據，爲工業企業提供諸如售後、預測分析等服務。典型的例子是GE的Predix平臺，通過將GE全球的裝有傳感器的機械設備連到平臺，再通過平臺的分析工具進行數據分析，來給運轉中的機械設備提供售後保障。
3. 提供解決方案：
物聯網解決方案提供商一般既沒有硬件的生產能力，也沒有提供SaaS服務的數據分析、人工智能算法的能力。它們的能力是對業務場景的瞭解，可以根據不同的業務邏輯、技術要求、產品服務來提供最適合的解決方案，客戶不需要了解使用的是哪個品牌的傳感器、雲服務或傳輸協議，只需要關注是否解決業務痛點。
五、有線連接和無線連接
“物聯網”概念在1999年美國麻省理工學院首次被提出，狹義的物聯網指的是“物—物相連的互聯網”，這裏相連的主體既包括物品到物品，也包括物品到識別管理設備。
廣義的物聯網指的是信息空間和物理空間的融合，也就是虛擬與現實的融合，把所有的物體和事件數字化、網絡化，在人與人、人與物、物與物之間實現信息交互，實現物品的自動識別，監控定位和遠程管理。物聯網以現有的互聯網和各種專有的網爲基礎，傳輸通過感知層採集彙總的各類數據，實現數據的實時傳輸並保證數據安全。
連接方式可以分成有線和無線，連接的目的是進行通信，因此也就分別使用有線通信技術和無線通信技術。
有線通信，是指利用光纖、金屬導線等有形媒質傳送信息的技術。目前，有線通信已經非常普及，如電話線，網線，電視線等等。
無線通信，是指利用電磁波信號在空間傳播而進行信息交換的通信技術（進行通信的兩端之間無需有形的媒介連接）。常見的無線通信方式有有蜂窩無線連接，wifi連接，藍牙連接，還有一些倍感神祕的方式，如可見光通信和量子通信等等方式。
一般來講，有線連接可靠性更高，穩定性也更強，缺點是連接受限於傳輸媒介。無線連接自由靈活，終端可以移動沒有空間限制，但是容易受傳輸空間裏的其他電磁波以及對電磁波有影響的其他障礙物的影響，因此可靠性不如有線連接。
六、通信協議
物聯網生態系統的核心組成部分是連接和通信。物聯網使遠程和分散物體(設備，傳感器節點，網關單元，雲服務器)之間的連接和通信成爲可能。
物聯網通信協議的專業知識對於理解物聯網系統至關重要。這些有線或無線協議不僅充當通信媒介，還爲物聯網網絡提供增值功能。諸如Zigbee之類的物聯網協議實現了無干擾，低功耗的通信，而像Profinet這樣的開源協議可以促進與各種工業單元和設備的無縫和快速通信。
在此進行歸納總結了常用的8種物聯網通信協議，這些協議已廣泛部署在衆多現有和新興的物聯網應用中。
1. 藍牙
兼容的藍牙IoT傳感器非常適合需要短距離連接和低功率通信的應用。藍牙協議的有效範圍爲50到100米，支持高達1 Mbps的數據傳輸速率。
最近，物聯網開發人員已經表現出對基於藍牙智能協議的低能耗藍牙低功耗(BLE)的傾向。與前一代產品相比，BLE的功耗顯着降低，但不適合大型文件傳輸。
2. Zigbee
基於IEEE 802.15.4標準的Zigbee已成爲嵌入式應用中使用最廣泛的通信協議之一。Zigbee用於連接10-100米範圍內的設備，支持高達250 Kbps的數據速率。作爲一種低功耗，低數據速率技術，Zigbee非常適合物聯網傳感器和物聯網網關設備之間的雙向數據傳輸，以及ad hoc無線網狀網絡。
通過其網狀拓撲，Zigbee設備可以通過中間設備在一定距離上傳輸數據。對於在消費和工業領域需要低成本和低功耗傳感器網絡的物聯網應用，Zigbee是一個很好的選擇。
Zigbee協議還包括由128位加密密鑰和加密幀定義的安全框架。
3. 6LoWPAN
6LoWPAN是一種簡單的無線網狀技術，可使各個節點支持IP。其目標是克服將所有類型的設備連接到互聯網的技術和商業障礙。
6LoWPan規範還定義了通過IEEE 802.15.4網絡交換IPv6數據包的封裝和報頭壓縮機制。6LoWPan集成了安全模塊和ACL密鑰等安全組件，以及可選的TLS。對於需要低功耗無線通信的小型設備而言，它是一種可行的選擇。
4. Wi-Fi
Wi-Fi旨在取代以太網，並通過IEEE 802.11標準系列提供易於使用的短距離無線連接和跨廠商互操作性。
Wi-Fi以更快，更大容量的通信而聞名，並且可以使用2.4 GHz和5 GHz頻帶在50 m範圍內進行傳輸。由於現有基礎設施的普遍存在，其受歡迎程度不斷提高。
5. 蜂窩
需要長距離連續連接的物聯網應用可以基於GSM，LTE，EDGE，3G，4G和5G等蜂窩網絡進行設計。蜂窩網絡可以與設備通信，最遠距離可達35公里。
蜂窩技術有利於物聯網應用，因爲它具有以下特點：
通過像Cat-0和Cat-1等LTE網絡，物聯網應用的成本優化，增強覆蓋。
通過TLS / DTLS安全性和LTE網絡的空中加密實現端到端安全性。
最低或零監管法規。使用蜂窩網絡，數據可以高達23 dBm進行交換。
6. ModBus
Modbus協議是一種強大的通信標準，廣泛應用於工業自動化和SCADA系統，以便將儀表，傳感器和執行器的信號發送回主控制器。Modbus具有廣泛的通信協議，可在各種物理鏈路上運行。
Modbus是一種基於主從模型的串行通信協議。
主設備使用功能代碼請求信息，該功能代碼指示需要執行的操作，例如：
read a discrete input; read a first in, first out queue
使用Modbus的主要優點是它是一個簡單的開源協議。Modbus的開發成本很低，並且需要最少的硬件設計。此外，Modbus還支持與各種設備(來自不同供應商)和系統的互操作性和兼容性。
7. PROFINET
PROFINET廣泛用於工業自動化解決方案，用於連接製造環境中的系統。根據IEC 61158和IEC 61784標準，PROFINET以固定的時間間隔(1 ms或更短)提供數據，而不會造成質量損失。它還支持現有的IT標準。
PROFINET與現場總線技術高度兼容，可輕鬆與現有工業系統集成。PROFINET規範使用指定的數據映射系統定義代理(代理地址)，以允許協議與現代IoT協議進行通信。
8. EtherCAT
EtherCAT基於CANopen協議和以太網，專門針對工業自動化進行了優化。它允許任何標準PC用作EtherCAT主站，並使用任何拓撲與EtherCAT從站通信。它們可以在30微秒內以高達1,000個I / O點的速率連接工廠車間的所有設備。
EtherCAT可靠且速度快，因爲消息可以在轉發到下一個從系統之前藉助專用高性能硬件進行處理。