物联网连接指南

关于物联网（IoT）及其对生活不同领域的影响，人们讨论颇多，从我们出行和购物的方式，到制造商追踪库存的方式。不过，什么是物联网连接？它如何运作？

物联网是指将任何设备（只要它有开关）连接到互联网和其他已连接设备。物联网是一个庞大的数据库，智能设备在其中使用传感器、电子元件、系统网络和硬件交换信息。近期全球已连接的物联网设备数量增长了 18%，达到 144 亿台。

设备之间的通信可以发生在物理对象之间，例如在办公室 / 家庭中。一些集成物联网的设备示例包括灯具、烟雾报警器等，用户可以将它们连接到任何其他设备或直接连接到互联网。

物联网依赖于连接性。为了与网关、应用程序、服务器、路由器和其他物联网设备连接，物联网设备依靠网络。物联网设备得以完成它们创造的任务——数据的发送和接收。

不同行业的连接需求

物联网有许多应用场景。最常见的应用列举如下：

1. 远程医疗。远程医疗涉及使用计算机和电信技术提供医疗服务。物联网是远程医疗的一个重要方面（IoMT 表示医疗物联网）。此类应用包括远程医疗诊断、医学影像的数字传输、与专家的视频会诊等等。

2. 可穿戴设备。可穿戴设备可能是普通人最容易看到的一类物联网设备。它们包括健身追踪器、智能手表、智能眼镜、虚拟现实头戴设备等等。

3. 智能家居。智能家居系统用于自动化某些任务，并且通常可远程控制。构成智能家居的物联网设备包括无线厨房电器、情绪感应音乐系统、智能照明系统、电动窗帘、自动门窗、智能公用事业仪表以及其他设备。

4. 智慧农业。智慧农业涉及使用数字技术优化农场运营。农民可以使用已连接的传感器、摄像头和其他设备获取农场综合数据，并调整操作以提高产量。

5. 零售。物联网在零售业中的应用日益广泛。它支持个性化折扣，以及自动结账和智能货架（在库存不足时向零售商发出提醒）、自动化工作站和优化的供应链管理。基于自动化商业概念的亚马逊 Go 连锁商店，结合了线上与传统商店的特点，是物联网的一个实例。这些商店实现无现金运营；费用从客户的亚马逊钱包中扣除。当客户从货架上取下商品时，商品会实时添加到他们的购物篮中。

6. 医疗保健。新冠疫情之后，集成物联网的医疗设备和健康系统不断增加。多年来，专家们一直在预测物联网将在医疗保健领域引发一场革命，而疫情只是加速了这一进程。越来越多的医疗咨询正在远程进行。基于物联网的远程监测解决方案、智能可穿戴设备、健康追踪器和传感器数量有所增加。

7. 无人驾驶汽车。无人驾驶汽车通常使用基于物联网的技术系统，该系统传输关于车辆自身及其行驶道路的数据。自动驾驶汽车通过由车载计算机系统收集和分析交通、导航、外部环境等更多信息来实现。

8. 运输与物流。涉及运输行程的监测。物联网还包括路况、路线规划、视频监控和无线网络相关数据。

9. 金融。在这一领域，物联网与自动取款机、支付终端相关；涉及交易、终端安全性以及通知设备定期维护。

这份清单并非详尽，因为物联网正在改变我们在许多领域的行事和工作方式。物联网设备包括智能手机、冰箱、手表、健身追踪器、智能火灾报警器、智能门锁、智能自行车、医疗传感器、智能安防系统，以及诸如亚马逊 Alexa、苹果 Siri 和谷歌 Home 之类的虚拟助手。

物联网比看上去更近，但它安全吗？

2020 年，连接到互联网的设备数量已达到 2120 亿台。物联网将覆盖生活的所有领域：公共交通、医疗保健、家庭、电器、汽车、安防以及家用电器。生活的所有领域都将连接到网络。

研究人员称，“十分之六的用户界面设备存在漏洞 —— 尤其容易受到跨站脚本攻击，且对未授权访问的防护不足”。同一项研究显示，90% 的设备被发现收集个人信息，而 60% 的设备拥有不安全的用户界面。

研究人员认为，“攻击者可以利用弱密码、不安全的密码找回机制、防护薄弱的账户等漏洞获取设备访问权限。不过，这仅仅是一台家用电器，为何如此重要？事实是，每一台已连接设备都会与附近设备通信，与云服务交换信息，并将信息传递给其他设备。

已连接设备将收集数据以提升便利性和效率。然而，部分数据属于机密信息，但信息的安全性存疑。如今，互联网的安全性仍然较低。

安全专家表示，他们可以在 15 秒内入侵 Nest 恒温器，只需持续获取设备访问权限，并用能够拦截网络流量的恶意代码替换其 Linux 固件。一位研究人员丹尼尔・布恩特洛警告称，联网家电可能会对我们不利。当今大多数物联网设备和小型移动设备都存在同样的问题，且缺乏足够的硬件防护来抵御网络攻击。

如何比较物联网连接解决方案？

为你的物联网应用找到最佳解决方案需要仔细考量诸多因素，但最终可归结为三点：覆盖范围、带宽和功耗。根据你的设备、部署环境以及所需功能，其他因素可能会变得更为重要。

1. 带宽。网络带宽指通过特定连接可传输的最大数据量。你的设备能够发送和接收的数据量受网络可用带宽限制，该带宽由所有已连接设备共享。如果你的设备需要接收或发送大量数据，选择具备足够带宽的解决方案至关重要。

选择低带宽的物联网连接解决方案，就如同试图将一头大象塞进一辆智能汽车。

如果开发人员实施某一特定解决方案，你的物联网设备可能不得不与其他客户、公众或客户的其他设备共享带宽。带宽可以比作公共巴士上的座位。可用座位数量有限，一些乘客因携带自行车、宠物、行李，或者仅仅是腿更长，占用的空间比其他人更多。

随着乘客上下车，巴士上的可用座位数量在一天中不断变化。当巴士坐满时，在不打扰其他乘客的情况下走动变得越来越困难。
如果你的物联网应用不需要大量数据传输，这一问题就不那么重要。

2. 覆盖范围。 在选择连接解决方案时，需要考虑的最重要因素之一是覆盖范围：它能在哪些区域运行？你会经常听到关于传输距离的讨论，但在物联网领域，真正的问题并非 “我的设备距离这一基础设施可以有多远？”，而是 “我在所有需要部署的地方都能接收到信号吗？” 这包括信号穿透建筑物或在偏远地区工作的能力。

对于某些系统而言，所需的只是网络连接，因为必要的基础设施已经搭建完成。为了覆盖更大范围，某些网络扩展策略可能采用多种方法。例如，电池供电的蜂窝调制解调器是家庭安防系统在断电情况下对 WiFi 的合理备用方案，而在没有 LTE-M、NB-IoT 或 Cat-M1 连接的地区，3G 甚至 2G 网络通常被用作蜂窝物联网的备用技术。

3. 低功耗。 物联网设备通常使用无法充电的一次性电池供电。在设备使用期间，电池必须保持电量。这意味着你的连接解决方案不能消耗过多电量。NB-IoT 和 LTE-M 是具备节能功能的定制化解决方案示例，有助于延长物联网设备的电池续航时间。

网络消耗的电量在一定程度上取决于其预期功能。例如，具备更大数据吞吐量的更复杂网络即使在未主动处理数据时也可能更快耗尽电池。但在发送或接收数据时，你的设备消耗的电量更少，因为网络可以更快地传输数据，缩短传输时间。远程固件更新是一项数据密集型操作，如果网络吞吐量不足，可能会严重耗尽设备的电池电量。

4. 移动性。某些物联网设备需要快速的数据收发，例如车载娱乐系统、自动驾驶汽车和追踪传感器。如果你的软件需要用户在移动中传输数据，你应研究支持该功能的连接选项。

5. 室内穿透性。传输强度各不相同。如果你的设备安装在地下或厚重建筑内，你应考虑信号穿透墙壁和楼层的能力。通常，低频信号具有更好的室内穿透性。最大耦合损耗（MCL）代表信号可承受的理论干扰量，是另一个需要考虑的因素。MCL 增加意味着更强的室内穿透能力。

6. 价格。物联网连接方案的定价存在多个变量。如果你可以直接连接到现有网络（例如蜂窝网络），则无需在部署期间投入网络基础设施费用。无论采用何种网络技术，你都需要考虑连接到该网络所需的硬件。这可能是一次性投资（例如调制解调器），或每次部署的定期成本。

建立自己的网络连接将需要你雇佣额外人员承担持续的维护费用。由于你的设备需要与连接解决方案所使用的协议和技术兼容，如果你选择更复杂的网络，开发成本可能会上升。

当然，你还必须考虑数据使用的长期费用。你的连接提供商（例如移动网络运营商）可能会强制你签订带有数据使用上限或超额费用的合同。

全球物联网连接解决方案

为每个特定项目寻找最佳物联网连接解决方案时，必须在三个关键连接参数 —— 范围、带宽和功耗之间取得平衡。因此，了解你的物联网用例特征，并在部署的每个阶段明确项目需求，将极大帮助你为智能业务选择最佳连接网络。为了帮助你权衡各种网络技术的优缺点，我们整理了一份当前物联网中最常用的连接解决方案清单。

1. WiFi
范围：100 米至 400 米
根据无线局域网标准不同，传输速率可达 11 至 433 兆比特 / 秒。
能耗方面：
待机电流：30 毫安至 100 毫安
工作效率：1.5 毫安
供电电压：3 至 5 伏
模块价格区间：5 至 10 欧元

那么，为何要优化物联网 WiFi 连接？物联网设备消费者通常使用 WiFi，因为用户可以轻松将设备连接到其现有 WiFi 网络。这很方便，但 WiFi 在物联网方面存在诸多限制。

它为来自其他已连接设备的黑客攻击打开了大门，而物联网设备本身也成为一个潜在的入侵点。遗憾的是，被入侵的婴儿监视器和其他 WiFi 连接设备的案例随处可见。

WiFi 非常适合连接建筑物内的小范围区域，但范围较短，无法穿透厚重墙壁，且经常受到其他信号干扰。距离较近时，WiFi 网络会因使用相同频率（2.4 吉赫兹和 5 吉赫兹）而相互干扰。

此外，维持 WiFi 连接消耗大量电量。对于用户预期经常充电的智能手表等设备而言，这并非大问题，但对于物联网设备来说，数年的电池续航至关重要。

2. 蜂窝网络
覆盖范围：全球
数据吞吐量：
下行链路：107 千比特 / 秒（GPRS）至 130 兆比特 / 秒（LTE）
上行链路：85.6 千比特 / 秒（GPRS）至 30 兆比特 / 秒（LTE）
功耗：
待机：约 1.5 毫安（GSM）至约 38 毫安（LTE）
接收 / 发送：约 110 毫安（NB-IoT/LTE-M）至 2 安（LTE）
节能模式：约 3 微安（NB-IoT 和 LTE-M）至约 3 毫安（LTE）
供电电压：2.75 伏（NB-IoT）至 4.2 伏（GSM）
模块成本：7 至 45 欧元，取决于网络类型

在众多可用的物联网连接选项中，蜂窝网络是目前应用最广泛的。蜂窝网络基础设施已在全球范围内存在；你的设备只需配备 SIM 卡即可开始与网络通信。这些网络也旨在处理大量数据。

虽然蜂窝物联网部署简单，但需要注意一些细微差别。由于存在多代蜂窝网络技术（2G、3G、4G、5G）和物联网专用网络（LTE-M、Cat-M1、NB-IoT），蜂窝网络架构多种多样。

覆盖范围、价格、带宽和功耗会因你使用的蜂窝网络而发生巨大变化。尽管用于物联网的 2G 和 3G 蜂窝解决方案最为普及，并经常用作备用服务，但 LTE-M 和 NB-IoT 正迅速普及。未来几年将出现更多物联网应用场景，但就目前而言，5G 最适合依赖低延迟的特定数据密集型活动。

制造商还必须考虑其运营商的物流问题。每家电信公司都维护自己的网络基础设施。虽然它们通过漫游协议帮助客户访问其他国家的合作网络，但这对于物联网制造商而言仍非最佳选择。

3. 蓝牙
覆盖范围：约 200 米（蓝牙）至 700 米（低功耗蓝牙）
数据吞吐量：350 千比特 / 秒（低功耗蓝牙）至 1 兆比特 / 秒（蓝牙）
功耗：
待机：35 毫安（低功耗蓝牙）至 100 毫安（蓝牙）
接收 / 发送：2.7 毫安（低功耗蓝牙）至 150 毫安（蓝牙）
节能模式：1 微安（低功耗蓝牙）至 9 微安（蓝牙）
供电电压：1.7 伏（低功耗蓝牙）至 3.6 伏（蓝牙）
模块成本：7 至 10 欧元

同样，蓝牙是消费级物联网设备的另一个常见选择。设置非常简单，但范围较短。幸运的是，蓝牙的范围可以通过使用 “网状” 网络结构来扩展。在这种模式下，每台支持蓝牙的设备都会扩大网状网络的覆盖范围。每台支持蓝牙的设备充当自己的节点，向各个方向传播信号，而非依赖中央集线器。

为了彼此通信并与其他设备（如计算机或智能手机）通信，蓝牙设备建立层级式的父子关系，一台设备与多台其他设备建立连接。

蓝牙的低功耗信号支持在嘈杂环境中进行可靠通信，使其成为某些商业物联网用例的可行选择。当前的蓝牙实现（尤其是低功耗蓝牙 ——BLE）只要用例不需要数据密集型操作或大量带宽，就可用于物联网。

蓝牙劫持是一种网络攻击，未授权第三方可通过该攻击访问你的蓝牙设备。更复杂的蓝牙技术使这种攻击变得更加困难。不过，即使是最基础的蓝牙功能，也允许任何在相对较近范围内的人连接到设备。这在任何公共场所都是一个问题，尤其是在公寓楼和其他公共居住区，因为多款消费电子产品为了便利性而牺牲了安全性。

物联网连接的未来是什么？

我们渴望开启物联网的未来及其带来的各种可能性。来自各个行业的客户都将获得知识和工具，以打造改善生活的物联网连接技术，推动行业未来增长。

用户数据监管即将迎来巨大变革，更完善的安全法规即将出台。物联网仍将是众多未来连接技术的基础，这些技术将彻底改变我们的日常生活。

物联网连接管理的主要趋势尚未明确。不过，有两大主要参与者：WiFi 和移动网络。目前，新版本的 WiFi 标准正在研发中，将更适应更主流的物联网解决方案。重点在于改善功耗和覆盖范围。