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title: 物联网无线协议
url: https://doc.liz6.com/hardware/07-wireless-communications/02-iot-wireless-protocols
locale: zh
area: hardware
tags:
- hardware
- 无线通信
date: 2026-06-30
modified: 2026-07-11
description: 低功耗、低速率、广覆盖或局域组网的无线协议全景
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# 物联网无线协议

> 低功耗、低速率、广覆盖或局域组网的无线协议全景

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## 协议对比总览

| 协议 | 频段 | 速率 | 距离 | 功耗 | 组网 | 典型应用 |
|------|------|------|------|------|------|----------|
| Zigbee | 2.4G/868/915M | 250kbps | 10~100m | 极低 | Mesh | 智能家居 |
| Thread | 2.4G/Sub-G | 250kbps | 10~100m | 极低 | Mesh | 智能家居 |
| Matter | IP层 | - | - | - | 跨协议 | 统一应用层 |
| Z-Wave | 800~900M | 100kbps | 30m | 极低 | Mesh | 智能家居(专有) |
| LoRa | 433/868/915M | 0.3~50k | 2~15km | 极低 | Star | 传感器/农业 |
| NB-IoT | 授权蜂窝 | 250kbps | 数km | 低 | 蜂窝 | 抄表/市政 |
| NFC | 13.56M | 106~848k | <10cm | 极低(无源) | P2P | 支付/门禁 |
| UWB | 3~10G | 6.8M~1G | <200m | 中 | P2P | 精确定位 |

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## Zigbee

### 特点
```
基于 IEEE 802.15.4
Mesh 拓扑: 每个节点可中继 → 覆盖范围大
自愈: 某节点失效 → 自动找新路径
低功耗: 终端节点可休眠 (电池供电数年)

缺点:
  - 2.4G 频段拥挤
  - 不直接支持 IP → 需要网关转换
  - 供应商锁定 (虽然有 Zigbee 3.0 改进)
```

### 典型网络
```
Coordinator (协调器) ×1: 创建网络, 相当于网关
Router (路由器) ×N: 中继消息, 必须常供电
End Device (终端) ×N: 休眠设备, 电池供电

常见应用: Philips Hue, Aqara, IKEA TRÅDFRI
```

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## Thread + Matter

### Thread
```
与 Zigbee 同根 (802.15.4), 但原生支持 IPv6
Mesh 拓扑, 使用 6LoWPAN 压缩 IPv6 包

优势:
  ✓ 每个设备有 IPv6 地址 → 无需应用层网关
  ✓ 真正去中心化 (没有单点故障的 Coordinator)
  ✓ Border Router 仅做 IP 桥梁, 不做协议转换

问题: 仍需要 Thread Border Router
       (Apple TV, HomePod, Google Nest Hub 等内置)
```

### Matter
```
Matter ≠ 无线协议! Matter 是应用层统一标准

Matter 跑在这些协议之上:
  - Thread (低功耗 Mesh)
  - WiFi (高带宽)
  - Ethernet (有线)

Matter 解决的问题:
  "你买 Aqara 只能用 Aqara Hub, 买 Hue 只能用 Hue Bridge..."
  Matter → 同一个设备可被 Apple Home / Google Home / Alexa 同时控制

注意: Matter 设备 ≠ 不需要 Hub
      Thread 设备仍需要 Thread Border Router
      (但可共用, 不限于单一品牌)
```

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## LoRa / LoRaWAN

### 为什么 LoRa
```
WiFi/BLE/Zigbee 覆盖范围太小 (几十米)
蜂窝模块太贵 + SIM 卡管理麻烦 + 耗电

LoRa: 用极低数据速率换取极远距离
LoRa = 物理层 (Semtech 私有调制)
LoRaWAN = MAC + 网络层 (开放标准)
```

### 关键特性
```
Sub-GHz 频段 (433/868/915 MHz): 穿墙好, 干扰少
扩频调制 (CSS): 可在噪声以下接收 (-140dBm 灵敏度!)
速率: 0.3 kbps ~ 50 kbps (扩频因子越大越慢但越远)

链路预算: 最大 ~170dB
  → 城市 2~5km, 乡下 10~15km

功耗: 发射 ~100mA, 休眠 ~1μA
```

### LoRaWAN 网络架构
<svg viewBox="0 0 720 360" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg" font-family="-apple-system,'Source Han Sans CN','Microsoft YaHei',sans-serif" role="img" aria-label="LoRaWAN 网络架构:设备到网关到网络服务器的星型链路,以及三种终端省电等级">
  <defs>
    <marker id="loraah" markerWidth="10" markerHeight="8" refX="8" refY="3" orient="auto"><path d="M0,0 L8,3 L0,6 Z" fill="#475569"/></marker>
  </defs>
  <rect width="720" height="360" fill="#ffffff"/>
  <text x="360" y="28" text-anchor="middle" font-size="17" font-weight="700" fill="#1f2933">LoRaWAN 网络架构:星型接入,网关只转发,去重在服务器</text>

  <rect x="40" y="60" width="150" height="64" rx="8" fill="#eef2ff" stroke="#c7d2fe"/>
  <text x="115" y="86" text-anchor="middle" font-size="13" font-weight="700" fill="#3730a3">Device</text>
  <text x="115" y="105" text-anchor="middle" font-size="10.5" fill="#4f46e5">星型拓扑</text>

  <line x1="190" y1="92" x2="283" y2="92" stroke="#475569" stroke-width="1.6" marker-end="url(#loraah)"/>
  <text x="236" y="82" text-anchor="middle" font-size="11" fill="#64748b">LoRa</text>

  <rect x="285" y="60" width="150" height="64" rx="8" fill="#e2e8f0" stroke="#cbd5e1"/>
  <text x="360" y="86" text-anchor="middle" font-size="13" font-weight="700" fill="#334155">Gateway</text>
  <text x="360" y="105" text-anchor="middle" font-size="10" fill="#475569">仅转发 · 不做协议</text>

  <line x1="435" y1="92" x2="528" y2="92" stroke="#475569" stroke-width="1.6" marker-end="url(#loraah)"/>
  <text x="481" y="82" text-anchor="middle" font-size="11" fill="#64748b">IP 网</text>

  <rect x="530" y="60" width="150" height="64" rx="8" fill="#f0fdfa" stroke="#99f6e4"/>
  <text x="605" y="86" text-anchor="middle" font-size="12" font-weight="700" fill="#115e59">Network Server</text>
  <text x="605" y="105" text-anchor="middle" font-size="10" fill="#0f766e">去重 · 解密 · 路由</text>

  <text x="360" y="150" text-anchor="middle" font-size="11.5" fill="#64748b">同一份上行包可能被多个 Gateway 同时收到 → 由 Network Server 统一去重</text>

  <line x1="40" y1="170" x2="680" y2="170" stroke="#e2e8f0" stroke-width="1"/>

  <text x="40" y="198" font-size="13" font-weight="700" fill="#1f2933">Device 省电等级(Class A / B / C)</text>

  <rect x="40" y="210" width="200" height="70" rx="8" fill="#ccfbf1" stroke="#99f6e4"/>
  <text x="140" y="233" text-anchor="middle" font-size="12" font-weight="700" fill="#0f766e">Class A · 必须支持</text>
  <text x="140" y="252" text-anchor="middle" font-size="10.5" fill="#115e59">发完才开接收窗口</text>
  <text x="140" y="268" text-anchor="middle" font-size="10.5" fill="#115e59">最省电</text>

  <rect x="260" y="210" width="200" height="70" rx="8" fill="#ffedd5" stroke="#f97316"/>
  <text x="360" y="233" text-anchor="middle" font-size="12" font-weight="700" fill="#c2410c">Class B</text>
  <text x="360" y="252" text-anchor="middle" font-size="10.5" fill="#9a3412">定时开接收窗口</text>
  <text x="360" y="268" text-anchor="middle" font-size="10.5" fill="#9a3412">有调度延迟</text>

  <rect x="480" y="210" width="200" height="70" rx="8" fill="#e2e8f0" stroke="#cbd5e1"/>
  <text x="580" y="233" text-anchor="middle" font-size="12" font-weight="700" fill="#334155">Class C</text>
  <text x="580" y="252" text-anchor="middle" font-size="10.5" fill="#475569">一直开接收(插电)</text>
  <text x="580" y="268" text-anchor="middle" font-size="10.5" fill="#475569">无延迟</text>

  <rect x="60" y="300" width="600" height="46" rx="8" fill="#f0fdfa" stroke="#99f6e4"/>
  <text x="76" y="328" font-size="12.5" fill="#115e59">关键取舍:Class A 最省电但下行有延迟,是唯一强制支持的档位;Class C 无延迟但需要持续供电。</text>
</svg>

### 应用
```
农业: 土壤湿度传感器 (几公里一个, 电池用数年)
抄表: 水表/电表 (Sub-GHz 穿透地下室)
追踪: 牲畜/资产 GPS+LoRa
环境监测: 气象站/水质
```

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## NFC / RFID

### NFC (13.56 MHz)
```
超近距离 (<10cm), 基于电感耦合

三种模式:
  Reader/Writer: 读写标签 (门禁卡/支付)
  Card Emulation: 手机模拟卡 (Apple Pay/公交卡)
  P2P: 设备间小数据交换 (Android Beam, 已边缘化)

NFC 标签类型:
  Type 1/2 (NTAG): 最常用, 小容量 (<2KB)
  Type 4 (DESFire): 安全高, 门禁/支付
  Type 5 (ISO 15693): 远一点 (~1m), 图书馆

无源标签: 从读卡器磁场获取能量 → 无需电池
```

### RFID
```
LF (125kHz):  动物植入/门禁, 极短距离
HF (13.56MHz): NFC 属于这类, 图书馆/身份证
UHF (860~960MHz): 物流/仓库, 可达 10m+

LF/HF: 磁场耦合 (近场)
UHF: 电磁波反向散射 (远场)
```

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## UWB (超宽带)

```
极短脉冲 (ns 级) + 大带宽 (>500MHz)
→ 飞行时间 (ToF) 精确到厘米级

特点:
  - 室内厘米级定位 (比 WiFi/BLE 准得多)
  - 抗多径干扰
  - 功耗中等

应用:
  - Apple AirTag / U1 芯片
  - 车钥匙 (CCC Digital Key)
  - 室内导航
  - 足球/体育追踪

频率: 3.1~10.6 GHz (中国 6~9 GHz)
```

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## 速查: 什么时候选什么

```
电池供电 + 远距离 (km级) → LoRa
电池供电 + 智能家居 Mesh → Thread/Zigbee
需要 IP 直接通信 → Thread (IPv6)
多品牌互操作 → Matter 设备
支付/门禁/近距离 → NFC
厘米级室内定位 → UWB
大带宽 + 低延迟 + 功耗不敏感 → WiFi
穿戴设备 + 手机通信 → BLE
抄表 + 有蜂窝覆盖 → NB-IoT (不需要自己建网关)
```

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*关键词: Zigbee, Thread, Matter, LoRa, LoRaWAN, NFC, RFID, UWB, 802.15.4*