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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

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

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

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)

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

同一份上行包可能被多个 Gateway 同时收到 → 由 Network Server 统一去重

Device 省电等级(Class A / B / C)

Class A · 必须支持发完才开接收窗口最省电 Class B 定时开接收窗口有调度延迟 Class C 一直开接收(插电) 无延迟关键取舍: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。

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

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)

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)

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)

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