物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議全解析

1、隨著物聯(lián)網(wǎng)設備數(shù)量的持續(xù)增加，這些設備之間的通信或連接已成為 一個重要的思考課題。通信對物聯(lián)網(wǎng)來說十分常用且關(guān)鍵，無論是近距離 無線傳輸技術(shù)還是移動通信技術(shù)，都影響著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。而在通信中， 通信協(xié)議尤其重要，是雙方實體完成通信或服務所必須遵循的規(guī)則和約定。本文介紹了幾個可用的物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議，它們具有不同的性能、數(shù)據(jù) 速率、覆蓋范圍、功率和內(nèi)存，而且每一種協(xié)議都有各自的優(yōu)點和或多或 少的缺點。其中一些通信協(xié)議只適合小型家用電器，而其他一些通信協(xié)議 則可以用于大型智慧城市項目。物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議分為兩大類： ?一類是接入?yún)f(xié)議：一般負責子網(wǎng)內(nèi)設備間的組網(wǎng)及通信?一類是通訊協(xié)議：主要是運行在傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)

2、TCP/IP協(xié)議之上的設備通訊協(xié)議，負責設備通過互聯(lián)網(wǎng)進行數(shù)據(jù)交換及通信。一物理層、數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議1、遠距離蜂窩通信（1）2G/3G/4G通信協(xié)議，分別指第二、三、四代移動通信系統(tǒng)協(xié)議。（2）NB-IOT窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NarrOW Band Internet of Things, NB-IOT）成為萬物互聯(lián)網(wǎng)絡的一個重要分支。NB-IoT構(gòu)建于蜂窩網(wǎng)絡，只消耗大約18OkHZ的帶寬，可直接部署于GSM網(wǎng)絡、UMTS網(wǎng)絡或LTE網(wǎng)絡，以降低部署成本、實現(xiàn)平滑升級。NB-IOT聚焦于低功耗廣覆蓋（LPWA物聯(lián)網(wǎng)（IoT ）市場，是一種可在全球范圍內(nèi)廣泛應用的新興技術(shù)。具有覆蓋廣、 連接多、速率快、成

3、本低、功耗低、架構(gòu)優(yōu)等特點。應用場景：NB-IoT網(wǎng)絡帶來的場景應用包括智能停車、智能消防、智 能水務、智能路燈、共享單車和智能家電等。（3）5G第五代移動通信技術(shù)，是最新一代蜂窩移動通信技術(shù)。5G的性能目標是高數(shù)據(jù)速率、減少延遲、節(jié)省能源、降低成本、提高系統(tǒng)容量和大規(guī)模 設備連接。應用場景：AR/VR、車聯(lián)網(wǎng)、智能制造、智慧能源、無線醫(yī)療、無線 家庭娛樂、聯(lián)網(wǎng)無人機、超高清/全景直播、個人 AI輔助、智慧城市。2、遠距離非蜂窩通信（1）WiFi由于前幾年家用 WiFi路由器以及智能手機的迅速普及，WiFi協(xié)議在智能家居領(lǐng)域也得到了廣泛應用。WiFi協(xié)議最大的優(yōu)勢是可以直接接入互 聯(lián)網(wǎng)。相對于

4、 ZigBee ,采用 Wifi協(xié)議的智能家居方案省去了額外的網(wǎng)關(guān)， 相對于藍牙協(xié)議，省去了對手機等移動終端的依賴。商用WiFi在城市公共交通、商場等公共場所的覆蓋，將商用 WiFi 的場景應用潛力表露無疑。（2）ZigBeeZigBee是一種低速短距離傳輸?shù)臒o線通信協(xié)議，是一種高可靠的無線 數(shù)傳網(wǎng)絡，主要特色有低速、低耗電、低成本、支持大量網(wǎng)上節(jié)點、支持 多種網(wǎng)上拓撲、低復雜度、快速、可靠、安全。ZigBee技術(shù)是一種新型技術(shù)，它最近出現(xiàn)，主要是依靠無線網(wǎng)絡進行傳輸，它能夠近距離的進行無 線連接，屬于無線網(wǎng)絡通訊技術(shù)。ZigBee技術(shù)的先天性優(yōu)勢，使得它在物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)逐漸成為一個主流技 術(shù)，在

5、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、智能家居等領(lǐng)域得到大規(guī)模的應用。（3）LORaLoRa?（LOngRange遠距離 ）是一種調(diào)制技術(shù)，與同類技術(shù)相比，提供 更遠的通信距離。LoRa網(wǎng)關(guān)、煙感、水監(jiān)測、紅外探測、定位、排插等 廣泛應用物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品。作為一種窄帶無線技術(shù)，LoRa是使用到達時間差來實現(xiàn)地理定位的。LoRa定位的應用場景：智慧城市和交通監(jiān)控、計量和物流、農(nóng)業(yè)定位監(jiān)控。3、近距離通信（1）RFID射頻識別（RFID）是 Radio FreqUency Identification的縮寫。其原理為閱讀器與標簽之間進行非接觸式的數(shù)據(jù)通信，達到識別目標的目 的。RFID的應用非常廣泛，典型應用有動物晶片、汽車晶片

6、防盜器、門 禁管制、停車場管制、生產(chǎn)線自動化、物料管理。完整的RFID系統(tǒng)由讀寫器（Reader）、電子標簽（Tag）和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)三部分組成。（2）NFCNFC的中文全稱為近場通信技術(shù)。NFC是在非接觸式射頻識別 （RFID）技術(shù)的基礎上，結(jié)合無線互連技術(shù)研發(fā)而成，它為我們?nèi)粘Ｉ钪性絹碓?普及的各種電子產(chǎn)品提供了一種十分安全快捷的通信方式。NFC中文名稱中的“近場”是指臨近電磁場的無線電波。應用場景：應用在門禁、考勤、訪客、會議簽到、巡更等領(lǐng)域。NFC具有人機交互、機器間交互等功能。（3）Bluetooth藍牙技術(shù)是一種無線數(shù)據(jù)和語音通信開放的全球規(guī)范，它是基于低成 本的近距離無線連接，為

7、固定和移動設備建立通信環(huán)境的一種特殊的近距 離無線技術(shù)連接。藍牙能在包括移動電話、PDA、無線耳機、筆記本電腦、相關(guān)外設等眾多設備之間進行無線信息交換。利用“藍牙”技術(shù)，能夠有效地簡化移 動通信終端設備之間的通信，也能夠成功地簡化設備與因特網(wǎng)In ternet之間的通信，從而數(shù)據(jù)傳輸變得更加迅速高效，為無線通信拓寬道路。4、有線通信（1）USBUSB是英文 Universal Serial BuS（通用串行總線）的縮寫，是一個外部總線標準，用于規(guī)范電腦與外部設備的連接和通訊。是應用在PC領(lǐng)域的接口技術(shù)。（2）串口通信協(xié)議串口通信協(xié)議是指規(guī)定了數(shù)據(jù)包的內(nèi)容，內(nèi)容包含了起始位、主體數(shù) 據(jù)、校驗位及

8、停止位，雙方需要約定一致的數(shù)據(jù)包格式才能正常收發(fā)數(shù)據(jù) 的有關(guān)規(guī)范。在串口通信中，常用的協(xié)議包括RS-232、RS-422和RS-485串口通信是指外設和計算機間，通過數(shù)據(jù)線按位進行傳輸數(shù)據(jù)的一種 通訊方式。這種通信方式使用的數(shù)據(jù)線少，在遠距離通信中可以節(jié)約通信 成本，但其傳輸速度比并行傳輸?shù)?。大多?shù)計算機（不包括筆記本）都包含兩個RS-232串口。串口通信也是儀表儀器設備常用的通信協(xié)議。（3）以太網(wǎng)以太網(wǎng)是一種計算機局域網(wǎng)技術(shù)。IEEE組織的IEEE 802.3 標準制定了以太網(wǎng)的技術(shù)標準，它規(guī)定了包括物理層的連線、電子信號和介質(zhì)訪問 層協(xié)議的內(nèi)容。（4）MBUSMBUS遠程抄表系統(tǒng)（SymP

9、hOnic mbus ），是歐洲標準的 2線的二總 線，主要用于消耗測量儀器諸如熱表和水表系列。二網(wǎng)絡層、傳輸協(xié)議1、IPV4互聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議第四版，是網(wǎng)際協(xié)議開發(fā)過程中的第四個修訂版本， 也是此協(xié)議第一個被廣泛部署的版本。IPv4是互聯(lián)網(wǎng)的核心，也是使用最廣泛的網(wǎng)際協(xié)議版本。2、IPv6互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議第6版，由于IPv4最大的問題在于網(wǎng)絡地址資源有限， 嚴重制約了互聯(lián)網(wǎng)的應用和發(fā)展。IPv6的使用，不僅能解決網(wǎng)絡地址資源數(shù)量的問題，而且也解決了多種接入設備連入互聯(lián)網(wǎng)的障礙。3、TCP傳輸控制協(xié)議(TCP, TranSmiSSiOn COntrol Protocol)是一種面向連接的、可靠的、基于字

10、節(jié)流的傳輸層通信協(xié)議。TCP旨在適應支持多網(wǎng)絡應用的分層協(xié)議層次結(jié)構(gòu)。連接到不同但互連的計算機通信網(wǎng)絡的主 計算機中的成對進程之間依靠TCP提供可靠的通信服務。TCP假設它可以從較低級別的協(xié)議獲得簡單的，可能不可靠的數(shù)據(jù)報服務。4、6LoWPAN6LoWPAN是一種基于IPv6的低速無線個域網(wǎng)標準，即IPv6 overIEEE 802.15.4。三應用層協(xié)議1、MQTT協(xié)議MQTT (MeSSage Queue TeIemetry Tran SPOrt),翻譯成中文就是，遙測傳輸協(xié)議，其主要提供了訂閱/發(fā)布兩種消息模式，更為簡約、輕量，易于使用，特別適合于受限環(huán)境(帶寬低、網(wǎng)絡延遲高、網(wǎng)絡通信

11、不穩(wěn)定) 的消息分發(fā)，屬于物聯(lián)網(wǎng)(In ternet of Thi ng)的一個標準傳輸協(xié)議。在很多情況下，包括受限的環(huán)境中，如：機器與機器(M2M通信和物聯(lián)網(wǎng)(IoT )。其在，通過衛(wèi)星鏈路通信傳感器、偶爾撥號的醫(yī)療設備、 智能家居、及一些小型化設備中已廣泛使用。2、CoAP協(xié)議CoAP( ConStrained APPIiCatiOn Protocol)是一種在物聯(lián)網(wǎng)世界的類Web協(xié)議，適用于需要通過標準互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡進行遠程控制或監(jiān)控的小 型低功率傳感器，開關(guān)，閥門和類似的組件，服務器對不支持的類型可以 不響應。3、REST/HTTP 協(xié)議RESTfUI是一種基于資源的軟件架構(gòu)風格。所謂資源

12、，就是網(wǎng)絡上的 一個實體，或者說是網(wǎng)絡上的一個具體信息。一張圖片、一首歌曲都是一 個資源。RESTfUI API 是基于HTTP協(xié)議的一種實現(xiàn)。(HTTP是一個應用 層的協(xié)議，特點是簡捷快速)。滿足ReSt規(guī)范的應用程序或設計就是RESTfUl ,根據(jù)ReSt規(guī)范設計的 APl ,就叫做 RESTfUI API4、DDS協(xié)議DDS( Data DiStribUtiOn SerViCe)分布式實時數(shù)據(jù)分發(fā)服務中間件協(xié)議，它是分布式實時網(wǎng)絡里的“ TCP/IP”，用來解決實時網(wǎng)絡中的網(wǎng) 絡協(xié)議互聯(lián)，其作用相當于“總線上的總線”。5、AMQP協(xié)議AMQP 即 AdVaneed MeSSage QUe

13、Uing Protocol,一個提供統(tǒng)一消息服務的應用層標準高級消息隊列協(xié)議，是應用層協(xié)議的一個開放標準， 為面向消息的中間件設計?；诖藚f(xié)議的客戶端與消息中間件可傳遞消息， 并不受客戶端/中間件不同產(chǎn)品，不同的開發(fā)語言等條件的限制。Erlang中的實現(xiàn)有RabbitMQ等。6、XMPP協(xié)議XMPP是 一種基于標準通用標記語言的子集XML的協(xié)議，它繼承了在XML環(huán)境中靈活的發(fā)展性。因此，基于XMPP的應用具有超強的可擴展性。經(jīng)過擴展以后的 XMPP可以通過發(fā)送擴展的信息來處理用戶的需求，以及 在XMPP的頂端建立如內(nèi)容發(fā)布系統(tǒng)和基于地址的服務等應用程序。四部分通信協(xié)議比較1、NB-IOT協(xié)議和

14、LoRa協(xié)議比較第一，頻段。LoRa工作在IGHz以下的非授權(quán)頻段，在應用時不需要 額外付費，NB-IoT和蜂窩通信使用IGHz以下的頻段是2113授權(quán)的，是 需要收費的。第二，電池供電壽命。LoRa模塊在處理干擾、網(wǎng)絡 5261重迭、可伸縮性等方面具有獨特的特性，但卻不能提供像蜂窩協(xié)議一樣的服務質(zhì)量 4102。 NB-IOT出于對服務質(zhì)量的考慮，不能提供類似LoRa 一樣的電池壽命。第三，設備成本。對終端節(jié)點來說，LoRa協(xié)議比NB-IoT更簡單，更容易開發(fā)并且1653對于微處理器的適用和兼容性更好。同時低成本、技 術(shù)相對成熟的LoRa模塊已經(jīng)可以在市場上找到了，并且還會有升級版本 陸續(xù)出來

15、。第四，網(wǎng)絡覆蓋和部署時間表。NB-IOT標準在2016年公布，除回網(wǎng)絡部署之外，相應的商業(yè)化和產(chǎn)業(yè)鏈的建立還需要更長的時間和努力去探 索。LORa的整個產(chǎn)業(yè)鏈相對已經(jīng)較為成熟了，產(chǎn)品也處于“蓄勢待答發(fā)” 的狀態(tài)，同時全球很多國家正在進行或者已經(jīng)完成了全國性的網(wǎng)絡部署。2、藍牙、WiFi、ZigBee協(xié)議比較目前來說，WiFi的優(yōu)勢是應用廣泛，已經(jīng)普及到千家萬戶；ZigBee的優(yōu)勢是低功耗和自組網(wǎng)；UWB無載波無線通信技術(shù)的優(yōu)勢是傳輸速率；藍牙的優(yōu)勢組網(wǎng)簡單。然而，這3種技術(shù)，也都有各自的不足，沒有一種技術(shù)能完全滿足智能家居的全部要求。藍牙技術(shù)的出現(xiàn)使得短距離無線通信成為可能，但其協(xié)議較復雜、

16、功 耗高、成本高等特點不太適用于要求低成本、低功耗的工業(yè)控制和家庭網(wǎng) 絡。尤其藍牙最大的障礙在于傳輸范圍受限，一般有效的范圍在10米左右,抗干擾能力不強、信息安全問題等問題也是制約其進一步發(fā)展和大規(guī)模應 用的主要因素。WiFi也是是一種短距離無線傳輸技術(shù)，可以隨時接入無線信號，移動性強，比較適合在辦公室及家庭的環(huán)境下應用。當然WiFi也存在一個致命缺點。由于 WiFi采用的是射頻技術(shù)，通過空氣發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，使用 無線電波傳輸數(shù)據(jù)信號，比較容易受到外界的干擾。ZigBee則是國際通行的無線通訊技術(shù)，它的每個網(wǎng)絡端口可以最多接 入6.5萬多個端口，適合家居、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等多個領(lǐng)域使用，而藍牙和 WiFi網(wǎng)端只能接入10個端口，顯然不能適應家庭需要。ZigBee還具有低功耗和低成本優(yōu)勢。3、MQTT協(xié)議和COAP協(xié)議比較MQTT是多對多通訊協(xié)議用于在不同客戶端之間通過中間代理傳送消息， 解耦生產(chǎn)者與消費者，通過使得客戶端發(fā)布，讓代理決定路由并且拷貝消 息。雖然MQTT支持一些持久化，最好還是作為實時數(shù)據(jù)通訊總線。CoAP主要是一個點對點協(xié)議，用于在客戶端與服務器之間傳輸狀態(tài)信 息。雖然支持觀察資