選擇錯誤的物聯(lián)網(wǎng)通信技術會耗盡您連接的設備的電量，導致數(shù)據(jù)傳輸延遲，打開安全漏洞，并使整個設置失敗。

根據(jù)市場研究公司IoT Analytics的數(shù)據(jù)，2020年全球有117億個IoT連接，預計到2025年這個數(shù)字將超過300億。隨著物聯(lián)網(wǎng)的采用持續(xù)增長，仔細考慮如何以最佳方式連接信息物理系統(tǒng)并避免信號干擾。

有許多物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議，篩選它們的規(guī)范并確定哪種技術適合您的應用程序可能會讓人不知所措。本文闡明了圍繞物聯(lián)網(wǎng)連接的基本術語，并介紹了最流行的物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議。閱讀后，您將了解選擇可幫助您充分利用物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的協(xié)議所需的知識。

如果您想在提升通信協(xié)議知識之前更好地了解IoT，請查看本IoT產(chǎn)品開發(fā)指南。否則，讓我們直接潛入！

物聯(lián)網(wǎng)設備如何相互通信？

通信協(xié)議是一組規(guī)則，可實現(xiàn)設備和/或數(shù)據(jù)中心以及其他存儲和處理單元之間的安全數(shù)據(jù)交換。

每種物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議都有其獨特的特點，這使其適用于一個項目而對另一個項目無用。協(xié)議在范圍、內(nèi)存使用、功耗、安裝成本等方面差異很大。有些只能連接一棟建筑物內(nèi)的設備，有些則可以跨越物理障礙進行通信。例如，藍牙是一種常用的智能家居、健身技術和醫(yī)療保健物聯(lián)網(wǎng)通信技術，它不需要太多的內(nèi)存和電源即可運行，但其連接范圍有限。

正如Gartner高級研究總監(jiān)比爾·雷(Bill Ray)所說，“并非所有協(xié)議在任何情況下都能正常工作或運行良好。”

IoT通信協(xié)議支持以下連接：

• 設備到設備

• 設備到網(wǎng)關

• 設備到云端或數(shù)據(jù)中心

由于物聯(lián)網(wǎng)解決方案是作為技術堆棧構建的，并且由多個層組成，如下圖所示，因此通信協(xié)議也在不同的層上運行。例如，前面提到的藍牙工作在最低層，而數(shù)據(jù)分發(fā)服務（DDS）協(xié)議工作在最高層——即應用層。

無線與有線物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)

有線物聯(lián)網(wǎng)設備通過低壓或標準電源線連接。每個節(jié)點都有一個唯一的ID和在其上運行的嵌入式軟件。這些設備是自給自足的，不依賴于中央集線器。它們通過特殊協(xié)議進行通信，例如X10和Insteon。

有線部署是可靠的，但IDC高級研究分析師Sandra Wendelken表示，“因此，無線連接一直是物聯(lián)網(wǎng)部署激增的驅(qū)動力。”

與無線網(wǎng)絡物理系統(tǒng)不同，有線物聯(lián)網(wǎng)解決方案不允許在運行中向網(wǎng)絡添加更多設備，并且它們的配置可能是一項復雜的任務。另一方面，無線解決方案并不總是提供對數(shù)據(jù)的實時訪問，因此需要考慮近實時模式是否適合他們的項目目標。

無線物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議的好處：

• 可擴展性：標準協(xié)議支持以最少的配置調(diào)整添加新設備

• 互操作性：物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議可以編程為與不同的硬件一起工作，例如芯片和網(wǎng)關，它們支持來自不同供應商的設備

• 可靠性：標準通信技術確保安全的數(shù)據(jù)傳輸和抗干擾的魯棒性

物聯(lián)網(wǎng)無線連接技術可以進一步細分為短程和遠程解決方案。

短距離與長距離無線通信協(xié)議

短程技術在有限范圍內(nèi)運行，同時降低連接成本和功耗。這樣的協(xié)議為智能家居和商業(yè)樓宇自動化提供了一個很好的選擇。該技術的一些流行示例是藍牙和Zigbee協(xié)議。

遠程物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議覆蓋更遠的距離。他們大多試圖降低吞吐量以節(jié)省長距離傳輸?shù)墓β省Ｔ摷夹g的熱門應用是工業(yè)現(xiàn)場監(jiān)控、農(nóng)業(yè)系統(tǒng)和智慧城市。遠程協(xié)議的一個示例是LoRaWAN，如果不存在物理障礙，它可以跨越10公里。

物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議分類

最常見的方法之一是將物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議分為兩組——數(shù)據(jù)協(xié)議和網(wǎng)絡協(xié)議。

• 數(shù)據(jù)協(xié)議在更高層運行，例如應用程序和表示

• 網(wǎng)絡協(xié)議從數(shù)據(jù)鏈路、傳輸、網(wǎng)絡和物理層工作

物聯(lián)網(wǎng)通信技術：數(shù)據(jù)協(xié)議

物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)協(xié)議連接低功耗物聯(lián)網(wǎng)設備，并在離線模式下直接與硬件提供點對點通信。連接是通過有線或蜂窩網(wǎng)絡實現(xiàn)的。

高級消息隊列協(xié)議(AMQP)

這是一個開放標準應用層協(xié)議，支持獨立于所使用平臺的系統(tǒng)之間的消息傳遞。它可以保證來自不同供應商的客戶端之間的互操作性。即使在較差的網(wǎng)絡或其中一個系統(tǒng)暫時不可用時，AMQP也能確保安全可靠的通信。它指定“轉(zhuǎn)發(fā)地址”，在連接失敗的情況下可以路由消息。

該協(xié)議在基于服務器的分析環(huán)境的設置中很受歡迎，例如銀行技術解決方案。否則，由于它的重量，它的應用相當有限。

AMQP與傳輸層安全性(TLS)集成，可確保傳輸時的數(shù)據(jù)加密。此外，這種物聯(lián)網(wǎng)通信技術實現(xiàn)了簡單身份驗證安全層(SASL)框架，用于客戶端和服務器之間的安全身份驗證握手。

優(yōu)點：

• 可靠性

• 安全

• 支持不同的消息傳遞模式（發(fā)布-訂閱、存儲轉(zhuǎn)發(fā)和經(jīng)典消息傳遞隊列）

• 以最小的努力實現(xiàn)可擴展性

缺點：

• 大量內(nèi)存需求

• 由于消息量大，數(shù)據(jù)傳輸慢

消息隊列遙測傳輸(MQTT)

這是一個輕量級的物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議。它提供可靠的連接并在TCP/IP網(wǎng)絡之上運行。MQTT適用于帶寬受限、延遲高的無線系統(tǒng)，例如在不可靠網(wǎng)絡上運行的移動設備。這就是Facebook將其用于在線聊天的原因。另一個應用是遠程監(jiān)控，因為MQTT擅長從遠程位置容量有限的設備收集小消息。

與AMQP不同，該協(xié)議僅限于發(fā)布-訂閱架構，并具有三個主要組件——訂閱者、發(fā)布者和代理。訂閱者機制生成數(shù)據(jù)，發(fā)布者提供路由選項，代理確保安全。

它不提供設備管理結構或定義的數(shù)據(jù)表示。因此，這些參數(shù)是特定于供應商的。

優(yōu)點：

• 低功耗

• 低帶寬使用

• 能夠在不可靠的連接下正常運行

缺點：

• 來自不同供應商的設備之間的互操作性有限

• 固有的安全約束（依靠短用戶名和密碼進行身份驗證）

• 延展性差

• 消息傳遞模式的有限選擇（僅發(fā)布-訂閱）

受限應用協(xié)議(CoAP)

互聯(lián)網(wǎng)工程任務組設計了這個物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議來滿足基于HTTP的系統(tǒng)的需求。盡管互聯(lián)網(wǎng)可供所有人免費使用，但對于許多物聯(lián)網(wǎng)應用程序來說它還是太重了。因此，物聯(lián)網(wǎng)社區(qū)傾向于摒棄HTTP，認為它對物聯(lián)網(wǎng)應用程序不可行。CoAP可以與HTTP一起工作而不會引起竊聽，因為它允許短喚醒和長睡眠狀態(tài)。它允許HTTP客戶端在資源受限的情況下交換信息。它在樓宇自動化和智能能源應用中很受歡迎。

CoAP依賴于用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議(UDP)數(shù)據(jù)包進行通信和消息傳遞。該技術用于機器對機器應用程序，并允許容量有限的設備（如低可用性）加入物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境。它甚至可以與只有10KiBRAM的微控制器一起使用。

優(yōu)點：

• 高度安全，因為它使用DTSL參數(shù)作為其默認參數(shù)

• 易于部署

• 適用于功能有限的設備

缺點：

• 消息可能以錯誤的順序到達目的地，這是UDP的常見問題

• 難以與網(wǎng)絡地址轉(zhuǎn)換(NAT)后面的設備通信，因為它們可以生成動態(tài)IP地址

數(shù)據(jù)分發(fā)服務(DDS)

對象管理組(OMG)為實時系統(tǒng)開發(fā)了這種物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議。DDS使用發(fā)布-訂閱模式提供可靠且可擴展的數(shù)據(jù)交換。它的可擴展性歸因于DDS支持發(fā)布者和訂閱者的動態(tài)發(fā)現(xiàn)。它適用于云和低占用空間的設備，并提供可互操作的數(shù)據(jù)共享，這是軟件和硬件獨立的。

該協(xié)議被認為是第一個開放的國際中間件物聯(lián)網(wǎng)標準。

優(yōu)點：

• 可擴展

• 高度安全和強大的QoS機制

• 保證低延遲通信

• 連接來自不同供應商的設備

缺點：

• 帶寬重（消耗的流量是MQTT的兩倍）

• 僅通過網(wǎng)關與Web服務交互

物聯(lián)網(wǎng)通信技術：網(wǎng)絡協(xié)議

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡通信協(xié)議通過網(wǎng)絡連接中等和高功率物聯(lián)網(wǎng)設備。該技術通常在互聯(lián)網(wǎng)上運行。

有幾種方法可以將IoT設備連接到網(wǎng)絡和/或相互連接。這些包括點對點、星形和網(wǎng)狀網(wǎng)絡。

在點對點部署中，兩個節(jié)點直接相連，形成一個緊密的網(wǎng)絡。此網(wǎng)絡上的數(shù)據(jù)不會在公共Internet上傳輸，因此此連接非常安全。

在星形網(wǎng)絡中，所有節(jié)點都連接到網(wǎng)關，網(wǎng)關收集和傳輸數(shù)據(jù)以進行進一步處理和存儲。這種方法不會消耗太多能量，因為允許設備在傳輸之間休息。但是，如果一個節(jié)點無法訪問網(wǎng)關，它就無法繼續(xù)傳遞數(shù)據(jù)。另一個缺點是網(wǎng)關存在單點故障。如果它斷開連接，整個系統(tǒng)就會關閉。

網(wǎng)狀網(wǎng)絡更可靠，因為其他節(jié)點也可以從其鄰居接收數(shù)據(jù)并將其進一步傳遞到網(wǎng)關。因此，節(jié)點的功能不受其直接訪問網(wǎng)關的能力的限制。這種網(wǎng)絡類型可以覆蓋比星形網(wǎng)絡更遠的距離并自我修復，因為它會在節(jié)點故障的情況下自動重新計算數(shù)據(jù)傳輸路線。

您可以使用多種IoT通信協(xié)議來創(chuàng)建這些類型的網(wǎng)絡。

藍牙和低功耗藍牙(BLE)

藍牙是一種用于短距離交換數(shù)據(jù)的無線技術。它在手機、媒體播放器和平板電腦等個人小工具中很常見。該協(xié)議廣泛用于智能家居配置。物聯(lián)網(wǎng)用戶很欣賞它可以通過智能手機控制他們連接的設備，這非常方便。即使需要網(wǎng)關將數(shù)據(jù)傳輸?shù)交ヂ?lián)網(wǎng)，普通智能手機也可以充當網(wǎng)關。

該協(xié)議以突發(fā)方式傳輸小塊數(shù)據(jù)，并且在處理較大的文件時會出現(xiàn)問題。

BLE于2010年推出，是針對短距離物聯(lián)網(wǎng)連接進行優(yōu)化的藍牙版本。它比標準藍牙協(xié)議消耗更少的功率。需要注意的是，BLE設備無法與經(jīng)典藍牙設備通信，除非它們都安裝了這兩種協(xié)議。

這種物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議相當安全，因為它在應用程序和網(wǎng)絡級別對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行加密。

優(yōu)點：

• 低延遲

• 硬件簡單，成本低

• 通過智能手機輕松訪問互聯(lián)網(wǎng)

• 安全的

缺點：

• 使用擁擠的2.4GHz頻率

• 連接設備數(shù)量有限

Zigbee

Zigbee是一種強大且可擴展的物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議，用于在家庭自動化和工業(yè)應用中收集傳感器數(shù)據(jù)。它在中等距離上傳輸少量數(shù)據(jù)。Zigbee在自我修復的網(wǎng)狀拓撲上運行，這使其高度可靠。新設備在執(zhí)行“握手”過程后即可加入網(wǎng)絡，該過程僅需30毫秒。

該協(xié)議需要一個自定義網(wǎng)關來控制物聯(lián)網(wǎng)設備，這很昂貴，尤其是與可以在智能手機上運行的藍牙相比。

優(yōu)點：

• 理論上最多可容納65,000臺設備

• 低功耗（小型設備可以使用一節(jié)電池運行數(shù)年）

• 相對較長的通信距離

缺點：

• 使用常見的2.4GHz頻率，容易受到干擾

• 需要自定義網(wǎng)關，這很昂貴

Z波

這是一種低功耗無線協(xié)議，常用于智能家居解決方案和商業(yè)應用。Z-Wave在本文介紹的網(wǎng)絡IoT通信協(xié)議中提供最低延遲。需要注意的是，這項技術在每個國家/地區(qū)以不同的頻率運行，這意味著用戶在更改其位置時將不得不購買不同的設備。理論上，該協(xié)議最多支持232種物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品。

Z-Wave是一項由Z-Wave聯(lián)盟管理的專有技術，負責監(jiān)督認證。因此，每個Z-Wave設備都與每個Z-Wave控制器兼容，獨立于制造商。此外，所有規(guī)范都在2016年向公眾發(fā)布，使開發(fā)人員可以使用該標準。

優(yōu)點：

• 避免Wi-Fi、藍牙和Zigbee使用的擁擠的2.4GHz頻率

• 低延遲

• 低功耗

• 合理覆蓋

缺點：

• 低數(shù)據(jù)傳輸率

• 溢價價格

無線上網(wǎng)

Wi-Fi使用Internet協(xié)議(IP)連接局域網(wǎng)(LAN)上的設備。它確?？拷脑O備之間進行可靠和安全的通信。該協(xié)議相對便宜且易于部署，適用于智能家居系統(tǒng)等室內(nèi)應用。它適用于繁重的文件，并且可以處理大量數(shù)據(jù)。

但是，這種物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議太耗電，并且有范圍限制。

優(yōu)點：

• 方便且易于安裝

• 高數(shù)據(jù)傳輸率

缺點：

• 高功耗

• 難以擴展

• 短距離通訊

遠程無線電廣域網(wǎng)(LoRaWAN)

這是一種非蜂窩無線廣域網(wǎng)技術，可遠距離連接設備，使其適用于遠距離傳輸遙測數(shù)據(jù)的智慧城市和工業(yè)應用。一個例子是連接到在LoRaWAN協(xié)議上運行的LoRa網(wǎng)關的智能路燈。該技術可以連接數(shù)百萬個物聯(lián)網(wǎng)設備，并針對低功耗進行了優(yōu)化。新設備既可以硬編碼，也可以安排成無線連接。

LoRa網(wǎng)關從不同的傳感器收集數(shù)據(jù)，并通過標準IP協(xié)議將其傳輸?shù)椒掌骰蛟贫?。LoRaWAN提供兩個安全層——一個用于網(wǎng)絡層，另一個用于應用程序。

這種物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議不適用于需要低延遲或傳輸大量數(shù)據(jù)的應用程序。

優(yōu)點：

• 可擴展性

• 覆蓋大距離

• 低功耗

• 在未經(jīng)許可的頻率上運行

缺點：

• 低數(shù)據(jù)傳輸率

• 自定義LoRa網(wǎng)關

• 不適合實時應用

如何為您的項目選擇合適的物聯(lián)網(wǎng)通信技術？

沒有一種單一的物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議可以始終節(jié)省時間并在每項任務中都能正常工作。選擇正確的技術是一個重大決定，需要謹慎對待。每個協(xié)議都有它的優(yōu)勢，并且在它大放異彩時有一套條件。在為您的下一個物聯(lián)網(wǎng)項目尋找最佳選擇時，請考慮以下標準：

• 設備能力。一些設備支持特定的通信協(xié)議。因此，您的硬件選擇將限制協(xié)議選項。

• 同步響應要求。如果系統(tǒng)不期望立即響應操作，您可以使用異步通信模式并從廣泛的MQ協(xié)議中進行選擇，例如MQTT。

• 連接性。根據(jù)連接類型和設備要求，您需要考慮數(shù)據(jù)傳輸速率、通信范圍和延遲等因素。

• 能量消耗。如果您有能力將設備插入電源插座，這不是問題，例如固定式家庭自動化產(chǎn)品。但是，如果您的設備使用電池運行且無法充電，那么低功耗協(xié)議將是更好的選擇。

• 分配的預算。物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議帶有不同的價格標簽。對其中一些人來說，安裝成本極低，一部普通的智能手機就可以充當網(wǎng)關。對于其他人來說，加入相應的聯(lián)盟將花費你一大筆錢，然后，你將為每臺連接的設備支付費用——更不用說將自定義網(wǎng)關整合到你的物聯(lián)網(wǎng)部署中的成本了。

我的物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議選擇算法

我傾向于通過檢查硬件功能和產(chǎn)品特性以及審查分配給設備購買??和物聯(lián)網(wǎng)軟件開發(fā)的預算來選擇物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議。之后，我創(chuàng)建了一個可行的物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議列表，考慮以下因素：

• 哪些協(xié)議可以覆蓋相應的功能集

• 哪些協(xié)議符合我們的硬件要求和預算限制

對于滿足上述標準的協(xié)議列表，您應該根據(jù)其價格和提供的功能集優(yōu)先考慮連接技術。

我最終的選擇將是優(yōu)先級列表中高且最容易與系統(tǒng)其余部分集成的協(xié)議

為了說明一組與連接相關的功能和硬件要求，請考慮這個簡化的示例。典型的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品包含以下組件：

• 硬件

• 允許用戶控制硬件的移動應用程序

• 用于查看儀表板和管理平臺的管理程序（后端）

這樣的產(chǎn)品將遵循明確的溝通模式：

• 移動應用程序->硬件

• 移動應用程序->后端

• 硬件->后端

• 管理員使用的瀏覽器->后端

從硬件的角度來看，您應該回答以下問題：

• 對功耗有什么限制嗎？

• 對本地設備連接有什么要求嗎？

• 您是否需要集成其他硬件部件，例如傳感器？

• 系統(tǒng)可以通過異步通信運行嗎？

通過回答這些問題，您將能夠與您的物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)合作伙伴一起篩選可行的連接選項并選擇最佳技術堆棧。

總結一下

每個物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議都有一組參數(shù)，使其在一個應用程序中成功，而在另一個應用程序中完全無用。

例如，藍牙對于家庭自動化系統(tǒng)來說是一種便宜且可靠的選擇，其中設備之間的距離很短。LoRaWAN是工業(yè)應用的首選協(xié)議，因為它的范圍長達15公里，而且功耗最低。

此外，您最終可能會為一個項目使用多種物聯(lián)網(wǎng)通信技術，每種協(xié)議都負責一項特定任務。例如，Wi-Fi可以處理大文件傳輸，而Z-Wave可以確保無干擾通信，因為它避開了2.4GHz頻段。