剖析什么是物聯(lián)網(wǎng) 常見IoT協(xié)議最全講解

本文介紹物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)知識：什么是物聯(lián)網(wǎng)，以及常見的物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議。

一什么是物聯(lián)網(wǎng)?

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things）這個概念讀者應(yīng)該不會陌生。物聯(lián)網(wǎng)的概念最早于1999年被提出來，曾被稱為繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)之后，世界信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的第三次浪潮，到現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展了20余年。

如今，在日常生活中，我們已經(jīng)可以接觸到非常多的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品，例如各種智能家電、智能門鎖等，這些都是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)比較成熟的應(yīng)用。

物聯(lián)網(wǎng)最早的定義是：把所有物品通過射頻識別等信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，實現(xiàn)智能化識別和管理。當(dāng)然，物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展到今天，它的定義和范圍已經(jīng)有了擴展與變化，下面是現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)具有的特點。

1. 物聯(lián)網(wǎng)也是互聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)，即物的互聯(lián)網(wǎng)，屬于互聯(lián)網(wǎng)的一部分。物聯(lián)網(wǎng)將互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)設(shè)施作為信息傳遞的載體，即現(xiàn)代的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品一定是“物”通過某種方式接入了互聯(lián)網(wǎng)，而“物”通過互聯(lián)網(wǎng)上傳/下載數(shù)據(jù)，以及與人進行交互。

舉個通過手機App遠程啟動汽車的例子，當(dāng)用戶通過App完成啟動操作時，指令從已接入互聯(lián)網(wǎng)的手機發(fā)送到云端平臺，云端平臺找到已接入互聯(lián)網(wǎng)的車端電腦，然后下發(fā)指令，車端電腦執(zhí)行啟動命令，并將執(zhí)行的結(jié)果反饋到云端平臺；同時，用戶的這次操作被記錄在云端，用戶可以隨時從App上查詢遠程開鎖記錄歷史。

這就是一個典型的物聯(lián)網(wǎng)場景，它是屬于互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的一種?！拔铩苯尤牖ヂ?lián)網(wǎng)，數(shù)據(jù)和信息通過互聯(lián)網(wǎng)交互，同時數(shù)據(jù)和其他互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用一樣匯聚到了云端。

2. 物聯(lián)網(wǎng)的主體是“物”

前面說現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用是一種互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，但是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用又有一個很大的不同，那就是傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)生產(chǎn)和消費數(shù)據(jù)的主體是人，而現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)生產(chǎn)和消費數(shù)據(jù)的主體是物。

在現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用場景下，數(shù)據(jù)的生產(chǎn)方是“物”，比如智能設(shè)備或者傳感器，數(shù)據(jù)的消費者往往也是“物”。

在智慧農(nóng)業(yè)的應(yīng)用中，孵化室中的溫度傳感器將孵化室中的溫度周期性地上傳到控制中心。當(dāng)溫度低于一定閾值時，中心按照預(yù)設(shè)的規(guī)則遠程打開加溫設(shè)備。在這一場景中，數(shù)據(jù)的生產(chǎn)者是溫度傳感器，數(shù)據(jù)的消費者是加溫設(shè)備，二者都是“物”，人并沒有直接參與其中。

物聯(lián)網(wǎng)和傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)最大的不同：數(shù)據(jù)的生產(chǎn)者和消費者主要是物，數(shù)據(jù)內(nèi)容也是和“物”息息相關(guān)的。

3. 物聯(lián)網(wǎng)和人工智能

人工智能可謂近年來IT領(lǐng)域最火的詞語之一?？v觀人工智能的發(fā)展路線，我們可以看到，人工智能的發(fā)展之所以能夠突飛猛進，主要有以下兩個原因。

硬件的發(fā)展使得深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)時間迅速縮短。

在大數(shù)據(jù)的時代，獲取大量數(shù)據(jù)的成本變低。

事實上，第二個原因尤為重要，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由于其特性，需要海量的數(shù)據(jù)進行學(xué)習(xí)，可供學(xué)習(xí)的有效數(shù)據(jù)量往往決定了最后訓(xùn)練出的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的效果，甚至算法的重要性都可以排在數(shù)據(jù)量之后。

而物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，比如智能家電、可穿戴設(shè)備等，每天都在產(chǎn)生海量的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)經(jīng)過處理和清洗后，都可以作為不錯的訓(xùn)練數(shù)據(jù)反哺神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。同時，訓(xùn)練出來的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)又可以重新應(yīng)用到物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中，進而形成一個良性循環(huán)。

圖1-1所示為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用人工智能方法進行數(shù)據(jù)采集-迭代的循環(huán)。通過物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備采集并訓(xùn)練數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)中心完成訓(xùn)練后，將模型應(yīng)用到物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，并評估效果進行下一次迭代。

物聯(lián)網(wǎng)是人工智能落地的一個非常好的應(yīng)用場景。隨著人工智能的迅速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)這個同樣在很多年前就提出的理論和技術(shù)，也會迎來新的春天。

目前，互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)入口漸漸朝幾大巨頭（例如阿里、騰訊）匯聚，規(guī)模較小的公司獲取數(shù)據(jù)的代價越來越高，物聯(lián)網(wǎng)這塊還未完全開發(fā)的數(shù)據(jù)領(lǐng)域就顯得尤為重要。

前端設(shè)備最終會趨于相同，出現(xiàn)同質(zhì)化競爭，而如何采集和使用好設(shè)備產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)，才是你是否具有競爭優(yōu)勢的決定性因素。

4. 物聯(lián)網(wǎng)的現(xiàn)狀與前景

隨著5G時代的來臨，物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展將會非常迅速。同時，物聯(lián)網(wǎng)方向的新增融資也一直處于上升趨勢。下面再從應(yīng)用場景角度來談一下物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的發(fā)展前景。

物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用場景非常廣泛，包括：

智慧城市

智慧建筑

車聯(lián)網(wǎng)

智慧社區(qū)

智能家居

智慧醫(yī)療

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)

在不同的場景下，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的差異非常大，終端和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的異構(gòu)性強，這意味著在物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)存在足夠多的細分市場，這就很難出現(xiàn)一家在市場份額上具有統(tǒng)治力的公司，同時由于市場夠大，所以能夠讓足夠多的公司存活。這種情況在互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)是不常見的，互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的頭部效應(yīng)非常明顯，市場絕大部分份額往往被頭部的兩三家公司占據(jù)。

物聯(lián)網(wǎng)模式相對于互聯(lián)網(wǎng)模式來說更“重”一些。物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用總是伴隨著前端設(shè)備，這也就意味著用戶的切換成本相對較高，畢竟拆除設(shè)備、重新安裝設(shè)備比動動手指重新下載一個應(yīng)用要復(fù)雜不少。

這也就意味著，資本的推動力在物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)中相對更弱。如果你取得了先發(fā)優(yōu)勢，那么后來者想光靠資本的力量趕上或者將你擠出市場，那他付出的代價要比在互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)中大得多。

所以說，物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)目前仍然是一片藍海，小規(guī)模公司在這個行業(yè)中也完全有能力和大規(guī)模公司同臺競爭。在AI和區(qū)塊鏈的熱度冷卻后，物聯(lián)網(wǎng)很有可能會成為下一個風(fēng)口。作為程序員，在風(fēng)口來臨之前，提前進行一些知識儲備是非常有必要的。

二常見的物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議

1. MQTT協(xié)議

MQTT協(xié)議（Message Queue Telemetry Transport，消息隊列遙測傳輸協(xié)議）是IBM的Andy Stanford-Clark和Arcom的Arlen Nipper于1999年為了一個通過衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)連接輸油管道的項目開發(fā)的。為了滿足低電量消耗和低網(wǎng)絡(luò)帶寬的需求，MQTT協(xié)議在設(shè)計之初就包含了以下幾個特點：

實現(xiàn)簡單

提供數(shù)據(jù)傳輸?shù)腝oS

輕量、占用帶寬低

可傳輸任意類型的數(shù)據(jù)

可保持的會話（Session）

隨著多年的發(fā)展，MQTT協(xié)議的重點不再只是嵌入式系統(tǒng)，而是更廣泛的物聯(lián)網(wǎng)世界。

簡單來說，MQTT協(xié)議有以下特性：

基于TCP協(xié)議的應(yīng)用層協(xié)議

采用C/S架構(gòu)

使用訂閱/發(fā)布模式，將消息的發(fā)送方和接受方解耦

提供3種消息的QoS（Quality of Service）：至多一次、最少一次、只有一次

收發(fā)消息都是異步的，發(fā)送方不需要等待接收方應(yīng)答

MQTT協(xié)議的架構(gòu)由Broker和連接到Broker的多個Client組成，如圖2-1所示。

MQTT協(xié)議可以為大量的低功率、工作網(wǎng)絡(luò)環(huán)境不可靠的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供通信保障。而它在移動互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域也大有作為，很多Android App的推送功能都是基于MQTT協(xié)議實現(xiàn)的，一些IM的實現(xiàn)也是基于MQTT協(xié)議的。

2. MQTT-SN協(xié)議

MQTT-SN（MQTT for Sensor Network）協(xié)議是MQTT協(xié)議的傳感器版本。MQTT協(xié)議雖然是輕量的應(yīng)用層協(xié)議，但是MQTT協(xié)議是運行于TCP協(xié)議棧之上的，TCP協(xié)議對于某些計算能力和電量非常有限的設(shè)備來說，比如傳感器，就不太適用了。

MQTT-SN運行在UDP協(xié)議上，同時保留了MQTT協(xié)議的大部分信令和特性，如訂閱和發(fā)布等。MQTT-SN協(xié)議引入了MQTT-SN網(wǎng)關(guān)這一角色，網(wǎng)關(guān)負責(zé)把MQTT-SN協(xié)議轉(zhuǎn)換為MQTT協(xié)議，并和遠端的MQTT Broker進行通信。MQTT-SN協(xié)議支持網(wǎng)關(guān)的自動發(fā)現(xiàn)。MQTT-SN協(xié)議的通信模型如圖2-2所示。

3. CoAP協(xié)議

CoAP（Constrained Application Protocol）協(xié)議是一種運行在資源比較緊張的設(shè)備上的協(xié)議。CoAP協(xié)議通常也是運行在UDP協(xié)議上的。

CoAP協(xié)議設(shè)計得非常小巧，最小的數(shù)據(jù)包只有4個字節(jié)。CoAP協(xié)議采用C/S架構(gòu)，使用類似于HTTP協(xié)議的請求-響應(yīng)的交互模式。設(shè)備可以通過類似于coap://192.168.1.150:5683/2ndfloor/temperature的URL來標識一個實體，并使用類似于HTTP的PUT、GET、POST、DELET請求指令來獲取或者修改這個實體的狀態(tài)。

同時，CoAP提供一種觀察模式，觀察者可以通過OBSERVE指令向CoAP服務(wù)器指明觀察的實體對象。當(dāng)實體對象的狀態(tài)發(fā)生變化時，觀察者就可以收到實體對象的最新狀態(tài)，類似于MQTT協(xié)議中的訂閱功能。CoAP協(xié)議的通信模型如圖2-3所示。

4. LwM2M協(xié)議

LwM2M（ Lightweight Machine-To-Machine ）協(xié)議是由Open Mobile Alliance（OMA）定義的一套適用于物聯(lián)網(wǎng)的輕量級協(xié)議。它使用RESTful接口，提供設(shè)備的接入、管理和通信功能，也適用于資源比較緊張的設(shè)備。LwM2M協(xié)議的架構(gòu)如圖2-4所示。

LwM2M協(xié)議底層使用CoAP協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)和信令。而在LwM2M協(xié)議的架構(gòu)中，CoAP協(xié)議可以運行在UDP或者SMS（短信）之上，通過DTLS（數(shù)據(jù)報傳輸層安全）來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的安全傳輸。

LwM2M協(xié)議架構(gòu)主要包含3種實體——LwM2M Bootstrap Server、LwM2M Server和LwM2M Client。

LwM2M Bootstrap Server負責(zé)引導(dǎo)LwM2M Client注冊并接入LwM2M Server，之后LwM2M Server和LwM2M Client就可以通過協(xié)議指定的接口進行交互了。

5. HTTP協(xié)議

正如我們之前所講，物聯(lián)網(wǎng)也是互聯(lián)網(wǎng)，HTTP這個在互聯(lián)網(wǎng)中廣泛應(yīng)用的協(xié)議，在合適的環(huán)境下也可以應(yīng)用到物聯(lián)網(wǎng)中。

在一些計算和硬件資源比較充沛的設(shè)備上，比如運行安卓操作系統(tǒng)的設(shè)備，完全可以使用HTTP協(xié)議上傳和下載數(shù)據(jù)，就好像在開發(fā)移動應(yīng)用一樣。設(shè)備也可以使用運行在HTTP協(xié)議上的WebSocket主動接收來自服務(wù)器的數(shù)據(jù)。

6. LoRaWAN協(xié)議

LoRaWAN協(xié)議是由LoRa聯(lián)盟提出并推動的一種低功率廣域網(wǎng)協(xié)議，它和我們之前介紹的幾種協(xié)議有所不同。MQTT協(xié)議、CoAP協(xié)議都是運行在應(yīng)用層，底層使用TCP協(xié)議或者UDP協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸，整個協(xié)議棧運行在IP網(wǎng)絡(luò)上。而LoRaWAN協(xié)議則是物理層/數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，它解決的是設(shè)備如何接入互聯(lián)網(wǎng)的問題，并不運行在IP網(wǎng)絡(luò)上。

LoRa（Long Range）是一種無線通信技術(shù)，它具有使用距離遠、功耗低的特點。在上面的場景下，用戶就可以使用LoRaWAN技術(shù)進行組網(wǎng)，在工程設(shè)備上安裝支持LoRa的模塊。

通過LoRa的中繼設(shè)備將數(shù)據(jù)發(fā)往位于隧道外部的、有互聯(lián)網(wǎng)接入的LoRa網(wǎng)關(guān)，LoRa網(wǎng)關(guān)再將數(shù)據(jù)封裝成可以在IP網(wǎng)絡(luò)中通過TCP協(xié)議或者UDP協(xié)議傳輸?shù)臄?shù)據(jù)協(xié)議包（比如MQTT協(xié)議），然后發(fā)往云端的數(shù)據(jù)中心。

7. NB-IoT協(xié)議

NB-IoT（Narrow Band Internet of Things）協(xié)議和LoRaWAN協(xié)議一樣，是將設(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng)的物理層/數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議。

與LoRA不同的是，NB-IoT協(xié)議構(gòu)建和運行在蜂窩網(wǎng)絡(luò)上，消耗的帶寬較低，可以直接部署到現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)或者LTE網(wǎng)絡(luò)。設(shè)備安裝支持NB-IoT的芯片和相應(yīng)的物聯(lián)網(wǎng)卡，然后連接到NB-IoT基站就可以接入互聯(lián)網(wǎng)。而且NB-IoT協(xié)議不像LoRaWAN協(xié)議那樣需要網(wǎng)關(guān)進行協(xié)議轉(zhuǎn)換，接入的設(shè)備可以直接使用IP網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸。

NB-IoT協(xié)議相比傳統(tǒng)的基站，增益提高了約20dB，可以覆蓋到地下車庫、管道、地下室等之前信號難以覆蓋的地方。

編輯：jq