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物聯網通信協議全解析

2020-06-01 16:23:06  來源:今日頭條

摘要:隨著物聯網設備數量的持續增加,這些設備之間的通信或連接已成為一個重要的思考課題。通信對物聯網來說十分常用且關鍵,
關鍵詞: 物聯網 通信
  隨著物聯網設備數量的持續增加,這些設備之間的通信或連接已成為一個重要的思考課題。通信對物聯網來說十分常用且關鍵,無論是近距離無線傳輸技術還是移動通信技術,都影響著物聯網的發展。而在通信中,通信協議尤其重要,是雙方實體完成通信或服務所必須遵循的規則和約定。本文介紹了幾個可用的物聯網通信協議,它們具有不同的性能、數據速率、覆蓋范圍、功率和內存,而且每一種協議都有各自的優點和或多或少的缺點。其中一些通信協議只適合小型家用電器,而其他一些通信協議則可以用于大型智慧城市項目。將物聯網通信協議分為兩大類,一類是接入協議,一類是通訊協議。接入協議一般負責子網內設備間的組網及通信;通訊協議主要是運行在傳統互聯網TCP/IP協議之上的設備通訊協議,負責設備通過互聯網進行數據交換及通信。
 
  一、物理層、數據鏈路層協議
 
  1、遠距離蜂窩通信
 
  (1)2G/3G/4G通信協議,分別指第二、三、四代移動通信系統協議。
 
  (2)NB-IoT
 
  窄帶物聯網(Narrow Band Internet of Things, NB-IoT)成為萬物互聯網絡的一個重要分支。NB-IoT構建于蜂窩網絡,只消耗大約180kHz的帶寬,可直接部署于GSM網絡、UMTS網絡或LTE網絡,以降低部署成本、實現平滑升級。NB-IoT聚焦于低功耗廣覆蓋(LPWA)物聯網(IoT)市場,是一種可在全球范圍內廣泛應用的新興技術。具有覆蓋廣、連接多、速率快、成本低、功耗低、架構優等特點。
 
  應用場景:NB-IoT網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,是最新一代蜂窩移動通信技術。5G的性能目標是高數據速率、減少延遲、節省能源、降低成本、提高系統容量和大規模設備連接。
 
  應用場景:AR/VR、車聯網、智能制造、智慧能源、無線醫療、無線家庭娛樂、聯網無人機、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協議在智能家居領域也得到了廣泛應用。WiFi協議最大的優勢是可以直接接入互聯網。相對于ZigBee,采用Wifi協議的智能家居方案省去了額外的網關,相對于藍牙協議,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)ZigBee
 
  ZigBee是一種低速短距離傳輸的無線通信協議,是一種高可靠的無線數傳網絡,主要特色有低速、低耗電、低成本、支持大量網上節點、支持多種網上拓撲、低復雜度、快速、可靠、安全。ZigBee技術是一種新型技術,它最近出現,主要是依靠無線網絡進行傳輸,它能夠近距離的進行無線連接,屬于無線網絡通訊技術。
 
  ZigBee技術的先天性優勢,使得它在物聯網行業逐漸成為一個主流技術,在工業、農業、智能 家居等領域得到大規模的應用。
 
  (3)LoRa
 
  LoRa?(LongRange,遠距離)是一種調制技術,與同類技術相比,提供更遠的通信距離。LoRa 網關、煙感、水監測、紅外探測、定位、排插等廣泛應用物聯網產品。作為一種窄帶無線技術,LoRa 是使用到達時間差來實現地理定位的。LoRa 定位的應用場景:智慧城市和交通監控、計量和物流、農業定位監控。
 
  物聯網通信協議全解析
 
  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據通信,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、汽車晶片防盜器、門禁管制、停車場管制、生產線自動化、物料管理。完整的RFID系統由讀寫器(Reader)、電子標簽(Tag)和數據管理系統三部分組成。
 
  (2)NFC
 
  NFC的中文全稱為近場通信技術。NFC是在非接觸式射頻識別(RFID)技術的基礎上,結合無線互連技術研發而成,它為我們日常生活中越來越普及的各種電子產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、巡更等領域。NFC具有人機交互、機器間交互等功能。
 
  (3)Bluetooth
 
  藍牙技術是一種無線數據和語音通信開放的全球規范,它是基于低成本的近距離無線連接,為固定和移動設備建立通信環境的一種特殊的近距離無線技術連接。
 
  藍牙能在包括移動電話、PDA、無線耳機、筆記本電腦、相關外設等眾多設備之間進行無線信息交換。利用“藍牙”技術,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Internet之間的通信,從而數據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)USB
 
  USB,是英文Universal Serial Bus(通用串行總線)的縮寫,是一個外部總線標準,用于規范電腦與外部設備的連接和通訊。是應用在PC領域的接口技術。
 
  (2)串口通信協議
 
  串口通信協議是指規定了數據包的內容,內容包含了起始位、主體數據、校驗位及停止位,雙方需要約定一致的數據包格式才能正常收發數據的有關規范。在串口通信中,常用的協議包括RS-232、RS-422和RS-485。
 
  串口通信是指外設和計算機間,通過數據線按位進行傳輸數據的一種通訊方式。這種通信方式使用的數據線少,在遠距離通信中可以節約通信成本,但其傳輸速度比并行傳輸低。大多數計算機(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議。
 
  (3)以太網
 
  以太網是一種計算機局域網技術。IEEE組織的IEEE 802.3標準制定了以太網的技術標準,它規定了包括物理層的連線、電子信號和介質訪問層協議的內容。
 
  (4)MBus
 
  MBus 遠程抄表系統(symphonic 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、網絡層、傳輸協議
 
  1、IPv4
 
  互聯網通信協議第四版,是網際協議開發過程中的第四個修訂版本,也是此協議第一個被廣泛部署的版本。IPv4是互聯網的核心,也是使用最廣泛的網際協議版本
 
  2、IPv6
 
  互聯網協議第6版,由于IPv4最大的問題在于網絡地址資源有限,嚴重制約了互聯網的應用和發展。IPv6的使用,不僅能解決網絡地址資源數量的問題,而且也解決了多種接入設備連入互聯網的障礙
 
  3、TCP
 
  傳輸控制協議(TCP,Transmission Control Protocol)是一種面向連接的、可靠的、基于字節流的傳輸層通信協議。TCP旨在適應支持多網絡應用的分層協議層次結構。 連接到不同但互連的計算機通信網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議獲得簡單的,可能不可靠的數據報服務。
 
  4、6LoWPAN
 
  6LoWPAN是一種基于IPv6的低速無線個域網標準,即IPv6 over IEEE 802.15.4。
 
  三、應用層協議
 
  1、MQTT協議
 
  MQTT (Message Queue Telemetry Transport),翻譯成中文就是,遙測傳輸協議,其主要提供了訂閱/發布兩種消息模式,更為簡約、輕量,易于使用,特別適合于受限環境(帶寬低、網絡延遲高、網絡通信不穩定)的消息分發,屬于物聯網(Internet of Thing)的一個標準傳輸協議。
 
  在很多情況下,包括受限的環境中,如:機器與機器(M2M)通信和物聯網(IoT)。其在,通過衛星鏈路通信傳感器、偶爾撥號的醫療設備、智能家居、及一些小型化設備中已廣泛使用。
 
  2、CoAP協議
 
  CoAP(Constrained Application Protocol)是一種在物聯網世界的類Web協議,適用于需要通過標準互聯網網絡進行遠程控制或監控的小型低功率傳感器,開關,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協議
 
  RESTful是一種基于資源的軟件架構風格。所謂資源,就是網絡上的一個實體,或者說是網絡上的一個具體信息。一張圖片、一首歌曲都是一個資源。RESTful API是基于HTTP協議的一種實現。(HTTP是一個應用層的協議,特點是簡捷 快速)。
 
  滿足Rest規范的應用程序或設計就是RESTful,根據Rest規范設計的API,就叫做RESTful API
 
  4、DDS協議
 
  DDS(Data Distribution Service)分布式實時數據分發服務中間件協議,它是分布式實時網絡里的“TCP/IP”,用來解決實時網絡中的網絡協議互聯,其作用相當于“總線上的總線”。
 
  5、AMQP協議
 
  AMQP,即Advanced Message Queuing Protocol,一個提供統一消息服務的應用層標準高級消息隊列協議,是應用層協議的一個開放標準,為面向消息的中間件設計?;诖藚f議的客戶端與消息中間件可傳遞消息,并不受客戶端/中間件不同產品,不同的開發語言等條件的限制。Erlang中的實現有RabbitMQ等。
 
  6、XMPP協議
 
  XMPP是一種基于標準通用標記語言的子集XML的協議,它繼承了在XML環境中靈活的發展性。因此,基于XMPP的應用具有超強的可擴展性。經過擴展以后的XMPP可以通過發送擴展的信息來處理用戶的需求,以及在XMPP的頂端建立如內容發布系統和基于地址的服務等應用程序。
 
  四、部分通信協議比較
 
  1、NB-IoT協議和LoRa協議比較
 
  第一,頻段。LoRa工作在1GHz以下的非授權頻段,在應用時不需要額外付費,NB-IoT和蜂窩通信使用1GHz以下的頻段是2113授權的,是需要收費的。
 
  第二,電池供電壽命。LoRa模塊在處理干擾、網絡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議一樣的服務質量4102。NB-IoT出于對服務質量的考慮,不能提供類似LoRa一樣的電池壽命。
 
  第三,設備成本。對終端節點來說,LoRa協議比NB-IoT更簡單,更容易開發并且1653對于微處理器的適用和兼容性更好。同時低成本、技術相對成熟的LoRa模塊已經可以在市場上找到了,并且還會有升級版本陸續出來。
 
  第四,網絡覆蓋和部署時間表。NB-IoT標準在2016年公布,除回網絡部署之外,相應的商業化和產業鏈的建立還需要更長的時間和努力去探索。LoRa的整個產業鏈相對已經較為成熟了,產品也處于“蓄勢待答發”的狀態,同時全球很多國家正在進行或者已經完成了全國性的網絡部署。
 
  2、藍牙、WiFi、ZigBee協議比較
 
  目前來說,WiFi的優勢是應用廣泛,已經普及到千家萬戶;ZigBee的優勢是低功耗和自組網;UWB無載波無線通信技術的優勢是傳輸速率;藍牙的優勢組網簡單。然而,這3種技術,也都有各自的不足,沒有一種技術能完全滿足智能家居的全部要求。
 
  藍牙技術的出現使得短距離無線通信成為可能,但其協議較復雜、功耗高、成本高等特點不太適用于要求低成本、低功耗的工業控制和家庭網絡。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展和大規模應用的主要因素。
 
  WiFi也是是一種短距離無線傳輸技術,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,通過空氣發送和接收數據,使用無線電波傳輸數據信號,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,它的每個網絡端口可以最多接入6.5萬多個端口,適合家居、工業、農業等多個領域使用,而藍牙和WiFi網端只能接入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勢。
 
  3、MQTT協議和CoAP協議比較
 
  MQTT是多對多通訊協議用于在不同客戶端之間通過中間代理傳送消息,解耦生產者與消費者,通過使得客戶端發布,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據通訊總線。
 
  CoAP主要是一個點對點協議,用于在客戶端與服務器之間傳輸狀態信息。雖然支持觀察資源,CoAP最好適合狀態傳輸模型,不是完全基于事件。
 
  MQTT客戶端建立長連接TCP,這通常表示沒有問題,CoAP客戶端與服務器都發送與接收UDP數據包,在NAT環境中,隧道或者端口轉發可以用于允許CoAP,或者像LWM2M,設備也許會先初始化前端連接。
 
  MQTT不提供支持消息打類型標記或者其他元數據幫助客戶端理解,MQTT消息可用于任何目的,但是所有的客戶端必須知道向上的數據格式以允許通訊,CoAP,相反地,提供內置支持內容協商與發現,允許設備相互探測以找到交換數據的方式。
 
  兩種協議各有優缺點,選擇合適的取決于自己的應用。

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責編:zhangwenwen
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