知识点碎片一，物联网通信协议和技术

loT通信协议

1. 前言

本文属于老吴个人对物联网研发学习的路线整理，属于个人对物流网产品研发的知识碎片的学习，文章没有先后顺序，随笔记录。
文章如果有错误，希望各位读者指出问题所在，老吴将不胜感激。

2. 名称概述

2.1 通信协议与物联网

在这里插入图片描述

通信协议，通信双方在进行数据交换时所遵循的规则和约定，定义了 数据的格式、传输方式、错误处理 等方面的内容，以确保通信双方能够正确地、理解和处理对方发送的数据。
先要了解物联网，就先需要搞清楚 互联网是什么，互联网通常是指网络，也可以使网络与网络之间串联成的庞大网络 （逻辑上），这些网络与网络连接需要，以一组 通用的协议 。这里面最重要的 通信协议，它可以使网络中的众多设备进行数据传输，保持 “通话” 。
- 我们会接触到的，个人PC，网关，交换机、路由器等，网络设备、还有作为数据存储的服务器和数不尽的计算机、终端。

2.2 物联网的体系架构

特征如下图：
- 全面感知：利用传感器、RFID电子标签、二维码、摄像头等能够随时随地获取物体的各种信息。
- 可靠传输：通过各种电信网络和互联网的融合，将感知的各种信息进行实时准确的传递。
- 智能处理：利用云计算、数据挖掘等智能计算技术，及时对海量数据和信息进行分析和处理，对物体实施智能化管理。
业界公认的物联网体系架构主要由3层组成：感知层（感知控制层）、网络层和应用层

2.2.1 感知层

感知层是物联网体系架构的最底层。
- 传感器系统、标识系统、卫星定位系统以及相应的信息化支撑设备组成了感知层的基础部件，其功能主要是采集物理世界中发生的物理事件和数据，包括各类物理量、标识、音频和视频数据等。
- 感知层的关键技术包括传感器技术、RFID技术和传感器网络技术等。

2.2.2 网络层

络层网络层将来自感知层的信息通过各种承载网络传送到应用层。
- 承载网络由各种私有网络、互联网、有线和无线通信网、网络管理系统和云计算平台等组成，在物联网中负责传递和处理感知层获取的信息。
- 网络层包括2G/3G/4G/5G通信网络、Wi-Fi、互联网等，信息可以经由任何一种网络或几种网络组合的形式进行传输。网络层还包括物联网的管理中心和信息中心，这些部门有助于提升对信息的传输和经营能力。
网络层的关键技术包括高/低速、近/远距离无线通信技术，低功耗路由技术，自组织通信技术，IP承载、网络传送技术，异构网络融合接入技术，以及认知无线电技术。

3. 物联网通信结构

3.1 通讯协议

接入协议： 负责子网内设备间的组网及通信。
通信协议： 主要是运行在互联网TCP/IP协议之上的设备通讯协议，负责设备通过互联网 进行 数据交换及通信。

常见结构中的协议，~~不做深入了解。~~

3.1.1 应用层协议

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）： 轻量级的 发布-订阅消息传输协议，适用于低带宽、不稳定网络环境下的物联网通信。
- 特点： 低功耗、小型化、传输效率高，支持多对多通信模式和消息保留功能。
- 应用场景： 传感器和设备的数据发布和订阅、远程设备监控和控制。
  想象一下你的智能家居中有一个温度传感器，它定期向家庭中心发送当前的温度数据。这里，设备之间的沟通就可以通过MQTT协议来实现，传感器发布（publish）温度数据到家庭中心，家庭中心订阅（subscribe）这些数据并根据需要进行相应控制。
CoAP（Constrained Application Protocol）：为受限环境设计的应用层协议，基于RESTful架构，适用于低功耗、资源受限的物联网设备。
- 特点： 轻量级、简单、灵活，支持UDP和DTLS安全传输，提供类似HTTP的请求-响应模式。
- 应用场景： 物联网设备与云平台、智能家居、楼宇自动化等领域的通信和资源管理。
  假设你在智能灯泡上安装了一个光线传感器，用于调节灯光的亮度。通过CoAP协议，光线传感器可以向集中控制器发送光线强度数据（GET请求），控制器接收后可以发送调节亮度的指令（PUT请求）给灯泡。
DDS（Data Distribution Service）：用于实现高性能、实时、可靠的数据通信的协议，支持发布-订阅模式和数据中心通信。
- 特点： 低延迟、高吞吐量，适用于需要实时数据传输和大规模数据处理的应用。
- 应用场景： 工业自动化、智能交通系统、实时监控等对数据传输要求严格的领域。
  假设你有一个大规模的工业自动化控制系统，有许多设备需要实时协作，通过使用DDS协议，控制设备和感知设备可以实时共享数据，例如传感器数据、生产状态和报警信息，以便系统可以做出相应的控制决策。
XMPP（Extensible Messaging and Presence Protocol）： 基于XML的即时通讯协议，支持实时通信、在线状态管理和数据交换。
- 特点：开放标准、可扩展性好，适用于 IoT 设备之间的实时通信和远程控制。
- 应用场景：智能家居、即时通讯、监控系统等领域的设备间通信。
  想象你有一个智能医疗监测系统，可以实时监测患者的生命体征。通过XMPP协议，医护人员可以与监测设备进行实时通信，接收患者的生命体征数据，并在需要时进行远程指导或紧急处理。
AMQP（Advanced Message Queuing Protocol）：用于异步消息传递的高级消息队列协议，支持可靠的消息传递和消息队列管理，常用的 AMQP 客户端库有 RabbitMQ（Java、Python、C++等）、Qpid Proton（C）等。
- 特点： 提供可靠性、安全性、灵活性，适用于物联网设备之间的消息通信和事件处理。
- 应用场景： 设备之间的异步通信、大规模数据处理、事件驱动架构等。
  假设你有一个智能的物流控制系统，需要管理许多货物的运输。通过使用AMQP协议，不同的设备（如传感器、仓库管理系统和运输车辆）可以在物流网络中发送和接收消息，以便实时追踪货物位置、库存状态等，并进行及时的调度和通知。
HTTP/HTTPS（Hypertext Transfer Protocol/Secure）：用于客户端-服务器通信的应用层协议，广泛应用于互联网和物联网的通信。
- 特点： 基于请求-响应模式，支持文本和二进制数据传输，HTTPS提供数据加密和身份验证安全性。
- 应用场景： 物联网设备与云服务的通信、远程管理和数据交换、Web界面控制和数据显示。
  当你用手机APP控制智能门锁时，实际上是通过HTTP或HTTPS协议与云端服务器通信。你的手机发送打开门锁的请求（HTTP POST请求）到服务器，服务器接收后验证身份并发送开锁指令到门锁，确保通信的安全性。
WebSockets：用于实现长连接、双向通信的协议，支持在同一连接上进行全双工通信。
- 特点： 低延迟、实时性好，适用于实时数据传输、实时通信、远程控制等场景。
- 应用场景： 物联网设备与服务端的实时数据传输、设备状态更新通知、远程控制和监控等。
  想象一下你在网页上实时监控家中的摄像头画面，这种实时性的需求可以通过WebSockets协议来实现。摄像头将实时视频流通过WebSockets协议传输到网页，保持连接实现画面的及时更新。
FTP（File Transfer Protocol）：用于在网络上传输文件的标准协议，包括文件上传、下载、删除、重命名等功能。
- 特点： 提供文件传输功能，支持多种操作和权限控制，不适合实时数据传输。
- 应用场景： 物联网设备固件更新、文件管理、远程配置等需要文件传输的场景，FTP 协议虽然在物联网中使用较少，但在需要进行文件传输和管理的场景下仍具有一定的应用价值。

3.2 通信技术

物理层（Physical Layer）和数据链路层（Data Link Layer）通信技术：

Wi-Fi：
- 概述：无线局域网技术，通过2.4 GHz或5 GHz频段进行高速数据传输，支持设备之间的无线连接和互联网接入。
- 使用场景：智能家居、商业场所、公共区域等需要无线网络连接的场景。
- 特点：高速数据传输、便于部署、广泛应用、适合中距离通信。
- 举例：智能音箱通过Wi-Fi与家庭网络连接，实现语音控制和音频流媒体播放。
RFID：
- 概述：无线射频识别技术，使用射频信号识别和读取物体上的标签信息，无需直接接触。
- 使用场景：物流跟踪、库存管理、身份认证等需要标签识别的应用场景。
- 特点：非接触式识别、快速读取、适用于短距离传输和低功耗应用。
- 举例：超市的商品管理系统使用RFID标签进行库存追踪和商品识别。
NFC：
- 概述：近场通信技术，用于快速、短距离的无线通信，适用于设备之间的点对点通信和设备与被动标签之间的通信。
- 使用场景：移动支付、身份认证、智能门锁等需要近距离传输小量数据的场景。
- 特点：短距离传输、安全性高、快速简便、适用于移动设备。
- 举例：手机通过NFC与POS终端进行移动支付，实现近场传输和安全交易。
ZigBee：
- 概述：低功耗无线通信技术，基于IEEE 802.15.4标准，主要用于低功耗、低数据率的个人区域网络。
- 使用场景：智能家居、传感器网络、工业自动化等需要低功耗、短距离通信的场景。
- 特点：低功耗、短距离传输、支持多设备连接、自组织网络。
- 举例：智能照明系统使用ZigBee协议进行设备之间的互联和控制。

网络层（Network Layer）和应用层（Application Layer）通信技术：

Bluetooth：
- 概述：短距离无线通信技术，用于设备之间的数据传输和连接，适用于个人设备和使用低功耗。
- 使用场景：蓝牙耳机、无线音响、智能家居设备等个人设备之间的通信。
- 特点：短距离传输、低功耗、快速连接、适用于个人设备。
- 举例：手机通过蓝牙与汽车音响连接，实现无线音频播放和通话。
LoRa：
- 概述：长距离低功耗的无线通信技术，用于物联网设备的广域网通信和长期低成本的连接。
- 使用场景：城市智能化、农业监测、环境监测等需要大范围、低功耗的通信。
- 特点：长距离传输、低功耗、广域网覆盖、适用于稀疏网络。
- 举例：智能农业系统中的传感器通过LoRa技术与农田监控中心进行数据传输。
NB-IoT：
- 概述：窄带物联网技术，为物联网设备提供低功耗、广覆盖范围和长期低成本的连接。
- 使用场景：物联网设备连接性能要求低、数据传输量较小的场景。
- 特点：低功耗、广域网覆盖、安全可靠、适用于大规模低功耗通信。
- 举例：智能水表通过NB-IoT技术连接到网络，实现远程监测水表读数和用水量管理。

其他通信技术和协议：

GSM、GPRS、3/4/5G网络：
- 概述：移动通信技术，适用于广域网覆盖和无线数据传输，提供不同速率和服务质量的通信网络。
- 使用场景：移动通信、远程数据传输、互联网接入等不同速率和服务质量需求的场景。
- 特点：广域网覆盖、多种服务类型、不同速率的数据传输。
- 举例：智能手机通过4G网络进行互联网访问、视频通话和移动支付。
Ethernet、RS232、RS485、USB：
- 概述：有线通信技术和接口协议，用于设备之间的数据传输和连接。
- 使用场景：计算机网络、工业自动化、设备连接等多种有线通信需求。
- 特点：稳定可靠、高速数据传输、适用于距离较近的设备连接。
- 举例：计算机通过以太网连接到局域网，实现数据传输和互联网接入。