物联网通信协议全分析

物联网通信协议可分为两类，一类是接入协议，另一类是通信协议。接入协议一般负责子网设备之间的网络组合和通信；通信协议主要在传统互联网上运行TCP/IP协议上的设备通信协议负责通过互联网进行数据交换和通信。

随着物联网设备数量的不断增加，这些设备之间的通信或连接已经成为一个重要的思维课题。通信对物联网来说是非常常见和关键的。近距离无线传输技术和移动通信技术都影响着物联网的发展。在通信中，通信协议尤为重要，这是双方实体完成通信或服务必须遵循的规则和协议。

本文介绍了几种不同性能、数据速率、覆盖范围、功率和内存的可用物联网通信协议，每个协议都有自己的优缺点。有些通信协议只适用于小型家用电器，而其他通信协议可用于大型智能城市项目。

物联网通信协议分为接入协议和通信协议两类。接入协议一般负责子网络设备之间的网络组合和通信；通信协议主要在传统互联网上运行TCP/IP协议上的设备通信协议负责通过互联网进行数据交换和通信。

物理层、数据链路层协议

1.远距离蜂窝通信

(1) 2G/3G/4G通信协议

分别是指第二代、第三代和第四代移动通信系统协议。

(2) NB-IoT

窄带物联网(Narrow Band Internet of Things, NB-IoT)成为万物互联网的重要分支。NB-IoT建在蜂窝网络上，只消耗180左右kHz可直接部署的带宽GSM网络、UMTS网络或LTE降低部署成本，实现网络平稳升级。NB-IoT聚焦低功耗广覆盖(LPWA)物联网(IoT)市场是一种可广泛应用于全球的新兴技术。具有覆盖面广、连接多、速度快、成本低、功耗低、结构优良等特点。

应用场景：NB-IoT网络带来的场景应用包括智能停车、智能消防、智能水务、智能路灯、自行车共享和智能家电。

(3) 5G

第五代移动通信技术是最新一代蜂窝移动通信技术。G性能目标是高数据速率、减少延迟、节能、降低成本、提高系统容量和大规模设备连接。

应用场景：AR/VR、车联网、智能制造、智慧能源、无线医疗、无线家庭娱乐、联网无人机、超高清/全景直播、个人AI辅助，智慧城市。

2.远距离非蜂窝通信

(1)WiFi

因为前几年家用WiFi快速普及路由器和智能手机，WiFi该协议也广泛应用于智能家居领域。WiFi该协议最大的优点是可以直接访问互联网。相对于ZigBee，采用Wifi与蓝牙协议相比，协议的智能家居方案节省了额外的网关，节省了对手机等移动终端的依赖。

商用WiFi覆盖城市公共交通、商场等公共场所WiFi无疑揭示了场景应用的潜力。

(2)ZigBee

ZigBee它是一种低速、短距离传输的无线通信协议，是一种高度可靠的无线数字传输网络，具有低速、低功耗、低成本、支持大量在线节点、支持各种在线拓扑、低复杂性、快速、可靠、安全等特点。ZigBee该技术是一种新型技术，最近出现，主要依靠无线网络传输，它可以近距离无线连接，属于无线网络通信技术。

ZigBee技术的先天优势使其逐渐成为物联网行业的主流技术 大规模应用于家居等领域。

(3)LoRa

LoRa (LongRange，远距离)是一种与同类技术相比提供更远通信距离的调制技术。LoRa 物联网产品广泛应用于网关、烟雾、水监测、红外探测、定位、排插等领域。窄带无线技术，LoRa 利用到达时差来实现地理定位。

LoRa 定位应用场景：智能城市与交通监控、计量与物流、农业定位监控。

3.近距离通信

(1)RFID

射频识别(RFID)是 Radio Frequency Identification 缩写。其原理是在阅读器和标签之间进行非接触式数据通信，以达到识别目标的目的。

RFID 广泛应用于动物晶片、汽车晶片防盗器、门禁控制、停车场控制、生产线自动化、物料管理等领域。RFID由读写器组成的系统(Reader)、电子标签(Tag)由数据管理系统三部分组成。

(2)NFC

NFC中文全称近场通信技术。NFC非接触式射频识别(RFID)在技术的基础上，结合无线互连技术，为日常生活中越来越流行的各种电子产品提供了非常安全快捷的通信方式。NFC中文名称中的近场是指电磁场附近的无线电波。

应用场景：应用于门禁、考勤、访客、会议签到、巡逻等领域。NFC它具有人机交互、机器间交互等功能。

(3)Bluetooth

蓝牙技术是一种无线数据和语音通信开放的全球规范，它是基于低成本的近距离无线连接，为固定和移动设备建立通信环境的一种特殊的近距离无线技术连接。

蓝牙可以包括移动电话，PDA、无线信息交换在许多设备之间，如无线耳机、笔记本电脑和相关外设。利用蓝牙技术，可以有效简化移动通信终端设备之间的通信，也可以成功简化设备和因特网Internet通信之间的数据传输变得更加快速高效，拓宽了无线通信的道路。

4、有线通信

(1)USB

USB，是英文Universal Serial Bus(通用串行总线)的缩写是规范计算机与外部设备连接和通信的外部总线标准。PC领域的接口技术。

(2)串口通信协议

串口通信协议是指数据包的内容，包括起始位置、主要数据、验证位置和停止位置。双方需要约定一致的数据包格式才能正常收发数据。在串口通信中，常用的协议包括RS-232、RS-422和RS-485。

串口通信是指外设和计算机间通过数据线传输数据的通信方式。这种通信方式使用的数据线较少，可以节省远程通信的通信成本，但其传输速度低于平行传输。大多数计算机（不包括笔记本电脑）都包含两个RS-232串口。串口通信也是仪器设备常用的通信协议。

(3)以太网

以太网是一种计算机局域网技术。IEEE组织的IEEE 802.以太网的技术标准包括物理连接、电子信号和介质访问层协议。

(4)MBus

MBus 远程抄表系统(symphonic mbus)，二线是欧洲标准的二线总线， 主要用于热表、水表系列等消耗测量仪器。

网络层，传输协议

1、IPv4

第四版互联网通信协议是网络协议开发过程中的第四个修订版，也是该协议广泛部署的第一个版本。IPv它是互联网的核心，也是使用最广泛的网络协议版本。

2、IPv6

由于互联网协议第六版，IPv4最大的问题在于网络地址资源有限，严重制约了互联网的应用和发展。IPv6的使用不仅可以解决网络地址资源数量问题，还可以解决各种连接到互联网的障碍。

3、TCP

传输控制协议(TCP，Transmission Control Protocol)基于字节流的传输层通信协议是的传输层通信协议。TCP适应分层协议层次结构，支持多网络应用。主计算机连接到不同但相互连接的计算机通信网络之间的成对过程依赖于TCP提供可靠的通信服务。TCP假设它可以从较低级别的协议中获得简单、不可靠的数据报告服务。

4、6LoWPAN

6LoWPAN是一种基于IPv6低速无线域网标准，即IPv6 over IEEE 802.15.4。

应用层协议

1、MQTT协议

MQTT (Message Queue Telemetry Transport)，将遥测传输协议翻译成中文，主要提供订阅/发布两种消息模式，更简单、更轻、更容易使用，特别适用于有限环境(带宽低、网络延迟高、网络通信不稳定)的消息分发。属于物联网(Internet of Thing)标准传输协议。在许多情况下，包括有限的环境，如机器和机器(M2M)通信和物联网(IoT)。在许多情况下，包括有限的环境，如机器和机器(M2M)通信和物联网(IoT)。广泛应用于卫星链路通信传感器、偶尔拨号的医疗设备、智能家居和一些小型化设备。

2、CoAP协议

CoAP(Constrained Application Protocol)它是物联网世界的一种类Web协议适用于需要通过标准互联网网络远程控制或监控的小型低功率传感器、开关、阀门和类似部件。服务器不能响应不支持的类型。

3、REST/HTTP协议

RESTful是一种基于资源的软件架构风格。所谓资源，就是网络上的一个实体，或者说是网络上的一个具体信息。一张图片、一首歌曲都是一个资源。RESTful API是基于HTTP协议的实现。(HTTP以简单为特征的应用层协议 快速)Rest规范的应用程序或设计是RESTful，根据est规范设计的API，就叫做RESTful API。

4、DDS协议

DDS(Data Distribution Service)分布式实时数据分发服务中间件协议，它是分布式实时网络里的“TCP/IP”，用来解决实时网络中的网络协议互联，其作用相当于“总线上的总线”。

5、AMQP协议

AMQP，即Advanced Message Queuing Protocol，一个提供统一消息服务的应用层标准高级消息队列协议，是应用层协议的一个开放标准，为面向消息的中间件设计。基于此协议的客户端与消息中间件可传递消息，并不受客户端/中间件不同产品，不同的开发语言等条件的限制。Erlang中的实现有RabbitMQ等。

6、XMPP协议

XMPP是一种基于标准通用标记语言的子集XML的协议，它继承了在XML环境中灵活的发展性。因此，基于XMPP的应用具有超强的可扩展性。经过扩展以后的XMPP可以通过发送扩展的信息来处理用户的需求，以及在XMPP的顶端建立如内容发布系统和基于地址的服务等应用程序。

部分通信协议比较：

1、NB-IoT协议和LoRa协议比较

第一，频段。LoRa工作在1GHz以下的非授权频段，在应用时不需要额外付费，NB-IoT和蜂窝通信使用1GHz以下的频段是2113授权的，是需要收费的。

第二，电池供电寿命。LoRa模块在处理干扰、网络5261重迭、可伸缩性等方面具有独特的特性，但却不能提供像蜂窝协议一样的服务质量4102。NB-IoT出于对服务质量的考虑，不能提供类似LoRa一样的电池寿命。

第三，设备成本。对终端节点来说，LoRa协议比NB-IoT更简单，更容易开发并且1653对于微处理器的适用和兼容性更好。同时低成本、技术相对成熟的LoRa模块已经可以在市场上找到了，并且还会有升级版本陆续出来。

第四，网络覆盖和部署时间表。NB-IoT标准在2016年公布，除回网络部署之外，相应的商业化和产业链的建立还需要更长的时间和努力去探索。LoRa的整个产业链相对已经较为成熟了，产品也处于“蓄势待答发”的状态，同时全球很多国家正在进行或者已经完成了全国性的网络部署。

2、蓝牙、WiFi、ZigBee协议比较

目前来说，WiFi的优势是应用广泛，已经普及到千家万户；ZigBee的优势是低功耗和自组网；UWB无载波无线通信技术的优势是传输速率；蓝牙的优势组网简单。

然而，这3种技术，也都有各自的不足，没有一种技术能完全满足智能家居的全部要求。

蓝牙技术的出现使得短距离无线通信成为可能，但其协议较复杂、功耗高、成本高等特点不太适用于要求低成本、低功耗的工业控制和家庭网络。尤其蓝牙最大的障碍在于传输范围受限，一般有效的范围在10米左右，抗干扰能力不强、信息安全问题等问题也是制约其进一步发展和大规模应用的主要因素。

WiFi也是是一种短距离无线传输技术，可以随时接入无线信号，移动性强，比较适合在办公室及家庭的环境下应用。当然WiFi也存在一个致命缺点。由于WiFi采用的是射频技术，通过空气发送和接收数据，使用无线电波传输数据信号，比较容易受到外界的干扰。

ZigBee则是国际通行的无线通讯技术，它的每个网络端口可以最多接入6.5万多个端口，适合家居、工业、农业等多个领域使用，而蓝牙和WiFi网端只能接入10个端口，显然不能适应家庭需要。ZigBee还具有低功耗和低成本优势。

3、MQTT协议和CoAP协议比较

MQTT是多对多通讯协议用于在不同客户端之间通过中间代理传送消息，解耦生产者与消费者，通过使得客户端发布，让代理决定路由并且拷贝消息。虽然MQTT支持一些持久化，最好还是作为实时数据通讯总线。

CoAP主要是一个点对点协议，用于在客户端与服务器之间传输状态信息。虽然支持观察资源，CoAP最好适合状态传输模型，不是完全基于事件。

MQTT客户端建立长连接TCP，这通常表示没有问题，CoAP客户端与服务器都发送与接收UDP数据包，在NAT环境中，隧道或者端口转发可以用于允许CoAP，或者像LWM2M，设备也许会先初始化前端连接。MQTT不提供支持消息打类型标记或者其他元数据帮助客户端理解，MQTT消息可用于任何目的，但是所有的客户端必须知道向上的数据格式以允许通讯，CoAP，相反地，提供内置支持内容协商与发现，允许设备相互探测以找到交换数据的方式。

两种协议各有优缺点，选择合适的取决于自己的应用。

转自公众号：万物智能视界