作者：付強

來源：IoT物聯(lián)網技術（ID：IoT-Tech-Expo） 本文經授權轉載

摘要

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

01 什么是物聯(lián)網?

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

如今，在日常生活中，我們已經可以接觸到非常多的物聯(lián)網產品，例如各種智能家電、智能門鎖等，這些都是物聯(lián)網技術比較成熟的應用。

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

1. 物聯(lián)網也是互聯(lián)網

物聯(lián)網，即物的互聯(lián)網，屬于互聯(lián)網的一部分。物聯(lián)網將互聯(lián)網的基礎設施作為信息傳遞的載體，即現(xiàn)代的物聯(lián)網產品一定是“物”通過某種方式接入了互聯(lián)網，而“物”通過互聯(lián)網上傳/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，當用戶通過App完成啟動操作時，指令從已接入互聯(lián)網的手機發(fā)送到云端平臺，云端平臺找到已接入互聯(lián)網的車端電腦，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)網場景，它是屬于互聯(lián)網應用的一種。“物”接入互聯(lián)網，數(shù)據(jù)和信息通過互聯(lián)網交互，同時數(shù)據(jù)和其他互聯(lián)網應用一樣匯聚到了云端。

2. 物聯(lián)網的主體是“物”

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

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

在智慧農業(yè)的應用中，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。當溫度低于一定閾值時，中心按照預設的規(guī)則遠程打開加溫設備。在這一場景中，數(shù)據(jù)的生產者是溫度傳感器，數(shù)據(jù)的消費者是加溫設備，二者都是“物”，人并沒有直接參與其中。

物聯(lián)網和傳統(tǒng)互聯(lián)網最大的不同：數(shù)據(jù)的生產者和消費者主要是物，數(shù)據(jù)內容也是和“物”息息相關的。

3. 物聯(lián)網和人工智能

人工智能可謂近年來IT領域最火的詞語之一。縱觀人工智能的發(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)展使得深度學習神經網絡的學習時間迅速縮短。

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，神經網絡由于其特性，需要海量的數(shù)據(jù)進行學習，可供學習的有效數(shù)據(jù)量往往決定了最后訓練出的神經網絡的效果，甚至算法的重要性都可以排在數(shù)據(jù)量之后。

而物聯(lián)網設備，比如智能家電、可穿戴設備等，每天都在產生海量的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)經過處理和清洗后，都可以作為不錯的訓練數(shù)據(jù)反哺神經網絡。同時，訓練出來的神經網絡又可以重新應用到物聯(lián)網設備中，進而形成一個良性循環(huán)。

圖1-1所示為物聯(lián)網應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)網設備采集并訓練數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)中心完成訓練后，將模型應用到物聯(lián)網設備，并評估效果進行下一次迭代。

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

目前，互聯(lián)網數(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)網這塊還未完全開發(fā)的數(shù)據(jù)領域就顯得尤為重要。

前端設備最終會趨于相同，出現(xiàn)同質化競爭，而如何采集和使用好設備產生的海量數(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)網的現(xiàn)狀與前景

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

物聯(lián)網的應用場景非常廣泛，包括：

智慧城市

智慧建筑

車聯(lián)網

智慧社區(qū)

智能家居

智慧醫(yī)療

工業(yè)物聯(lián)網

在不同的場景下，物聯(lián)網應用的差異非常大，終端和網絡架構的異構性強，這意味著在物聯(lián)網行業(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)網行業(yè)是不常見的，互聯(lián)網行業(yè)的頭部效應非常明顯，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)網模式相對于互聯(lián)網模式來說更“重”一些。物聯(lián)網的應用總是伴隨著前端設備，這也就意味著用戶的切換成本相對較高，畢竟拆除設備、重新安裝設備比動動手指重新下載一個應用要復雜不少。

這也就意味著，資本的推動力在物聯(lián)網行業(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)網行業(yè)中大得多。

所以說，物聯(lián)網行業(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)網很有可能會成為下一個風口。作為程序員，在風口來臨之前，提前進行一些知識儲備是非常有必要的。

02 常見的物聯(lián)網協(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)星網絡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絡帶寬的需求，MQTT協(xié)議在設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)網世界。

簡單來說，MQTT協(xié)議有以下特性：

基于TCP協(xié)議的應用層協(xié)議

采用C/S架構

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答

MQTT協(xié)議的架構由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、工作網絡環(huán)境不可靠的物聯(lián)網設備提供通信保障。而它在移動互聯(lián)網領域也大有作為，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網關這一角色，網關負責把MQTT-SN協(xié)議轉換為MQTT協(xié)議，并和遠端的MQTT Broker進行通信。MQTT-SN協(xié)議支持網關的自動發(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，使用類似于HTTP協(xié)議的請求-響應的交互模式。設備可以通過類似于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服務器指明觀察的實體對象。當實體對象的狀態(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)網的輕量級協(xié)議。它使用RESTful接口，提供設備的接入、管理和通信功能，也適用于資源比較緊張的設備。LwM2M協(xié)議的架構如圖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)議架構主要包含3種實體——LwM2M Bootstrap Server、LwM2M Server和LwM2M Client。

LwM2M Bootstrap Server負責引導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)網也是互聯(lián)網，HTTP這個在互聯(lián)網中廣泛應用的協(xié)議，在合適的環(huán)境下也可以應用到物聯(lián)網中。

在一些計算和硬件資源比較充沛的設備上，比如運行安卓操作系統(tǒng)的設備，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)移動應用一樣。設備也可以使用運行在HTTP協(xié)議上的WebSocket主動接收來自服務器的數(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網絡上。而LoRaWAN協(xié)議則是物理層/數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，它解決的是設備如何接入互聯(lián)網的問題，并不運行在IP網絡上。

LoRa（Long Range）是一種無線通信技術，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技術進行組網，在工程設備上安裝支持LoRa的模塊。

通過LoRa的中繼設備將數(shù)據(jù)發(fā)往位于隧道外部的、有互聯(lián)網接入的LoRa網關，LoRa網關再將數(shù)據(jù)封裝成可以在IP網絡中通過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，是將設備接入互聯(lián)網的物理層/數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議。

與LoRA不同的是，NB-IoT協(xié)議構建和運行在蜂窩網絡上，消耗的帶寬較低，可以直接部署到現(xiàn)有的GSM網絡或者LTE網絡。設備安裝支持NB-IoT的芯片和相應的物聯(lián)網卡，然后連接到NB-IoT基站就可以接入互聯(lián)網。而且NB-IoT協(xié)議不像LoRaWAN協(xié)議那樣需要網關進行協(xié)議轉換，接入的設備可以直接使用IP網絡進行數(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。

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關于作者：付強，資深物聯(lián)網技術專家，有10余年從業(yè)經驗，專注于物聯(lián)網平臺和產品的設計與開發(fā)，非常熟悉各種物聯(lián)網協(xié)議和物聯(lián)網系統(tǒng)的架構與開發(fā)。現(xiàn)就職于某智慧社區(qū)解決方案企業(yè)的聯(lián)合創(chuàng)始人兼CTO， 曾就職于趨勢科技、諾基亞中國，以及德國和美國硅谷的初創(chuàng)公司。 本文摘編自《物聯(lián)網系統(tǒng)開發(fā)：從0到1構建IoT平臺》，經出版方授權發(fā)布。

責任編輯：PSY

原文標題：什么是物聯(lián)網？常見IoT協(xié)議最全講解

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