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什么是物联网?常见IoT 物联网协议最全讲解

简介: 什么是物联网?常见IoT 物联网协议最全讲解

什么是物联网?常见IoT 物联网协议最全讲解

《物联网系统开发:从0到1构建IoT平台》


推荐语:这是一本从技术原理、工程实践、设计模式和最佳实践4个维度讲解物联网系统开发的著作,是作者10余年实践经验的总结。

付强,某智慧社区企业的联合创始人兼CTO,资深IoT技术专家,有10余年从业经验,专注于物联网平台和产品的设计与开发,非常熟悉各种物联网协议和物联网系统的架构与开发。

一、什么是物联网?

物联网(Internet of Things)这个概念读者应该不会陌生。物联网的概念最早于1999年被提出来,曾被称为继计算机、互联网之后,世界信息产业发展的第三次浪潮,到现在已经发展了20余年。如今,在日常生活中,我们已经可以接触到非常多的物联网产品,例如各种智能家电、智能门锁等,这些都是物联网技术比较成熟的应用。


物联网最早的定义是:把所有物品通过射频识别等信息传感设备与互联网连接起来,实现智能化识别和管理。当然,物联网发展到今天,它的定义和范围已经有了扩展与变化,下面是现代物联网具有的特点。
 
1.1 物联网也是互联网

物联网,即物的互联网,属于互联网的一部分。物联网将互联网的基础设施作为信息传递的载体,即现代的物联网产品一定是“物”通过某种方式接入了互联网,而“物”通过互联网上传/下载数据,以及与人进行交互。
 
举个通过手机App远程启动汽车的例子,当用户通过App完成启动操作时,指令从已接入互联网的手机发送到云端平台,云端平台找到已接入互联网的车端电脑,然后下发指令,车端电脑执行启动命令,并将执行的结果反馈到云端平台;同时,用户的这次操作被记录在云端,用户可以随时从App上查询远程开锁记录历史。**


这就是一个典型的物联网场景,它是属于互联网应用的一种。“物”接入互联网,数据和信息通过互联网交互,同时数据和其他互联网应用一样汇聚到了云端。
 

1.2 物联网的主体是“物”
 
前面说现代物联网应用是一种互联网应用,但是物联网应用和传统互联网应用又有一个很大的不同,那就是传统互联网生产和消费数据的主体是人,而现代物联网生产和消费数据的主体是物。

在现代物联网的应用场景下,数据的生产方是“物”,比如智能设备或者传感器,数据的消费者往往也是“物”。
 
在智慧农业的应用中,孵化室中的温度传感器将孵化室中的温度周期性地上传到控制中心。当温度低于一定阈值时,中心按照预设的规则远程打开加温设备。在这一场景中,数据的生产者是温度传感器,数据的消费者是加温设备,二者都是“物”,人并没有直接参与其中。
 

物联网和传统互联网最大的不同:数据的生产者和消费者主要是物,数据内容也是和“物”息息相关的。
 
1.3 物联网和人工智能


人工智能可谓近年来IT领域最火的词语之一。纵观人工智能的发展路线,我们可以看到,人工智能的发展之所以能够突飞猛进,主要有以下两个原因。

  • 硬件的发展使得深度学习神经网络的学习时间迅速缩短。
  • 在大数据的时代,获取大量数据的成本变低。


事实上,第二个原因尤为重要,神经网络由于其特性,需要海量的数据进行学习,可供学习的有效数据量往往决定了最后训练出的神经网络的效果,甚至算法的重要性都可以排在数据量之后。


而物联网设备,比如智能家电、可穿戴设备等,每天都在产生海量的数据,这些数据经过处理和清洗后,都可以作为不错的训练数据反哺神经网络。同时,训练出来的神经网络又可以重新应用到物联网设备中,进而形成一个良性循环。

图1-1所示为物联网应用人工智能方法进行数据采集-迭代的循环。通过物联网设备采集并训练数据,在数据中心完成训练后,将模型应用到物联网设备,并评估效果进行下一次迭代。

物联网是人工智能落地的一个非常好的应用场景。随着人工智能的迅速发展,物联网这个同样在很多年前就提出的理论和技术,也会迎来新的春天。


目前,互联网数据入口渐渐朝几大巨头(例如阿里、腾讯)汇聚,规模较小的公司获取数据的代价越来越高,物联网这块还未完全开发的数据领域就显得尤为重要
 
这也是本书侧重于物联网平台开发而略过前端设备开发的原因,因为前端设备最终会趋于相同,出现同质化竞争,而如何采集和使用好设备产生的海量数据,才是你是否具有竞争优势的决定性因素。
 
1.4 物联网的现状与前景

随着5G时代的来临,物联网的发展将会非常迅速。同时,物联网方向的新增融资也一直处于上升趋势。下面再从应用场景角度来谈一下物联网行业的发展前景。
物联网的应用场景非常广泛,包括:

  • 智慧城市
  • 智慧建筑
  • 车联网
  • 智慧社区
  • 智能家居
  • 智慧医疗
  • 工业物联网

在不同的场景下,物联网应用的差异非常大,终端和网络架构的异构性强,这意味着在物联网行业存在足够多的细分市场,这就很难出现一家在市场份额上具有统治力的公司,同时由于市场够大,所以能够让足够多的公司存活。这种情况在互联网行业是不常见的,互联网行业的头部效应非常明显,市场绝大部分份额往往被头部的两三家公司占据。


物联网模式相对于互联网模式来说更“重”一些。物联网的应用总是伴随着前端设备,这也就意味着用户的切换成本相对较高,毕竟拆除设备、重新安装设备比动动手指重新下载一个应用要复杂不少。这也就意味着,资本的推动力在物联网行业中相对更弱。如果你取得了先发优势,那么后来者想光靠资本的力量赶上或者将你挤出市场,那他付出的代价要比在互联网行业中大得多。


所以说,物联网行业目前仍然是一片蓝海,小规模公司在这个行业中也完全有能力和大规模公司同台竞争。在AI和区块链的热度冷却后,物联网很有可能会成为下一个风口。作为程序员,在风口来临之前,提前进行一些知识储备是非常有必要的。
 
 
二、常见的物联网协议
 
2.1 MQTT协议
MQTT协议(Message Queue Telemetry Transport,消息队列遥测传输协议)是IBM的Andy Stanford-Clark和Arcom的Arlen Nipper于1999年为了一个通过卫星网络连接输油管道的项目开发的。为了满足低电量消耗和低网络带宽的需求,MQTT协议在设计之初就包含了以下几个特点:

  • 实现简单
  • 提供数据传输的QoS
  • 轻量、占用带宽低
  • 可传输任意类型的数据
  • 可保持的会话(Session)


随着多年的发展,MQTT协议的重点不再只是嵌入式系统,而是更广泛的物联网世界。

简单来说,MQTT协议有以下特性:

  • 基于TCP协议的应用层协议
  • 采用C/S架构
  • 使用订阅/发布模式,将消息的发送方和接受方解耦
  • 提供3种消息的QoS(Quality of Service):至多一次、最少一次、只有一次
  • 收发消息都是异步的,发送方不需要等待接收方应答


MQTT协议的架构由Broker和连接到Broker的多个Client组成,如图2-1所示。



MQTT协议可以为大量的低功率、工作网络环境不可靠的物联网设备提供通信保障。而它在移动互联网领域也大有作为,很多Android App的推送功能都是基于MQTT协议实现的,一些IM的实现也是基于MQTT协议的。

 
2.2 MQTT-SN协议
MQTT-SN(MQTT for Sensor Network)协议是MQTT协议的传感器版本。MQTT协议虽然是轻量的应用层协议,但是MQTT协议是运行于TCP协议栈之上的,TCP协议对于某些计算能力和电量非常有限的设备来说,比如传感器,就不太适用了。

MQTT-SN运行在UDP协议上,同时保留了MQTT协议的大部分信令和特性,如订阅和发布等。MQTT-SN协议引入了MQTT-SN网关这一角色,网关负责把MQTT-SN协议转换为MQTT协议,并和远端的MQTT Broker进行通信。MQTT-SN协议支持网关的自动发现。MQTT-SN协议的通信模型如图2-2所示。



2.3 CoAP协议
CoAP(Constrained Application Protocol)协议是一种运行在资源比较紧张的设备上的协议。CoAP协议通常也是运行在UDP协议上的。

CoAP协议设计得非常小巧,最小的数据包只有4个字节。CoAP协议采用C/S架构,使用类似于HTTP协议的请求-响应的交互模式。设备可以通过类似于coap://192.168.1.150:5683/2ndfloor/temperature的URL来标识一个实体,并使用类似于HTTP的PUT、GET、POST、DELET请求指令来获取或者修改这个实体的状态。

同时,CoAP提供一种观察模式,观察者可以通过OBSERVE指令向CoAP服务器指明观察的实体对象。当实体对象的状态发生变化时,观察者就可以收到实体对象的最新状态,类似于MQTT协议中的订阅功能。CoAP协议的通信模型如图2-3所示。 




2.4 LwM2M协议
LwM2M( Lightweight Machine-To-Machine )协议是由Open Mobile Alliance(OMA)定义的一套适用于物联网的轻量级协议。它使用RESTful接口,提供设备的接入、管理和通信功能,也适用于资源比较紧张的设备。LwM2M协议的架构如图2-4所示。



LwM2M协议底层使用CoAP协议传输数据和信令。而在LwM2M协议的架构中,CoAP协议可以运行在UDP或者SMS(短信)之上,通过DTLS(数据报传输层安全)来实现数据的安全传输。
 

LwM2M协议架构主要包含3种实体—LwM2M Bootstrap Server、LwM2M Server和LwM2M Client。

LwM2M Bootstrap Server负责引导LwM2M Client注册并接入LwM2M Server,之后LwM2M Server和LwM2M Client就可以通过协议指定的接口进行交互了。
 
2.5 HTTP协议
正如我们之前所讲,物联网也是互联网,HTTP这个在互联网中广泛应用的协议,在合适的环境下也可以应用到物联网中。在一些计算和硬件资源比较充沛的设备上,比如运行安卓操作系统的设备,完全可以使用HTTP协议上传和下载数据,就好像在开发移动应用一样。设备也可以使用运行在HTTP协议上的WebSocket主动接收来自服务器的数据。
 
2.6 LoRaWAN协议
LoRaWAN协议是由LoRa联盟提出并推动的一种低功率广域网协议,它和我们之前介绍的几种协议有所不同。MQTT协议、CoAP协议都是运行在应用层,底层使用TCP协议或者UDP协议进行数据传输,整个协议栈运行在IP网络上。而LoRaWAN协议则是物理层/数据链路层协议,它解决的是设备如何接入互联网的问题,并不运行在IP网络上。


LoRa(Long Range)是一种无线通信技术,它具有使用距离远、功耗低的特点。在上面的场景下,用户就可以使用LoRaWAN技术进行组网,在工程设备上安装支持LoRA的模块。通过LoRa的中继设备将数据发往位于隧道外部的、有互联网接入的LoRa网关,LoRa网关再将数据封装成可以在IP网络中通过TCP协议或者UDP协议传输的数据协议包(比如MQTT协议),然后发往云端的数据中心。
 
2.7 NB-IoT协议
NB-IoT(Narrow Band Internet of Things)协议和LoRaWAN协议一样,是将设备接入互联网的物理层/数据链路层的协议。

与LoRA不同的是,NB-IoT协议构建和运行在蜂窝网络上,消耗的带宽较低,可以直接部署到现有的GSM网络或者LTE网络。设备安装支持NB-IoT的芯片和相应的物联网卡,然后连接到NB-IoT基站就可以接入互联网。而且NB-IoT协议不像LoRaWAN协议那样需要网关进行协议转换,接入的设备可以直接使用IP网络进行数据传输。

NB-IoT协议相比传统的基站,增益提高了约20dB,可以覆盖到地下车库、管道、地下室等之前信号难以覆盖的地方。
 
本文经出版社授权发布,更多关于从0到1搭建物联网平台的方法,推荐阅读《物联网系统开发:从0到1构建物联网IoT平台》。

推荐语:这是一本从技术原理、工程实践、设计模式和最佳实践4个维度讲解物联网系统开发的著作,是作者10余年实践经验的总结。


首先,通过代码实例循序渐进、深入浅出地介绍了物联网协议的原理与实践;然后,以一个功能完备的综合性物联网平台的搭建过程为例,讲解了如何从0到1搭建一个物联网平台;最后,总结了物联网平台开发中常用的设计模式和最佳实践。


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