什么是物联网？常见IoT 物联网协议最全讲解

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。