剖析什么是物聯網 常見IoT協議最全講解

本文介紹物聯網基礎知識：什么是物聯網，以及常見的物聯網協議。

一什么是物聯網?

物聯網（Internet of Things）這個概念讀者應該不會陌生。物聯網的概念最早于1999年被提出來，曾被稱為繼計算機、互聯網之后，世界信息產業發展的第三次浪潮，到現在已經發展了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網產品，例如各種智能家電、智能門鎖等，這些都是物聯網技術比較成熟的應用。

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

1. 物聯網也是互聯網

物聯網，即物的互聯網，屬于互聯網的一部分。物聯網將互聯網的基礎設施作為信息傳遞的載體，即現代的物聯網產品一定是“物”通過某種方式接入了互聯網，而“物”通過互聯網上傳/下載數據，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，指令從已接入互聯網的手機發送到云端平臺，云端平臺找到已接入互聯網的車端電腦，然后下發指令，車端電腦執行啟動命令，并將執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網場景，它是屬于互聯網應用的一種?！拔铩苯尤牖ヂ摼W，數據和信息通過互聯網交互，同時數據和其他互聯網應用一樣匯聚到了云端。

2. 物聯網的主體是“物”

前面說現代物聯網應用是一種互聯網應用，但是物聯網應用和傳統互聯網應用又有一個很大的不同，那就是傳統互聯網生產和消費數據的主體是人，而現代物聯網生產和消費數據的主體是物。

在現代物聯網的應用場景下，數據的生產方是“物”，比如智能設備或者傳感器，數據的消費者往往也是“物”。

在智慧農業的應用中，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，中心按照預設的規則遠程打開加溫設備。在這一場景中，數據的生產者是溫度傳感器，數據的消費者是加溫設備，二者都是“物”，人并沒有直接參與其中。

物聯網和傳統互聯網最大的不同：數據的生產者和消費者主要是物，數據內容也是和“物”息息相關的。

3. 物聯網和人工智能

人工智能可謂近年來IT領域最火的詞語之一?？v觀人工智能的發展路線，我們可以看到，人工智能的發展之所以能夠突飛猛進，主要有以下兩個原因。

硬件的發展使得深度學習神經網絡的學習時間迅速縮短。

在大數據的時代，獲取大量數據的成本變低。

事實上，第二個原因尤為重要，神經網絡由于其特性，需要海量的數據進行學習，可供學習的有效數據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據量之后。

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

圖1-1所示為物聯網應用人工智能方法進行數據采集-迭代的循環。通過物聯網設備采集并訓練數據，在數據中心完成訓練后，將模型應用到物聯網設備，并評估效果進行下一次迭代。

物聯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展，物聯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，互聯網數據入口漸漸朝幾大巨頭（例如阿里、騰訊）匯聚，規模較小的公司獲取數據的代價越來越高，物聯網這塊還未完全開發的數據領域就顯得尤為重要。

前端設備最終會趨于相同，出現同質化競爭，而如何采集和使用好設備產生的海量數據，才是你是否具有競爭優勢的決定性因素。

4. 物聯網的現狀與前景

隨著5G時代的來臨，物聯網的發展將會非常迅速。同時，物聯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網行業的發展前景。

物聯網的應用場景非常廣泛，包括：

智慧城市

智慧建筑

車聯網

智慧社區

智能家居

智慧醫療

工業物聯網

在不同的場景下，物聯網應用的差異非常大，終端和網絡架構的異構性強，這意味著在物聯網行業存在足夠多的細分市場，這就很難出現一家在市場份額上具有統治力的公司，同時由于市場夠大，所以能夠讓足夠多的公司存活。這種情況在互聯網行業是不常見的，互聯網行業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。

物聯網模式相對于互聯網模式來說更“重”一些。物聯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網行業中相對更弱。如果你取得了先發優勢，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網行業中大得多。

所以說，物聯網行業目前仍然是一片藍海，小規模公司在這個行業中也完全有能力和大規模公司同臺競爭。在AI和區塊鏈的熱度冷卻后，物聯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。

二常見的物聯網協議

1. MQTT協議

MQTT協議（Message Queue Telemetry Transport，消息隊列遙測傳輸協議）是IBM的Andy Stanford-Clark和Arcom的Arlen Nipper于1999年為了一個通過衛星網絡連接輸油管道的項目開發的。為了滿足低電量消耗和低網絡帶寬的需求，MQTT協議在設計之初就包含了以下幾個特點：

實現簡單

提供數據傳輸的QoS

輕量、占用帶寬低

可傳輸任意類型的數據

可保持的會話（Session）

隨著多年的發展，MQTT協議的重點不再只是嵌入式系統，而是更廣泛的物聯網世界。

簡單來說，MQTT協議有以下特性：

基于TCP協議的應用層協議

采用C/S架構

使用訂閱/發布模式，將消息的發送方和接受方解耦

提供3種消息的QoS（Quality of Service）：至多一次、最少一次、只有一次

收發消息都是異步的，發送方不需要等待接收方應答

MQTT協議的架構由Broker和連接到Broker的多個Client組成，如圖2-1所示。

MQTT協議可以為大量的低功率、工作網絡環境不可靠的物聯網設備提供通信保障。而它在移動互聯網領域也大有作為，很多Android App的推送功能都是基于MQTT協議實現的，一些IM的實現也是基于MQTT協議的。

2. MQTT-SN協議

MQTT-SN（MQTT for Sensor Network）協議是MQTT協議的傳感器版本。MQTT協議雖然是輕量的應用層協議，但是MQTT協議是運行于TCP協議棧之上的，TCP協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協議上，同時保留了MQTT協議的大部分信令和特性，如訂閱和發布等。MQTT-SN協議引入了MQTT-SN網關這一角色，網關負責把MQTT-SN協議轉換為MQTT協議，并和遠端的MQTT Broker進行通信。MQTT-SN協議支持網關的自動發現。MQTT-SN協議的通信模型如圖2-2所示。

3. CoAP協議

CoAP（Constrained Application Protocol）協議是一種運行在資源比較緊張的設備上的協議。CoAP協議通常也是運行在UDP協議上的。

CoAP協議設計得非常小巧，最小的數據包只有4個字節。CoAP協議采用C/S架構，使用類似于HTTP協議的請求-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。

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。當實體對象的狀態發生變化時，觀察者就可以收到實體對象的最新狀態，類似于MQTT協議中的訂閱功能。CoAP協議的通信模型如圖2-3所示。

4. LwM2M協議

LwM2M（ Lightweight Machine-To-Machine ）協議是由Open Mobile Alliance（OMA）定義的一套適用于物聯網的輕量級協議。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協議的架構如圖2-4所示。

LwM2M協議底層使用CoAP協議傳輸數據和信令。而在LwM2M協議的架構中，CoAP協議可以運行在UDP或者SMS（短信）之上，通過DTLS（數據報傳輸層安全）來實現數據的安全傳輸。

LwM2M協議架構主要包含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就可以通過協議指定的接口進行交互了。

5. HTTP協議

正如我們之前所講，物聯網也是互聯網，HTTP這個在互聯網中廣泛應用的協議，在合適的環境下也可以應用到物聯網中。

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的設備，完全可以使用HTTP協議上傳和下載數據，就好像在開發移動應用一樣。設備也可以使用運行在HTTP協議上的WebSocket主動接收來自服務器的數據。

6. LoRaWAN協議

LoRaWAN協議是由LoRa聯盟提出并推動的一種低功率廣域網協議，它和我們之前介紹的幾種協議有所不同。MQTT協議、CoAP協議都是運行在應用層，底層使用TCP協議或者UDP協議進行數據傳輸，整個協議棧運行在IP網絡上。而LoRaWAN協議則是物理層/數據鏈路層協議，它解決的是設備如何接入互聯網的問題，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的中繼設備將數據發往位于隧道外部的、有互聯網接入的LoRa網關，LoRa網關再將數據封裝成可以在IP網絡中通過TCP協議或者UDP協議傳輸的數據協議包（比如MQTT協議），然后發往云端的數據中心。

7. NB-IoT協議

NB-IoT（Narrow Band Internet of Things）協議和LoRaWAN協議一樣，是將設備接入互聯網的物理層/數據鏈路層的協議。

與LoRA不同的是，NB-IoT協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網卡，然后連接到NB-IoT基站就可以接入互聯網。而且NB-IoT協議不像LoRaWAN協議那樣需要網關進行協議轉換，接入的設備可以直接使用IP網絡進行數據傳輸。

NB-IoT協議相比傳統的基站，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。