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物联网通信协议全解析

2020-06-02 10:50:07 软件新视界 27

明申智能卡/RFID 物联网通信协议全解析

随着物联网设备数量的持续增加,这些设备之间的通信或连接已成为一个重要的思考课题。通信对物联网来说十分常用且关键,无论是近距离无线传输技术还是移动通信技术,都影响着物联网的发展。而在通信中,通信协议尤其重要,是双方实体完成通信或服务所必须遵循的规则和约定。本文介绍了几个可用的物联网通信协议,它们具有不同的性能、数据速率、覆盖范围、功率和内存,而且每一种协议都有各自的优点和或多或少的缺点。其中一些通信协议只适合小型家用电器,而其他一些通信协议则可以用于大型智慧城市项目。将物联网通信协议分为两大类,一类是接入协议,一类是通讯协议。接入协议一般负责子网内设备间的组网及通信;通讯协议主要是运行在传统互联网TCP/IP协议之上的设备通讯协议,负责设备通过互联网进行数据交换及通信。

一、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,分别指第二、三、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)成为万物互联网络的一个重要分支。NB-IoT构建于蜂窝网络,只消耗大约180kHz的带宽,可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络,以降低部署成本、实现平滑升级。NB-IoT聚焦于低功耗广覆盖(LPWA)物联网(IoT)市场,是一种可在全球范围内广泛应用的新兴技术。具有覆盖广、连接多、速率快、成本低、功耗低、架构优等特点。

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、共享单车和智能家电等。

(3)5G

第五代移动通信技术,是最新一代蜂窝移动通信技术。5G的性能目标是高数据速率、减少延迟、节省能源、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

由于前几年家用WiFi路由器以及智能手机的迅速普及,WiFi协议在智能家居领域也得到了广泛应用。WiFi协议最大的优势是可以直接接入互联网。相对于ZigBee,采用Wifi协议的智能家居方案省去了额外的网关,相对于蓝牙协议,省去了对手机等移动终端的依赖。

商用WiFi在城市公共交通、商场等公共场所的覆盖,将商用WiFi的场景应用潜力表露无疑。

(2)ZigBee

ZigBee是一种低速短距离传输的无线通信协议,是一种高可靠的无线数传网络,主要特色有低速、低耗电、低成本、支持大量网上节点、支持多种网上拓扑、低复杂度、快速、可靠、安全。ZigBee技术是一种新型技术,它最近出现,主要是依靠无线网络进行传输,它能够近距离的进行无线连接,属于无线网络通讯技术。

ZigBee技术的先天性优势,使得它在物联网行业逐渐成为一个主流技术,在工业、农业、智能 家居等领域得到大规模的应用。

(3)LoRa

LoRa?(LongRange,远距离)是一种调制技术,与同类技术相比,提供更远的通信距离。LoRa 网关、烟感、水监测、红外探测、定位、排插等广泛应用物联网产品。作为一种窄带无线技术,LoRa 是使用到达时间差来实现地理定位的。LoRa 定位的应用场景:智慧城市和交通监控、计量和物流、农业定位监控。

3、近距离通信

(1)RFID

射频识别(RFID)是 Radio Frequency Identification 的缩写。其原理为阅读器与标签之间进行非接触式的数据通信,达到识别目标的目的。RFID 的应用非常广泛,典型应用有动物晶片、汽车晶片防盗器、门禁管制、停车场管制、生产线自动化、物料管理。完整的RFID系统由读写器(Reader)、电子标签(Tag)和数据管理系统三部分组成。

(2)NFC

NFC的中文全称为近场通信技术。NFC是在非接触式射频识别(RFID)技术的基础上,结合无线互连技术研发而成,它为我们日常生活中越来越普及的各种电子产品提供了一种十分安全快捷的通信方式。NFC中文名称中的“近场”是指临近电磁场的无线电波。

应用场景:应用在门禁、考勤、访客、会议签到、巡更等领域。NFC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。

蓝牙能在包括移动电话、PDA、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等众多设备之间进行无线信息交换。利用“蓝牙”技术,能够有效地简化移动通信终端设备之间的通信,也能够成功地简化设备与因特网Internet之间的通信,从而数据传输变得更加迅速高效,为无线通信拓宽道路。

4、有线通信

(1)USB

USB,是英文Universal Serial Bus(通用串行总线)的缩写,是一个外部总线标准,用于规范电脑与外部设备的连接和通讯。是应用在PC领域的接口技术。

(2)串口通信协议

串口通信协议是指规定了数据包的内容,内容包含了起始位、主体数据、校验位及停止位,双方需要约定一致的数据包格式才能正常收发数据的有关规范。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,通过数据线按位进行传输数据的一种通讯方式。这种通信方式使用的数据线少,在远距离通信中可以节约通信成本,但其传输速度比并行传输低。大多数计算机(不包括笔记本)都包含两个RS-232串口。串口通信也是仪表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 802.3标准制定了以太网的技术标准,它规定了包括物理层的连线、电子信号和介质访问层协议的内容。

(4)MBus

MBus 远程抄表系统(symphonic mbus),是欧洲标准的2线的二总线, 主要用于消耗测量仪器诸如热表和水表系列。

二、网络层、传输协议

1、IPv4

互联网通信协议第四版,是网际协议开发过程中的第四个修订版本,也是此协议第一个被广泛部署的版本。IPv4是互联网的核心,也是使用最广泛的网际协议版本

2、IPv6

互联网协议第6版,由于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,不仅能解决网络地址资源数量的问题,而且也解决了多种接入设备连入互联网的障碍

3、TCP

传输控制协议(TCP,Transmission Control Protocol)是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。TCP旨在适应支持多网络应用的分层协议层次结构。 连接到不同但互连的计算机通信网络的主计算机中的成对进程之间依靠TCP提供可靠的通信服务。TCP假设它可以从较低级别的协议获得简单的,可能不可靠的数据报服务。

4、6LoWPAN

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

三、应用层协议

1、MQTT协议

MQTT (Message Queue Telemetry Transport),翻译成中文就是,遥测传输协议,其主要提供了订阅/发布两种消息模式,更为简约、轻量,易于使用,特别适合于受限环境(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)的一个标准传输协议。

在很多情况下,包括受限的环境中,如:机器与机器(M2M)通信和物联网(IoT)。其在,通过卫星链路通信传感器、偶尔拨号的医疗设备、智能家居、及一些小型化设备中已广泛使用。

2、CoAP协议

CoAP(Constrained Application Protocol)是一种在物联网世界的类Web协议,适用于需要通过标准互联网网络进行远程控制或监控的小型低功率传感器,开关,阀门和类似的组件,服务器对不支持的类型可以不响应

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协议的一种实现。(HTTP是一个应用层的协议,特点是简捷 快速)。

满足Rest规范的应用程序或设计就是RESTful,根据Rest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。

四、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。


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