物联网产品必学——物联网常见协议篇

jerry潮 2024-02-23 22:54:37

物联网的风潮已经有一段时间了，但是我一直没有真正地去了解它。真正的了解物联网也是从去年才开始的，从开始的小白到现在也做了一两个项目，也算入行了，对物联网有基本的认知了。

一直以来我都想将自己的经历用文字的形式进行记录，但平时更多的是观摩思考的过程，迟迟没有行动。希望能用日记的形式分享我对于物联网的一些思考。

一、物联网协议

物联网协议是物联网环境中的关键组成部分，它承担着设备间通信和数据传输的重要任务。这些协议根据其作用的不同，可以分为三种主要类型：传输协议、通信协议和行业协议。

1）传输协议主要负责子网内设备间的组网和通信。例如，Wi-Fi、Ethernet、NFC、Zigbee、Bluetooth、GPRS、3G/4G/5G等都是常见的传输协议。它们确保了在网络上传输的数据具有安全性和可靠性。这些协议在设备间建立连接并确保数据在子网内进行有效传输。

2）通信协议主要是在传统互联网的TCP/IP协议之上运行的设备通讯协议。例如MQTT、CoAP、HTTP等都是常见的通信协议。它们负责设备通过互联网进行数据交换和通信。这些协议在设备间建立和维护通信，使信息能够顺畅地在设备间传输。

3）行业协议则是某个行业范围内的统一标准协议。例如，车联网的JT/T808和视频GB/T 28181都是行业协议的例子。它们针对特定行业的需求和特点，为设备间的通信和数据传输提供了一种标准的规范。这些协议有助于行业的统一和协调，提高设备间的互操作性和兼容性。

总之，物联网协议在物联网环境中扮演着关键的角色，它们通过不同的作用和功能，确保了设备间的有效通信和数据传输。这些协议的多样性和灵活性使得物联网能够适应各种不同的应用场景和需求。

二、传输协议

当开发人员构建网络以适应物联网生态系统时，他们通常会面临选择多种通信协议的挑战。以下是一些常见的物联网协议标准：

1）Modbus是一种主要应用于工业领域的通信协议，它允许控制器通过网络或直接与其他设备进行数据传输。在工业自动化领域，Modbus协议被广泛使用，它提供了可靠的数据传输和易于理解的报文格式。

2）OPC-UA是一种通用的通信协议，主要应用于远程访问设备。它可以使装载不同系统的设备通过网络在客户端与服务器之间进行数据传输。OPC-UA协议的优势在于它的通用性和可扩展性，可以满足各种不同的设备和系统的通信需求。

3）LoRa是一种低功耗的局域网无线标准，主要应用于智慧工地等公共和私人领域。它具有远距离通信的能力，同时由于功耗较低，使得LoRa设备可以持续工作较长时间。

4）ZigBee是一种广泛应用于短距离无线通信的协议。它具有低速、安全、低能耗等特点，可以在短距离内进行稳定的数据传输。ZigBee协议的优势在于它可以接入大量的设备，并且在工业、农业等监测设备密集的领域内具有广泛的应用。

5）Bluetooth，俗称“蓝牙”，是一种常见的短距离无线通信协议。它在众多通信设备以及家用设备中都有广泛的应用，具有较高的兼容性。但相比其他协议，Bluetooth的传输距离较短，功耗和成本也较高。

以ZigBee、Bluetooth、WiFi为例，三者在普及率、能耗、兼容性上各有优劣。ZigBee在工业、农业等领域拥有较大优势，但在智能家居等领域的应用受到限制；Bluetooth出现较早，具有较高的兼容性，但功耗和成本较高，传输距离有限；WiFi主要应用于家庭生活和办公环境中，相比蓝牙更容易受到干扰和屏蔽，安全性稍显不足。

在选择通信协议时，需要根据具体的应用场景和需求进行权衡。对于需要接入大量设备的工业领域，ZigBee可能是一个合适的选择；而在需要远程访问设备的场景下，OPC-UA则更具优势；对于智慧工地等需要远距离通信的场景，LoRa是一个不错的选择；而在家庭生活和办公环境中，WiFi则更为常见。

三、通讯协议

MQTT：MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）是TCP/IP技术的一种扩展，具有较小的体积，特别适合硬件性能或网络传输速度受限的设备。作为物联网行业的重要通讯协议之一，它的应用范围涵盖了卫星链路、医疗、智能家居等多个领域。

HTTPS：HTTPS（Hypertext Transfer Protocol Secure）是一种以安全为目标的数据传输协议，它在传输过程中要求请求/响应机制，从而确保信息传输的安全性。由于可以进行加密通信，HTTPS在互联网中被广泛使用。

CoAP：CoAP（Constrained Application Protocol）是一种主要用于物联网的通讯协议，它基于REST框架构建，能够精简整体结构，从而降低能耗。这种协议通常被应用在水表、电表等一些要求结构精简的设备上。

TCP：TCP（Transmission Control Protocol）是一种基于字节流的通信协议，具有高度的灵活性。因此，它常常被应用在公司内部系统的搭建上，能够给予使用者较高的自由度。

UDP：UDP（User Datagram Protocol）是一种支持无连接的传输协议，专注于提供简单的事物信息传输，延迟与成本都相对较低。该技术主要被应用在流媒体的数据采集与发送上。

以下是MQTT和CoAP协议的比较：

MQTT是一个面向消息的发布/订阅模式协议，它是一种轻量级的通讯协议，适用于连接物联网设备，特别是在硬件资源和网络传输速度有限的情况下。它通过使用代理服务器来解耦生产者和消费者，允许客户端发布消息，并由代理服务器决定消息的路由和复制。虽然MQTT支持一些持久化功能，但它通常被用作实时数据通讯总线。

CoAP是一种面向状态的协议，主要用于在物联网设备之间传输状态信息。它基于REST框架构建，能够精简整体结构，降低能耗。CoAP通常用于状态传输模型，而不是完全基于事件。虽然CoAP支持观察资源，但它并不像MQTT那样适用于多对多的通讯模式。

在连接方式上，MQTT客户端建立长连接TCP，这通常表示没有问题。而CoAP客户端和服务器都使用UDP协议发送和接收数据包。在NAT环境中，可能需要使用隧道或端口转发等技术来允许CoAP连接。

在消息格式方面，MQTT不提供消息类型标记或其他元数据来帮助客户端理解消息，因此所有的客户端必须知道向上的数据格式才能进行通讯。相比之下，CoAP提供内置的支持内容协商和发现功能，允许设备相互探测以找到交换数据的方式。

综上所述，MQTT和CoAP都有各自的优点和适用场景。MQTT更适合多对多的通讯模式，适用于实时数据通讯总线，而CoAP更适合状态传输模型，适用于物联网设备之间的状态信息传输。

四、行业协议

GB/T28181：国家标准GB/T 28181—2016《公共安全视频监控联网系统信息传输、交换、控制技术要求》,是视频监控领域的国家标准。GB28181 标准规定了公共安全视频监控联网系统(以下简称联网系统)的与联结构传输、交换、控制的基本要求和安全性要求,以及控制、传输流程和协议接口等技术要求。

核心应用场景：视频联网传输和设备控制。

JT/T808：

指中国国标GB/T 32960-2017《道路车辆运行数据远程监管与服务》通信协议Q也被称为JT/T808协议。该协议规定了车辆与监管平台之间的通信规范，用于实现对道路车辆的远程监管和服务。

应用场景：交通行业应用。

DL/T645：DL/T 645是多功能电能表与数据终端设备进行数据交换式的物理连接和协议的规范和标准，本设备依据协议采用中国电力企业联合会提出的DL/T 645-2007《多功能电能表》标准规约，实现设备与多功能电能表的信息通信。应用场景：电表。

GB3761：是一种国标电表协议插件，采用新型的数据采集技术，将电能表的实时工况数据转换成电信号，提供给计量系统，并能进行电能的实时记录、统计、抄表和结算等。

应用场景：电表。

HJ212：《污染物在线监控（监测）系统数据传输标准》环保行业中使用的数据传输标准协议。

应用场景：环保行业。

SL651：《水文监测数据通信规约》，水文监测等设备需要遵循该规范。应用场景：

水文监测。

IEC104：IEC104规约由国际电工委员会制定。IEC104规约把IEC101的应用服务数据单元（ASDU）用网络规约TCP/IP进行传输的标准，该标准为远动信息的网络传输提供了通信规约依据。采用104规约组合101规约的ASDU的方式后,可很好地保证规约的标准化和通信的可靠性。