什麼是物聯網？常見IoT 物聯網協定最全講解

一、什麼是物聯網?

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、網際網路之後，世界資訊産業發展的第三次浪潮，到現在已經發展了20餘年。如今，在日常生活中，我們已經可以接觸到非常多的物聯網産品，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别等資訊傳感裝置與網際網路連接配接起來，實作智能化識别和管理。當然，物聯網發展到今天，它的定義和範圍已經有了擴充與變化，下面是現代物聯網具有的特點。

1.1 物聯網也是網際網路

物聯網，即物的網際網路，屬于網際網路的一部分。物聯網将網際網路的基礎設施作為資訊傳遞的載體，即現代的物聯網産品一定是“物”通過某種方式接入了網際網路，而“物”通過網際網路上傳/下載下傳資料，以及與人進行互動。

舉個通過手機App遠端啟動汽車的例子，當使用者通過App完成啟動操作時，指令從已接入網際網路的手機發送到雲端平台，雲端平台找到已接入網際網路的車端電腦，然後下發指令，車端電腦執行啟動指令，并将執行的結果回報到雲端平台；同時，使用者的這次操作被記錄在雲端，使用者可以随時從App上查詢遠端開鎖記錄曆史。**

這就是一個典型的物聯網場景，它是屬于網際網路應用的一種。“物”接入網際網路，資料和資訊通過網際網路互動，同時資料和其他網際網路應用一樣彙聚到了雲端。

1.2 物聯網的主體是“物”

前面說現代物聯網應用是一種網際網路應用，但是物聯網應用和傳統網際網路應用又有一個很大的不同，那就是傳統網際網路生産和消費資料的主體是人，而現代物聯網生産和消費資料的主體是物。

在現代物聯網的應用場景下，資料的生産方是“物”，比如智能裝置或者傳感器，資料的消費者往往也是“物”。

在智慧農業的應用中，孵化室中的溫度傳感器将孵化室中的溫度周期性地上傳到控制中心。當溫度低于一定門檻值時，中心按照預設的規則遠端打開加溫裝置。在這一場景中，資料的生産者是溫度傳感器，資料的消費者是加溫裝置，二者都是“物”，人并沒有直接參與其中。

物聯網和傳統網際網路最大的不同：資料的生産者和消費者主要是物，資料内容也是和“物”息息相關的。

1.3 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。縱觀人工智能的發展路線，我們可以看到，人工智能的發展之是以能夠突飛猛進，主要有以下兩個原因。

• 硬體的發展使得深度學習神經網絡的學習時間迅速縮短。
• 在大資料的時代，擷取大量資料的成本變低。

事實上，第二個原因尤為重要，神經網絡由于其特性，需要海量的資料進行學習，可供學習的有效資料量往往決定了最後訓練出的神經網絡的效果，甚至算法的重要性都可以排在資料量之後。

而物聯網裝置，比如智能家電、可穿戴裝置等，每天都在産生海量的資料，這些資料經過處理和清洗後，都可以作為不錯的訓練資料反哺神經網絡。同時，訓練出來的神經網絡又可以重新應用到物聯網裝置中，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資料采集-疊代的循環。通過物聯網裝置采集并訓練資料，在資料中心完成訓練後，将模型應用到物聯網裝置，并評估效果進行下一次疊代。

物聯網是人工智能落地的一個非常好的應用場景。随着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，網際網路資料入口漸漸朝幾大巨頭（例如阿裡、騰訊）彙聚，規模較小的公司擷取資料的代價越來越高，**物聯網這塊還未完全開發的資料領域就顯得尤為重要**。

這也是本書側重于物聯網平台開發而略過前端裝置開發的原因，因為前端裝置最終會趨于相同，出現同質化競争，而如何采集和使用好裝置産生的海量資料，才是你是否具有競争優勢的決定性因素。

1.4 物聯網的現狀與前景

随着5G時代的來臨，物聯網的發展将會非常迅速。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
• 智慧建築
• 車聯網
• 智慧社群
• 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，這意味着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佔有率上具有統治力的公司，同時由于市場夠大，是以能夠讓足夠多的公司存活。這種情況在網際網路行業是不常見的，網際網路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。

物聯網模式相對于網際網路模式來說更“重”一些。物聯網的應用總是伴随着前端裝置，這也就意味着使用者的切換成本相對較高，畢竟拆除裝置、重新安裝裝置比動動手指重新下載下傳一個應用要複雜不少。這也就意味着，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，那麼後來者想光靠資本的力量趕上或者将你擠出市場，那他付出的代價要比在網際網路行業中大得多。

是以說，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台競争。在AI和區塊鍊的熱度冷卻後，物聯網很有可能會成為下一個風口。作為程式員，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、常見的物聯網協定

2.1　MQTT協定

MQTT協定（Message Queue Telemetry Transport，消息隊列遙測傳輸協定）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配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協定在設計之初就包含了以下幾個特點：

• 實作簡單
• 提供資料傳輸的QoS
• 輕量、占用帶寬低
• 可傳輸任意類型的資料
• 可保持的會話（Session）

随着多年的發展，MQTT協定的重點不再隻是嵌入式系統，而是更廣泛的物聯網世界。

簡單來說，MQTT協定有以下特性：

• 基于TCP協定的應用層協定
• 采用C/S架構
• 使用訂閱/釋出模式，将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、隻有一次
• 收發消息都是異步的，發送方不需要等待接收方應答

MQTT協定的架構由Broker和連接配接到Broker的多個Client組成，如圖2-1所示。

MQTT協定可以為大量的低功率、工作網絡環境不可靠的物聯網裝置提供通信保障。而它在移動網際網路領域也大有作為，很多Android App的推送功能都是基于MQTT協定實作的，一些IM的實作也是基于MQTT協定的。

2.2　MQTT-SN協定

MQTT-SN（MQTT for Sensor Network）協定是MQTT協定的傳感器版本。MQTT協定雖然是輕量的應用層協定，但是MQTT協定是運作于TCP協定棧之上的，TCP協定對于某些計算能力和電量非常有限的裝置來說，比如傳感器，就不太适用了。

MQTT-SN運作在UDP協定上，同時保留了MQTT協定的大部分信令和特性，如訂閱和釋出等。MQTT-SN協定引入了MQTT-SN網關這一角色，網關負責把MQTT-SN協定轉換為MQTT協定，并和遠端的MQTT Broker進行通信。MQTT-SN協定支援網關的自動發現。MQTT-SN協定的通信模型如圖2-2所示。

2.3　CoAP協定

CoAP（Constrained Application Protocol）協定是一種運作在資源比較緊張的裝置上的協定。CoAP協定通常也是運作在UDP協定上的。

CoAP協定設計得非常小巧，最小的資料包隻有4個位元組。CoAP協定采用C/S架構，使用類似于HTTP協定的請求-響應的互動模式。裝置可以通過類似于coap://192.168.1.150:5683/2ndfloor/temperature的URL來辨別一個實體，并使用類似于HTTP的PUT、GET、POST、DELET請求指令來擷取或者修改這個實體的狀态。

同時，CoAP提供一種觀察模式，觀察者可以通過OBSERVE指令向CoAP伺服器指明觀察的實體對象。當實體對象的狀态發生變化時，觀察者就可以收到實體對象的最新狀态，類似于MQTT協定中的訂閱功能。CoAP協定的通信模型如圖2-3所示。 

2.4　LwM2M協定

LwM2M（ Lightweight Machine-To-Machine ）協定是由Open Mobile Alliance（OMA）定義的一套适用于物聯網的輕量級協定。它使用RESTful接口，提供裝置的接入、管理和通信功能，也适用于資源比較緊張的裝置。LwM2M協定的架構如圖2-4所示。

LwM2M協定底層使用CoAP協定傳輸資料和信令。而在LwM2M協定的架構中，CoAP協定可以運作在UDP或者SMS（短信）之上，通過DTLS（資料報傳輸層安全）來實作資料的安全傳輸。

LwM2M協定架構主要包含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，之後LwM2M Server和LwM2M Client就可以通過協定指定的接口進行互動了。

2.5　HTTP協定

正如我們之前所講，物聯網也是網際網路，HTTP這個在網際網路中廣泛應用的協定，在合适的環境下也可以應用到物聯網中。在一些計算和硬體資源比較充沛的裝置上，比如運作安卓作業系統的裝置，完全可以使用HTTP協定上傳和下載下傳資料，就好像在開發移動應用一樣。裝置也可以使用運作在HTTP協定上的WebSocket主動接收來自伺服器的資料。

2.6　LoRaWAN協定

LoRaWAN協定是由LoRa聯盟提出并推動的一種低功率廣域網協定，它和我們之前介紹的幾種協定有所不同。MQTT協定、CoAP協定都是運作在應用層，底層使用TCP協定或者UDP協定進行資料傳輸，整個協定棧運作在IP網絡上。而LoRaWAN協定則是實體層/資料鍊路層協定，它解決的是裝置如何接入網際網路的問題，并不運作在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，使用者就可以使用LoRaWAN技術進行組網，在工程裝置上安裝支援LoRA的子產品。通過LoRa的中繼裝置将資料發往位于隧道外部的、有網際網路接入的LoRa網關，LoRa網關再将資料封裝成可以在IP網絡中通過TCP協定或者UDP協定傳輸的資料協定包（比如MQTT協定），然後發往雲端的資料中心。

2.7　NB-IoT協定

NB-IoT（Narrow Band Internet of Things）協定和LoRaWAN協定一樣，是将裝置接入網際網路的實體層/資料鍊路層的協定。

與LoRA不同的是，NB-IoT協定建構和運作在蜂窩網絡上，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。裝置安裝支援NB-IoT的晶片和相應的物聯網卡，然後連接配接到NB-IoT基站就可以接入網際網路。而且NB-IoT協定不像LoRaWAN協定那樣需要網關進行協定轉換，接入的裝置可以直接使用IP網絡進行資料傳輸。

NB-IoT協定相比傳統的基站，增益提高了約20dB，可以覆寫到地下車庫、管道、地下室等之前信号難以覆寫的地方。