物联网系列-物联网技术介绍

 

    物联网是互联网的发展和延伸，是设备和人一起作为主体组建的互联网。

           

    我们前面介绍过物理网平台整体架构，总共分3层每一层都有每一层的作用，大家有没有发现基本和大数据、业务平台的架构基本一致呢~

    那么我们来看，在网络层和通信层有哪些常见协议。首先介绍一下整个频谱的频段分布。电磁波的频率和频带如下所示：无线通信主要研究无线电波，频率更高的话会成为光波，比如常见的可见光。

    无线通信有4个重要参数：频段、信道、信道带宽、传输速率。一般来说，带宽越大，传输速率就越大。频率比较高时，电磁环境相对比较干净、干扰少，传输速率会更高。

无线通信常用的技术包括：    

    1. Wi-Fi ：是 IEEE 802.11 无线网络标准的商品名。Wi-Fi网络分布广泛，在家里、在办公场所，包括很多公共区域都有覆盖。所以，它自然也成了很多智能设备的选择，尤其是连接电源线、不需要关心功耗的设备，往往优先考虑Wi-Fi。

    2. BLE（Bluetooth Low Energy）---低功耗蓝牙。频段是非授权的2.400GHz-2.4835GHz，采用40个带宽2MHz的通道。Bluetooth Low Energy的缩写，也叫低功耗蓝牙，是对Bluetooth 4.0 / 4.1 / 4.2 的统称、低功耗物联网设备的首选，仅仅依靠一颗纽扣电池供电就可以工作数年。蓝牙的应用实践非常广泛，是智能手机等设备的标配。因此，无论是从芯片模组的价格考虑，还是从生态的丰富度考虑，它都是电池供电的智能设备的理想选择。

    3.蜂窝通信技术 ---LTE-Cat1 & NB-IoT。对于非移动的、传输数据量很小的设备可以选择NB-IoT；传输数据量更大，又不需要达到 4G 能力的设备可以考虑模组越来越成熟的 LTE-Cat1 技术。

    4. 5G ：被分为 3 个主要应用场景，分别对应 eMBB、uRLLC 和 mMTC 3个标准：

a.eMBB用于我们日常的手机移动通信，网络传输速率高主要就是指这个标准。

b.uRLLC应用的场景是无人驾驶、远程手术等，所以强调的是极低时延，而且是稳定的时延和速率，这不难理解，如果远程做手术，那肯定不能出现卡顿和忽长忽短的时延。

c.mMTC可以支持大规模设备的连接上网，适合智能门锁、烟感传感器、路灯等低速率、低成本、低功耗的物联网设备。

为物联网场景提供新的想象空间的，其实是 uRLLC 和 mMTC。但是目前整体5G还没有大规模推广起来，而且在未来也不可能在任何偏远山区都能覆盖，原因还是在于5G运营成本太高，所以预计还是会在城市、园区等地区普及开来。

    5. LoRa：LoRa是semtech公司开发的一种低功耗局域网无线标准，其名称“LoRa”是远距离无线电（Long Range Radio），它最大特点就是在同样的功耗条件下比其他无线方式传播的距离更远，实现了低功耗和远距离的统一，它在同样的功耗下比传统的无线射频通信距离扩大3-5倍。一般情况下，低功耗则传输距离近，高功耗则传输距离远，通过开发出LoRa技术，解决了在同样的功耗条件下比其他无线方式传播的距离更远的技术问题，实现了低功耗和远距离的统一。LoRa实际上是物联网（IoT）的无线平台。Semtech的LoRa芯片组将传感器连接到云端，实现数据和分析的实时通信，从而提高效率和生产率。但LoRa属于专有传输方式，目前应用面还不是很广。

    6. ZigBee，也称紫蜂，是一种低速短距离传输的无线网上协议，底层是采用IEEE 802.15.4标准规范的媒体访问层与物理层。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作为一项新型的无线通信技术，其具有传统网络通信技术所不可比拟的优势，既能够实现近距离操作，又可降低能源的消耗。又如，相较于蓝牙等无线通信技术，ZigBee无线通信技术可有效降低使用成本， 即便数据处理的速率并不高，然而，值得肯定的是，ZigBee无线通信技术更为便利，可作为众多用户的理想选择。在功耗方面的优势：低功耗。例如在低耗电待机模式下，2节5号干电池可支持1个节点工作6～24个月，甚至更长。这是ZigBee的突出优势。相比较，蓝牙能工作数周、WiFi可工作数小时。所以现在很多国内厂商比如涂鸦之类的传感器设备选择用Zigbee协议。

    这里有一个对以上通信技术的总结：

    上述协议均属于网络7层模型中的1、2层，也即物理层和数据链路层协议。

通信在7层模型中往上走到应用层就需要MQTT、HTTP、CoAP等应用协议来实现和物联网平台的互联互通。而应用层协议会由于：

    1.物联网设备很大可能工作在不可靠、高延迟的网络环境中。

    2.物联网系统中，设备数量多，而且交互非常复杂。

    3.设备经常需要根据实际使用环境做增加、减少等调整。

因为这些特点，物联网系统在选择网络通信的协议时，一般采用发布 - 订阅的通信模式。

应用层协议包括：

1.  MQTT（MQ Telemetry Transport）

MQTT（MQ Telemetry Transport）协议，是 IBM 公司在1999 年开发的轻量级网络协议，它有三个主要特点：

a.采用二进制的消息内容编码格式，所以二进制数据、JSON和图片等负载内容都可以方便传输。

b.协议头很紧凑，协议交互也简单，保证了网络传输流量很小。

c.支持 3 种QoS（Quality of Service，服务质量）级别，便于应用根据不同的场景需求灵活选择。

     QoS 0，消息只发送一次，消息可能丢失；

     QoS 1 ，发送方会接收反馈，保证消息的送达，但是可能消息会重复；

    QoS 2 级别，通过发送方和接收方的多次交互，保证消息有且只有一次）；

MQTT协议非常适合计算能力有限、网络带宽低、信号不稳定的远程设备，所以它成为了物联网系统事实上的网络协议标准。

2. AMQP协议：

    拥有庞大的特性集，比较重，不适合计算资源有限、对功耗要求严苛的物联网设备，但是它可以满足后台系统对于可靠性和可扩展性的要求。因此，它在物联网的平台系统中应用广泛。比如，在分布式系统中应用广泛的RabbitMQ 消息中间件软件，就是基于 AMQP 实现的。AMQP 和 MQTT 一样，也是基于 TCP 协议，采用二进制消息格式，也支持 3 个 QoS级别。

除了上述发布订阅模式外，下述协议属于请求-响应模式：

 

3. HTTP 协议：

    报文格式非常重，光是报文头就能达到 KB大小，不太适合资源有限的嵌入式设备。但在一些计算资源和网络资源都比较充足的物联网设备上，HTTP 协议是一个可选项。

4. CoAP 协议：

    跟 HTTP 协议类似，但是设计轻量。CoAP的消息采用二进制格式，支持可确认消息和不可确认消息两种 QoS 级别。可确认消息（Confirmable Message）与 MQTT 协议的 QoS 1类似，不可确认消息（Non-confirmable Message）对应 MQTT 协议的 QoS 0 级别。CoAP 协议基于的传输层协议是 UDP，于设备的计算资源要求更低。

5. LwM2M 协议

    定义在 CoAP协议之上，不过它在消息传输的基础上更进一步。因为它基于 IPSO （IP-base SmartObject）对设备模型进行了标准化，提供了一组轻量级设备管理和交互接口协议。LwM2M 协议目前主要的实现是 C 语言的 Wakaama 和 Java 语言的Leshan，相对来说应用还比较少。CoAP协议的应用场景同样适合 LwM2M协议，如果你希望在CoAP协议的基础上更方便地实现设备的管理，可以考虑LwM2M协议。

做一个总结：

 

物模型：（Thing Specification Language，简称 TSL）

    物模型是使用计算机可以理解的语言，说清楚这个产品是什么、能做什么事情，以及可以提供哪些信息。物模型规约了设备的功能。新增加的设备，如果是同一类型的，在设计、研发中，会遵循相同的功能定义，有相同的特征，实现相同的服务。

•属性：描述了产品设备运行时的某种状态

•事件：产品设备在运行过程中产生的信息、告警和故障等

•动作：设备可以被调用的能力或者方法

物模型包含的数据类型：

1.布尔型（Bool）：非真即假的二值型变量。例如，开关功能只有开、关两种状态。

2.整数型（Int）：可用于线性调节的整数变量。例如，电灯的亮度是一个整数范围。

3.字符串型（String）：以字符串形式表达的功能点。例如，灯的位置。

4.浮点型（Float）：精度为浮点型的功能点。例如，电压值的范围是0.0 - 24.0。

5.枚举型（Enum）：自定义的有限集合值。例如，灯的颜色有白色、红色、黄色等。

6.时间型（Timestamp）：String类型的 UTC 时间戳。

物模型一般是用 JSON 格式来表述模型元素。

物联网网关：

    部分物联网协议无法直接和云平台通信，中间需要边缘网关（例如LORA，WIFI，zigbee）：

1.物联网网关是设备与云平台之间的桥梁，支持协议转换功能。

2.提供基础功能，包括存储功能、安全管理、设备管理、网关配置和空中升级这些功能模块。

3.根据业务场景，决定边缘计算的支持能力。

边缘网关常见架构：

现在物联网平台整体架构如下：

看完如果觉得有收获，辛苦点赞和转发哈。

 

鸣谢 

https://mp.weixin.qq.com/s/M5r0DB6fWyclD_isdydfRQ

 

 

    

 

       

标签：协议,系列,低功耗,介绍,联网,QoS,LoRa,设备
来源： https://www.cnblogs.com/yakniu/p/16358362.html