嵌入式物联网常见的通信协议
发布时间：2021-11-29 点击数：654
本文介绍一些常见的嵌入式、物联网通讯协议，它们具有不同的性能、通讯速率、掩盖范围、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陷。
其中一些通讯协议只合适小型家用电器，而其他一些通讯协议则能够用于大型才智城市项目。物联网通讯协议分为两大类：
（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，可直接布置于GSM网络、UMTS网络或LTE网络，以降低布置本钱、完成滑润晋级。NB-IoT聚集于低功耗广掩盖（LPWA）物联网（IoT）商场，是一种可在全球范围内广泛运用的新兴技能。具有掩盖广、衔接多、速率快、本钱低、功耗低、架构优等特色。
运用场景：NB-IoT网络带来的场景运用包含智能泊车、智能消防、智能水务、智能路灯、共享单车和智能家电等。
（3）5G第五代移动通讯技能，是最新一代蜂窝移动通讯技能。5G的性能方针是高数据速率、削减推迟、节省动力、降低本钱、进步体系容量和大规模设备衔接。运用场景：AR/VR、车联网、智能制造、才智动力、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、才智城市。
2、远间隔非蜂窝通讯（1）WiFi因为前几年家用WiFi路由器以及智能手机的敏捷遍及，WiFi协议在智能家居范畴也得到了广泛运用。WiFi协议最大的优势是能够直接接入互联网。相对于ZigBee，选用Wifi协议的智能家居方案省去了额定的网关，相对于蓝牙协议，省去了对手机等移动终端的依靠。
商用WiFi在城市公共交通、商场等公共场所的掩盖，将商用WiFi的场景运用潜力披露无疑。
（2）ZigBeeZigBee是一种低速短间隔传输的无线通讯协议，是一种高牢靠的无线数传网络，首要特色有低速、低耗电、低本钱、支撑很多网上节点、支撑多种网上拓扑、低复杂度、快速、牢靠、安全。ZigBee技能是一种新型技能，它最近呈现，首要是依靠无线网络进行传输，它能够近间隔的进行无线衔接，属于无线网络通讯技能。
ZigBee技能的先天性优势，使得它在物联网行业逐步成为一个干流技能，在工业、农业、智能 家居等范畴得到大规模的运用。
（3）LoRaLoRa™(LongRange，远间隔)是一种调制技能，与同类技能相比，供给更远的通讯间隔。LoRa 网关、烟感、水监测、红外勘探、定位、排插等广泛运用物联网产品。作为一种窄带无线技能，LoRa 是运用到达时间差来完成地舆定位的。LoRa 定位的运用场景：才智城市和交通监控、计量和物流、农业定位监控。
3、近间隔通讯（1）RFID射频辨认（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讯，达到辨认方针的意图。RFID 的运用十分广泛，典型运用有动物晶片、轿车晶片防盗器、门禁操控、泊车场操控、生产线自动化、物料管理。完好的RFID体系由读写器(Reader)、电子标签(Tag)和数据管理体系三部分组成。
（2）NFCNFC的中文全称为近场通讯技能。NFC是在非接触式射频辨认(RFID)技能的基础上，结合无线互连技能研发而成，它为咱们日常日子中越来越遍及的各种电子产品供给了一种十分安全快捷的通讯方法。NFC中文名称中的“近场”是指接近电磁场的无线电波。
运用场景：运用在门禁、考勤、访客、会议报到、巡更等范畴。NFC具有人机交互、机器间交互等功能。
（3）Bluetooth蓝牙技能是一种无线数据和语音通讯敞开的全球规范，它是根据低本钱的近间隔无线衔接，为固定和移动设备树立通讯环境的一种特别的近间隔无线技能衔接。
蓝牙能在包含移动电话、PDA、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等很多设备之间进行无线信息交流。利用“蓝牙”技能，能够有用地简化移动通讯终端设备之间的通讯，也能够成功地简化设备与因特网Internet之间的通讯，然后数据传输变得更加敏捷高效，为无线通讯拓宽道路。
4、有线通讯（1）USBUSB，是英文Universal Serial Bus（通用串行总线）的缩写，是一个外部总线规范，用于规范电脑与外部设备的衔接和通讯。是运用在PC范畴的接口技能。
（2）串口通讯协议串口通讯协议是指规则了数据包的内容，内容包含了起始位、主体数据、校验位及停止位，双方需求约好共同的数据包格式才干正常收发数据的有关规范。在串口通讯中，常用的协议包含RS-232、RS-422和RS-485。
串口通讯是指外设和计算机间，经过数据线按位进行传输数据的一种通讯方法。这种通讯方法运用的数据线少，在远间隔通讯中能够节约通讯本钱，但其传输速度比并行传输低。大多数计算机(不包含笔记本)都包含两个RS-232串口。串口通讯也是外表仪器设备常用的通讯协议。
（3）以太网以太网是一种计算机局域网技能。IEEE组织的IEEE 802.3规范制定了以太网的技能规范，它规则了包含物理层的连线、电子信号和介质访问层协议的内容。
（4）MBusMBus 长途抄表体系（symphonic mbus），是欧洲规范的2线的二总线， 首要用于消耗测量仪器诸如热表和水表系列。
2、IPv6互联网协议第6版，因为IPv4最大的问题在于网络地址资源有限，严重限制了互联网的运用和开展。IPv6的运用，不只能处理网络地址资源数量的问题，而且也处理了多种接入设备连入互联网的妨碍
3、TCP传输操控协议（TCP，Transmission Control Protocol）是一种面向衔接的、牢靠的、根据字节省的传输层通讯协议。TCP旨在适应支撑多网络运用的分层协议层次结构。衔接到不同但互连的计算机通讯网络的主计算机中的成对进程之间依靠TCP供给牢靠的通讯服务。TCP假设它能够从较低级别的协议取得简略的，可能不牢靠的数据报服务。
4、6LoWPAN6LoWPAN是一种根据IPv6的低速无线个域网规范，即IPv6 over IEEE 802.15.4。
在很多情况下，包含受限的环境中，如：机器与机器（M2M）通讯和物联网（IoT）。其在，经过卫星链路通讯传感器、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运用。
2、CoAP协议CoAP（Constrained Application Protocol）是一种在物联网世界的类Web协议，适用于需求经过规范互联网网络进行长途操控或监控的小型低功率传感器，开关，阀门和相似的组件，服务器对不支撑的类型能够不响应
3、REST/HTTP协议RESTful是一种根据资源的软件架构风格。所谓资源，便是网络上的一个实体，或许说是网络上的一个详细信息。一张图片、一首歌曲都是一个资源。RESTful API是根据HTTP协议的一种完成。（HTTP是一个运用层的协议，特色是简捷 快速）。
满意Rest规范的运用程序或设计便是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心件协议，它是分布式实时网络里的“TCP/IP”，用来处理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，一个供给统一音讯服务的运用层规范高级音讯队列协议，是运用层协议的一个敞开规范，为面向音讯的中心件设计。根据此协议的客户端与音讯中心件可传递音讯，并不受客户端/中心件不同产品，不同的开发言语等条件的限制。Erlang中的完成有RabbitMQ等。
6、XMPP协议XMPP是一种根据规范通用符号言语的子集XML的协议，它继承了在XML环境中灵敏的开展性。因而，根据XMPP的运用具有超强的可扩展性。经过扩展以后的XMPP能够经过发送扩展的信息来处理用户的需求，以及在XMPP的顶端树立如内容发布体系和根据地址的服务等运用程序。
第二，电池供电寿命。LoRa模块在处理搅扰、网络5261重迭、可伸缩性等方面具有共同的特性，但却不能供给像蜂窝协议相同的服务质量4102。NB-IoT出于对服务质量的考虑，不能供给相似LoRa相同的电池寿命。
第三，设备本钱。对终端节点来说，LoRa协议比NB-IoT更简略，更简单开发而且1653对于微处理器的适用和兼容性更好。一起低本钱、技能相对老练的LoRa模块现已能够在商场上找到了，而且还会有晋级版别连续出来。
第四，网络掩盖和布置时间表。NB-IoT规范在2016年发布，除回网络布置之外，相应的商业化和产业链的树立还需求更长的时间和努力去探究。LoRa的整个产业链相对现已较为老练了，产品也处于“蓄势待答发”的状况，一起全球很多国家正在进行或许现已完成了全国性的网络布置。
2、蓝牙、WiFi、ZigBee协议比较现在来说，WiFi的优势是运用广泛，现已遍及到千家万户；ZigBee的优势是低功耗和自组网；UWB无载波无线通讯技能的优势是传输速率；蓝牙的优势组网简略。然而，这3种技能，也都有各自的不足，没有一种技能能完全满意智能家居的全部要求。
蓝牙技能的呈现使得短间隔无线通讯成为可能，但其协议较复杂、功耗高、本钱高等特色不太适用于要求低本钱、低功耗的工业操控和家庭网络。尤其蓝牙最大的妨碍在于传输范围受限，一般有用的范围在10米左右，抗搅扰才能不强、信息安全问题等问题也是限制其进一步开展和大规模运用的首要因素。
WiFi也是是一种短间隔无线传输技能，能够随时接入无线信号，移动性强，比较合适在办公室及家庭的环境下运用。当然WiFi也存在一个致命缺陷。因为WiFi选用的是射频技能，经过空气发送和接纳数据，运用无线电波传输数据信号，比较简单遭到外界的搅扰。
ZigBee则是国际通行的无线通讯技能，它的每个网络端口能够最多接入6.5万多个端口，合适家居、工业、农业等多个范畴运用，而蓝牙和WiFi网端只能接入10个端口，显然不能适应家庭需求。ZigBee还具有低功耗和低本钱优势。
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经过中心署理传送音讯，解耦生产者与顾客，经过使得客户端发布，让署理决议路由而且拷贝音讯。尽管MQTT支撑一些耐久化，最好仍是作为实时数据通讯总线。
CoAP首要是一个点对点协议，用于在客户端与服务器之间传输状况信息。尽管支撑观察资源，CoAP最好合适状况传输模型，不是完全根据事情。
MQTT客户端树立长衔接TCP，这一般表明没有问题，CoAP客户端与服务器都发送与接纳UDP数据包，在NAT环境中，地道或许端口转发能够用于答应CoAP，或许像LWM2M，设备或许会先初始化前端衔接。
MQTT不供给支撑音讯打类型符号或许其他元数据协助客户端了解，MQTT音讯可用于任何意图，可是一切的客户端必须知道向上的数据格式以答应通讯，CoAP，相反地，供给内置支撑内容洽谈与发现，答应设备相互勘探以找到交流数据的方法。
两种协议各有优缺陷，选择合适的取决于自己的运用。
其中一些通讯协议只合适小型家用电器，而其他一些通讯协议则能够用于大型才智城市项目。物联网通讯协议分为两大类：
- 一类是接入协议：一般担任子网内设备间的组网及通讯
- 一类是通讯协议：首要是运行在传统互联网TCP/IP协议之上的设备通讯协议，担任设备经过互联网进行数据交流及通讯。
物理层、数据链路层协议
（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，可直接布置于GSM网络、UMTS网络或LTE网络，以降低布置本钱、完成滑润晋级。NB-IoT聚集于低功耗广掩盖（LPWA）物联网（IoT）商场，是一种可在全球范围内广泛运用的新兴技能。具有掩盖广、衔接多、速率快、本钱低、功耗低、架构优等特色。
运用场景：NB-IoT网络带来的场景运用包含智能泊车、智能消防、智能水务、智能路灯、共享单车和智能家电等。
（3）5G第五代移动通讯技能，是最新一代蜂窝移动通讯技能。5G的性能方针是高数据速率、削减推迟、节省动力、降低本钱、进步体系容量和大规模设备衔接。运用场景：AR/VR、车联网、智能制造、才智动力、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、才智城市。
2、远间隔非蜂窝通讯（1）WiFi因为前几年家用WiFi路由器以及智能手机的敏捷遍及，WiFi协议在智能家居范畴也得到了广泛运用。WiFi协议最大的优势是能够直接接入互联网。相对于ZigBee，选用Wifi协议的智能家居方案省去了额定的网关，相对于蓝牙协议，省去了对手机等移动终端的依靠。
商用WiFi在城市公共交通、商场等公共场所的掩盖，将商用WiFi的场景运用潜力披露无疑。
（2）ZigBeeZigBee是一种低速短间隔传输的无线通讯协议，是一种高牢靠的无线数传网络，首要特色有低速、低耗电、低本钱、支撑很多网上节点、支撑多种网上拓扑、低复杂度、快速、牢靠、安全。ZigBee技能是一种新型技能，它最近呈现，首要是依靠无线网络进行传输，它能够近间隔的进行无线衔接，属于无线网络通讯技能。
ZigBee技能的先天性优势，使得它在物联网行业逐步成为一个干流技能，在工业、农业、智能 家居等范畴得到大规模的运用。
（3）LoRaLoRa™(LongRange，远间隔)是一种调制技能，与同类技能相比，供给更远的通讯间隔。LoRa 网关、烟感、水监测、红外勘探、定位、排插等广泛运用物联网产品。作为一种窄带无线技能，LoRa 是运用到达时间差来完成地舆定位的。LoRa 定位的运用场景：才智城市和交通监控、计量和物流、农业定位监控。
3、近间隔通讯（1）RFID射频辨认（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讯，达到辨认方针的意图。RFID 的运用十分广泛，典型运用有动物晶片、轿车晶片防盗器、门禁操控、泊车场操控、生产线自动化、物料管理。完好的RFID体系由读写器(Reader)、电子标签(Tag)和数据管理体系三部分组成。
（2）NFCNFC的中文全称为近场通讯技能。NFC是在非接触式射频辨认(RFID)技能的基础上，结合无线互连技能研发而成，它为咱们日常日子中越来越遍及的各种电子产品供给了一种十分安全快捷的通讯方法。NFC中文名称中的“近场”是指接近电磁场的无线电波。
运用场景：运用在门禁、考勤、访客、会议报到、巡更等范畴。NFC具有人机交互、机器间交互等功能。
（3）Bluetooth蓝牙技能是一种无线数据和语音通讯敞开的全球规范，它是根据低本钱的近间隔无线衔接，为固定和移动设备树立通讯环境的一种特别的近间隔无线技能衔接。
蓝牙能在包含移动电话、PDA、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等很多设备之间进行无线信息交流。利用“蓝牙”技能，能够有用地简化移动通讯终端设备之间的通讯，也能够成功地简化设备与因特网Internet之间的通讯，然后数据传输变得更加敏捷高效，为无线通讯拓宽道路。
4、有线通讯（1）USBUSB，是英文Universal Serial Bus（通用串行总线）的缩写，是一个外部总线规范，用于规范电脑与外部设备的衔接和通讯。是运用在PC范畴的接口技能。
（2）串口通讯协议串口通讯协议是指规则了数据包的内容，内容包含了起始位、主体数据、校验位及停止位，双方需求约好共同的数据包格式才干正常收发数据的有关规范。在串口通讯中，常用的协议包含RS-232、RS-422和RS-485。
串口通讯是指外设和计算机间，经过数据线按位进行传输数据的一种通讯方法。这种通讯方法运用的数据线少，在远间隔通讯中能够节约通讯本钱，但其传输速度比并行传输低。大多数计算机(不包含笔记本)都包含两个RS-232串口。串口通讯也是外表仪器设备常用的通讯协议。
（3）以太网以太网是一种计算机局域网技能。IEEE组织的IEEE 802.3规范制定了以太网的技能规范，它规则了包含物理层的连线、电子信号和介质访问层协议的内容。
（4）MBusMBus 长途抄表体系（symphonic mbus），是欧洲规范的2线的二总线， 首要用于消耗测量仪器诸如热表和水表系列。
网络层、传输协议
1、IPv 4互联网通讯协议第四版，是网际协议开发过程中的第四个修订版别，也是此协议榜首个被广泛布置的版别。IPv4是互联网的核心，也是运用最广泛的网际协议版别2、IPv6互联网协议第6版，因为IPv4最大的问题在于网络地址资源有限，严重限制了互联网的运用和开展。IPv6的运用，不只能处理网络地址资源数量的问题，而且也处理了多种接入设备连入互联网的妨碍
3、TCP传输操控协议（TCP，Transmission Control Protocol）是一种面向衔接的、牢靠的、根据字节省的传输层通讯协议。TCP旨在适应支撑多网络运用的分层协议层次结构。衔接到不同但互连的计算机通讯网络的主计算机中的成对进程之间依靠TCP供给牢靠的通讯服务。TCP假设它能够从较低级别的协议取得简略的，可能不牢靠的数据报服务。
4、6LoWPAN6LoWPAN是一种根据IPv6的低速无线个域网规范，即IPv6 over IEEE 802.15.4。
运用层协议
1、MQTT协议MQTT (Message Queue Telemetry Transport)，翻译成中文便是，遥测传输协议，其首要供给了订阅/发布两种音讯模式，更为简约、轻量，易于运用，特别合适于受限环境（带宽低、网络推迟高、网络通讯不稳定）的音讯分发，属于物联网（Internet of Thing）的一个规范传输协议。在很多情况下，包含受限的环境中，如：机器与机器（M2M）通讯和物联网（IoT）。其在，经过卫星链路通讯传感器、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运用。
2、CoAP协议CoAP（Constrained Application Protocol）是一种在物联网世界的类Web协议，适用于需求经过规范互联网网络进行长途操控或监控的小型低功率传感器，开关，阀门和相似的组件，服务器对不支撑的类型能够不响应
3、REST/HTTP协议RESTful是一种根据资源的软件架构风格。所谓资源，便是网络上的一个实体，或许说是网络上的一个详细信息。一张图片、一首歌曲都是一个资源。RESTful API是根据HTTP协议的一种完成。（HTTP是一个运用层的协议，特色是简捷 快速）。
满意Rest规范的运用程序或设计便是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心件协议，它是分布式实时网络里的“TCP/IP”，用来处理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，一个供给统一音讯服务的运用层规范高级音讯队列协议，是运用层协议的一个敞开规范，为面向音讯的中心件设计。根据此协议的客户端与音讯中心件可传递音讯，并不受客户端/中心件不同产品，不同的开发言语等条件的限制。Erlang中的完成有RabbitMQ等。
6、XMPP协议XMPP是一种根据规范通用符号言语的子集XML的协议，它继承了在XML环境中灵敏的开展性。因而，根据XMPP的运用具有超强的可扩展性。经过扩展以后的XMPP能够经过发送扩展的信息来处理用户的需求，以及在XMPP的顶端树立如内容发布体系和根据地址的服务等运用程序。
通讯协议比较
1、NB-IoT协议和LoRa协议比较榜首，频段。LoRa作业在1GHz以下的非授权频段，在运用时不需求额定付费，NB-IoT和蜂窝通讯运用1GHz以下的频段是2113授权的，是需求收费的。第二，电池供电寿命。LoRa模块在处理搅扰、网络5261重迭、可伸缩性等方面具有共同的特性，但却不能供给像蜂窝协议相同的服务质量4102。NB-IoT出于对服务质量的考虑，不能供给相似LoRa相同的电池寿命。
第三，设备本钱。对终端节点来说，LoRa协议比NB-IoT更简略，更简单开发而且1653对于微处理器的适用和兼容性更好。一起低本钱、技能相对老练的LoRa模块现已能够在商场上找到了，而且还会有晋级版别连续出来。
第四，网络掩盖和布置时间表。NB-IoT规范在2016年发布，除回网络布置之外，相应的商业化和产业链的树立还需求更长的时间和努力去探究。LoRa的整个产业链相对现已较为老练了，产品也处于“蓄势待答发”的状况，一起全球很多国家正在进行或许现已完成了全国性的网络布置。
2、蓝牙、WiFi、ZigBee协议比较现在来说，WiFi的优势是运用广泛，现已遍及到千家万户；ZigBee的优势是低功耗和自组网；UWB无载波无线通讯技能的优势是传输速率；蓝牙的优势组网简略。然而，这3种技能，也都有各自的不足，没有一种技能能完全满意智能家居的全部要求。
蓝牙技能的呈现使得短间隔无线通讯成为可能，但其协议较复杂、功耗高、本钱高等特色不太适用于要求低本钱、低功耗的工业操控和家庭网络。尤其蓝牙最大的妨碍在于传输范围受限，一般有用的范围在10米左右，抗搅扰才能不强、信息安全问题等问题也是限制其进一步开展和大规模运用的首要因素。
WiFi也是是一种短间隔无线传输技能，能够随时接入无线信号，移动性强，比较合适在办公室及家庭的环境下运用。当然WiFi也存在一个致命缺陷。因为WiFi选用的是射频技能，经过空气发送和接纳数据，运用无线电波传输数据信号，比较简单遭到外界的搅扰。
ZigBee则是国际通行的无线通讯技能，它的每个网络端口能够最多接入6.5万多个端口，合适家居、工业、农业等多个范畴运用，而蓝牙和WiFi网端只能接入10个端口，显然不能适应家庭需求。ZigBee还具有低功耗和低本钱优势。
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经过中心署理传送音讯，解耦生产者与顾客，经过使得客户端发布，让署理决议路由而且拷贝音讯。尽管MQTT支撑一些耐久化，最好仍是作为实时数据通讯总线。
CoAP首要是一个点对点协议，用于在客户端与服务器之间传输状况信息。尽管支撑观察资源，CoAP最好合适状况传输模型，不是完全根据事情。
MQTT客户端树立长衔接TCP，这一般表明没有问题，CoAP客户端与服务器都发送与接纳UDP数据包，在NAT环境中，地道或许端口转发能够用于答应CoAP，或许像LWM2M，设备或许会先初始化前端衔接。
MQTT不供给支撑音讯打类型符号或许其他元数据协助客户端了解，MQTT音讯可用于任何意图，可是一切的客户端必须知道向上的数据格式以答应通讯，CoAP，相反地，供给内置支撑内容洽谈与发现，答应设备相互勘探以找到交流数据的方法。
两种协议各有优缺陷，选择合适的取决于自己的运用。