時間:2024-07-22 17:27:42來源:21ic電子網(wǎng)
通信模塊是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用終端的基礎(chǔ)。物聯(lián)網(wǎng)的行業(yè)終端種類繁多,體積、處理能力、對外接口等各不相同,通信模塊將成為物聯(lián)網(wǎng)智能服務(wù)通道的統(tǒng)一承載體,嵌入各種行業(yè)終端,為各行各業(yè)提供物聯(lián)網(wǎng)的智能通道服務(wù)。而在通信中,通信協(xié)議尤其重要,是指雙方實體完成通信或服務(wù)所必須遵循的規(guī)則和約定,而且根據(jù)終端環(huán)境的不同對通信協(xié)議的要求完全不一致。
與互聯(lián)網(wǎng)時代TCP/IP,HTTP一統(tǒng)天下的局面不同,物聯(lián)網(wǎng)的通信環(huán)境有Ethernet, Wi-Fi, RFID, NFC(近距離無線通信), Zigbee, 6LoWPAN(IPV6低速無線版本),Bluetooth, GSM, GPRS, GPS, 3G, 4G等網(wǎng)絡(luò),而每一種通信應(yīng)用協(xié)議都有一定適用范圍。AMQP、JMS、REST/HTTP都是工作在以太網(wǎng),COAP協(xié)議是專門為資源受限設(shè)備開發(fā)的協(xié)議,而DDS和MQTT的兼容性則強很多。
物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things, IoT)是指將各種傳感器、設(shè)備等通過互聯(lián)網(wǎng)連接起來,形成一個龐大的網(wǎng)絡(luò),實現(xiàn)物與物之間的互聯(lián)互通。在實現(xiàn)這個過程中,各種不同的通信協(xié)議被廣泛應(yīng)用。本文將為大家介紹物聯(lián)網(wǎng)中常見的通信協(xié)議。
一、MQTT
MQTT(Message Queuing Telemetry Transport)是物聯(lián)網(wǎng)(IoT)通信中常見的一種協(xié)議。它是一種輕量級的消息傳遞協(xié)議,被廣泛用于設(shè)備和服務(wù)器之間的通信。
MQTT協(xié)議的工作原理類似于一個發(fā)布-訂閱模型,它允許不同的設(shè)備或客戶端通過一個稱為“代理”(Broker)的中間件來交換消息。設(shè)備或客戶端可以選擇訂閱(Subscribe)特定的主題(Topic),并從中接收來自代理的消息。同時,設(shè)備或客戶端還可以發(fā)布(Publish)消息到一個或多個特定的主題(Topic),代理將轉(zhuǎn)發(fā)這些消息給所有訂閱該主題的設(shè)備或客戶端。
與其他通信協(xié)議相比,MQTT協(xié)議具有以下優(yōu)點:
1、它是一種輕量級的協(xié)議,占用的帶寬和資源很少;
2、它具有很高的可靠性,能夠保證消息的傳遞和接收;
3、它支持異步通信和離線消息,即使設(shè)備不在線也能夠接收和發(fā)送消息。
因此,MQTT協(xié)議是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中最常用的一種協(xié)議,它能夠幫助設(shè)備之間進行高效地通信,并為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供了一個可靠、安全的消息傳遞機制。
二、CoAP
當(dāng)我們談到物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議時,CoAP(Constrained Application Protocol)是一個非常重要的協(xié)議。CoAP是一種面向資源的協(xié)議,它被設(shè)計用于受限設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中,以實現(xiàn)低功耗、低帶寬和低延遲的通信。
為了更好地理解CoAP的工作原理,可以將其比作快遞員。CoAP可以將我們要傳遞的數(shù)據(jù)(包裹)打包成一個個消息,然后通過互聯(lián)網(wǎng)(街道)將這些消息發(fā)送給目的地(收件人)。
CoAP協(xié)議不僅支持傳輸數(shù)據(jù),還支持查詢資源狀態(tài)、觸發(fā)事件等操作,這使得它非常適合在物聯(lián)網(wǎng)中使用。而且,它具有較低的開銷,因為它只需要使用少量的網(wǎng)絡(luò)資源來傳輸數(shù)據(jù)。
總之,CoAP是一種可靠、高效的物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議,它可以幫助設(shè)備在低功耗、低帶寬和低延遲的環(huán)境中進行通信,并且可以通過查詢資源狀態(tài)、觸發(fā)事件等方式與其他設(shè)備進行交互。
三、HTTP
當(dāng)我們談到物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議時,HTTP(Hypertext Transfer Protocol)是一個人人都熟知的協(xié)議,它被用于在互聯(lián)網(wǎng)上傳輸超文本文檔。但是在物聯(lián)網(wǎng)中,HTTP也扮演著重要的角色。
HTTP協(xié)議不僅支持傳輸數(shù)據(jù),還支持請求、響應(yīng)和狀態(tài)碼等操作。這使得它非常適合在物聯(lián)網(wǎng)中使用。同時,它也非常靈活,支持各種不同的數(shù)據(jù)格式和通信方式,例如RESTful API和WebSocket。
然而,在物聯(lián)網(wǎng)中使用HTTP也有一些挑戰(zhàn)。例如,HTTP通信需要使用TCP連接,這可能會導(dǎo)致功耗過高和延遲過大。此外,HTTP的請求頭和響應(yīng)頭也會帶來額外的開銷。
總之,HTTP是一種可靠、靈活的物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議,它可以幫助設(shè)備在互聯(lián)網(wǎng)中進行通信,并且支持各種不同的數(shù)據(jù)格式和通信方式。但是,在使用HTTP時需要注意功耗和延遲等問題,以確保設(shè)備能夠在低功耗、低帶寬和低延遲的環(huán)境中正常工作。
四、LoRaWAN
LoRaWAN(Long Range Wide Area Network)是一種專門為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備設(shè)計的無線通信協(xié)議。它具有以下特點:
1、長距離:LoRaWAN可以在數(shù)公里甚至數(shù)十公里的范圍內(nèi)進行通信。
2、低功耗:它使用低功耗技術(shù),可以使得設(shè)備在數(shù)年的時間內(nèi)持續(xù)工作。
3、雙向通信:LoRaWAN支持雙向通信,可以從設(shè)備接收數(shù)據(jù)并向設(shè)備發(fā)送指令。
前段時間的“華為鴻蒙”事件應(yīng)該都有所耳聞了吧,這件事帶動了很多業(yè)內(nèi)大廠開始招聘鴻蒙操作系統(tǒng)的相關(guān)崗位人才。其實對于鴻蒙操作系統(tǒng)來說,物聯(lián)網(wǎng)、嵌入式等技術(shù)都是十分重要的,那你知道物聯(lián)網(wǎng)中常用的協(xié)議及應(yīng)用場景有哪些嗎?
協(xié)議分層主要分為哪幾類呢?
物理層協(xié)議:NB-IoT,LORA,WIFI,藍牙,zigbee,4G,這幾個都需要芯片模組支持(硬件支持)
應(yīng)用層協(xié)議:MQTT,COAP,HTTP,這些需要開發(fā)服務(wù)器,或者對接云平臺廠商(軟件支持)
物理層各個協(xié)議主要特點是什么?
1)NB-IoT與4G
低功耗:NB-IoT是一種低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)(LPWA)技術(shù),專門設(shè)計用于電池供電的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。它采用了優(yōu)化的傳輸機制和低功耗模式,可以實現(xiàn)長達數(shù)年的電池壽命。而4G則相對較高功耗,通常用于需要更高數(shù)據(jù)速率和連接質(zhì)量的應(yīng)用。
速度和容量:NB-IoT的傳輸速度相對較低,適用于傳輸較小的數(shù)據(jù)量,如傳感器數(shù)據(jù)、簡單命令等。而4G提供更高的傳輸速率和容量,可以處理大量數(shù)據(jù),適用于需要傳輸大文件或進行實時視頻傳輸?shù)葢?yīng)用。
覆蓋范圍:NB-IoT在覆蓋范圍上具有優(yōu)勢,可以實現(xiàn)較廣的物聯(lián)網(wǎng)區(qū)域覆蓋,包括室內(nèi)和室外。4G網(wǎng)絡(luò)覆蓋更廣,但在某些偏遠地區(qū)或深度室內(nèi)可能會存在信號弱的情況。
設(shè)備成本和部署復(fù)雜性:由于NB-IoT是為低成本部署設(shè)計的,因此相對較便宜。它的設(shè)備模組價格較低,并且部署相對簡單。4G設(shè)備成本較高,且部署相對復(fù)雜。
2)WIFI和zigbee
覆蓋范圍:WIFI通常適用于局域網(wǎng)(LAN)環(huán)境,其中包括家庭、辦公室和公共場所等。其覆蓋范圍相對較廣,可以覆蓋較大的空間。而Zigbee是一種低功耗、低數(shù)據(jù)速率的無線協(xié)議,主要適用于個人領(lǐng)域或小范圍應(yīng)用,如智能家居和傳感器網(wǎng)絡(luò)。它的覆蓋范圍相對較小,適合于距離較近的設(shè)備之間進行通信。
低功耗:Zigbee在功耗和電池壽命方面表現(xiàn)出色,特別適用于電池供電的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。它采用了低功耗模式和睡眠模式,可以實現(xiàn)長時間的電池壽命。相比之下,WIFI通常需要更高的功耗,對電池壽命的要求較高。
通信速率:WIFI通常具有較高的數(shù)據(jù)傳輸速率,適用于傳輸大量的數(shù)據(jù),如影音娛樂、高清視頻和文件下載等。而Zigbee的數(shù)據(jù)傳輸速率較低,適用于傳輸小型數(shù)據(jù)包,如傳感器數(shù)據(jù)和簡單命令。它更關(guān)注低功耗和通信的穩(wěn)定性。
互聯(lián)與擴展:WIFI設(shè)備通常可以通過路由器進行互聯(lián),支持與其他WIFI設(shè)備的直接通信和互操作性。而Zigbee采用了網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),使得設(shè)備之間可以形成自組織的網(wǎng)絡(luò),可以支持大規(guī)模設(shè)備的互聯(lián)和擴展性。
3)LoRa WAN協(xié)議
LoRaWAN協(xié)議是由LoRa聯(lián)盟提出并推動的一種低功率廣域網(wǎng)協(xié)議,LoRa(Long Range)是一種無線通信技術(shù),它具有使用距離遠、功耗低的特點。在上面的場景下,用戶就可以使用LoRaWAN技術(shù)進行組網(wǎng),在工程設(shè)備上安裝支持LoRa的模塊。
通過LoRa的中繼設(shè)備將數(shù)據(jù)發(fā)往位于隧道外部的、有互聯(lián)網(wǎng)接入的LoRa網(wǎng)關(guān),LoRa網(wǎng)關(guān)再將數(shù)據(jù)封裝成可以在IP網(wǎng)絡(luò)中通過TCP協(xié)議或者UDP協(xié)議傳輸?shù)臄?shù)據(jù)協(xié)議包(比如MQTT協(xié)議),然后發(fā)往云端的數(shù)據(jù)中心。
網(wǎng)絡(luò)層傳輸協(xié)議
TCP與UDP
TCP是一種面向連接、可靠的、基于字節(jié)流的傳輸層通信協(xié)議,UDP更適合對功率小、可靠性要求不高的場合。
應(yīng)用層協(xié)議:MQTT和COAP對比
1)MQTT
MQTT(Message Queuing Telemetry Transport,消息隊列遙測傳輸)是一種基于TCP協(xié)議的應(yīng)用層傳輸協(xié)議,采用發(fā)布/訂閱模式。它的特點是輕量級、簡單、開放且易于實現(xiàn),使得它適用于廣泛的應(yīng)用場景。
MQTT在許多受限環(huán)境下得到廣泛應(yīng)用,包括機器與機器(M2M)通信、物聯(lián)網(wǎng)(IoT)、衛(wèi)星鏈路通信傳感器、偶爾撥號的醫(yī)療設(shè)備、智能家居以及一些小型化設(shè)備。它的輕量級設(shè)計使得在具有帶寬限制或資源受限的網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備中都能高效運行。
2)CoAP
CoAP(Constrained Application Protocol,受限應(yīng)用協(xié)議)是一種建立在REST模型之上,專為輕量級M2M通信設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議。由于物聯(lián)網(wǎng)中的很多設(shè)備只擁有少量的內(nèi)存空間和有限的計算能力,因此傳統(tǒng)的HTTP協(xié)議在此場景下不適用,而CoAP應(yīng)運而生。
從用戶可見性的角度,CoAP模擬了HTTP協(xié)議,因此讀取傳感器數(shù)據(jù)就像做一個HTTP請求一樣。
CoAP被認(rèn)為是一種不會過時的技術(shù)協(xié)議。據(jù)Gartner預(yù)測,未來將有500億臺設(shè)備連接到互聯(lián)網(wǎng),這將需要低成本、低能耗的設(shè)備,而CoAP的設(shè)計考慮到了這些需求。它被設(shè)計用于與10KB RAM類似的系統(tǒng)。
CoAP最有趣的特性之一是可以發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點。這對于低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自治和自我修復(fù)非常有用。使用CoAP協(xié)議可以解決無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的可擴展性問題,并可以發(fā)現(xiàn)節(jié)點常規(guī)的冗余。
CoAP建立在UDP協(xié)議之上,這是與HTTP或MQTT相比最主要的區(qū)別。它可以更加快速和更好地進行資源優(yōu)化,但在QoS保持不變的情況下,CoAP相比HTTP和MQTT更加不可靠。然而,對于連續(xù)流系統(tǒng)如環(huán)境監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡(luò),4字節(jié)的頭部信息是一個不錯的選擇。
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