2.2 物联网

“物联网”概念在1999年美国麻省理工学院首次被提出，狭义的物联网指的是“物—物相连的互联网”，这里相连的主体既包括物品到物品，也包括物品到识别管理设备。广义的物联网指的是信息空间和物理空间的融合，也就是虚拟与现实的融合，把所有的物体和事件数字化、网络化，在人与人、人与物、物与物之间实现信息交互，实现物品的自动识别，监控定位和远程管理。物联网以现有的互联网和各种专有网为基础，传输层通过感知层采集汇总的各类数据，实现数据的实时传输并保证数据安全。目前的有线和无线互联网、2G、3G、4G、5G网络等都可以作为传输层的组成部分。物联网是一个基于互联网、传统电信网等信息承载体，让所有能够被独立寻址的普通物理对象实现互联互通的网络（图2-2-1）。在物联网上，每个人都可以应用电子标签将真实的物体上网联结，在物联网上都可以查找出它们的具体位置。通过物联网可以用中心计算机对机器、设备、人员进行集中管理、控制，也可以对家庭设备、汽车进行遥控，以及搜寻位置、防止物品被盗等各种应用。

物联网通信技术有很多种，从传输距离上区分，可以分为两类：

一类是短距离通信技术，代表技术有ZigBee、WiFi、蓝牙、Z-wave等，典型的应用场景如智能家居；另一类是广域网通信技术，业界一般定义为LPWAN（低功耗广域网），典型的应用场景如智能抄表。

LPWAN技术又可分为两类：一类是工作在非授权频段的技术，如Lora、Sigfox等，这类技术大多是非标、自定义实现；另一类是工作在授权频段的技术，如GSM、CDMA、WCDMA等较成熟的2G/3G蜂窝通信技术，以及目前逐渐部署应用、支持不同category终端类型的LTE及其演进技术，这类技术基本都在3GPP（主要制定GSM、WCDMA、LTE及其演进技术的相关标准）或3GPP2（主要制定CDMA相关标准）等国际标准组织进行了标准定义。

NB-IoT即是2015年9月在3GPP标准组织中立项提出的一种新的窄带蜂窝通信LPWAN技术。考虑NB-IoT的特性，NB-IoT技术可满足对低功耗/长待机、深覆盖、大容量有所要求的低速率业务；同时由于对于移动性支持较差，更适合静态业务场景或非连续移动、实时传输数据的业务场景，并且业务对时延低敏感。

华为已与全球多家运营商在中国、德国、西班牙、阿联酋等国共同完成了基于NB-IoT技术智能水表、智能停车、智能垃圾箱业务的功能验证。其中沃达丰和华为于2015年底在西班牙完成了NB-IoT预标准的第一个试商用测试，成功地将NB-IoT技术整合到沃达丰现有移动网络中，发送NB-IoT消息给水表中的物联网模块，水表的放置环境通常在壁橱等隐蔽环境，且水表无法外接电源，NB-IoT可有效解决覆盖及功耗等问题。

物联网协议分为两大类，一类是传输协议，另一类是通信协议。传输协议一般负责子网内设备间的组网及通信。通信协议则主要是运行在传统互联网TCP/IP协议之上的设备通信协议，负责设备通过互联网进行数据交换及通信。互联网时代，TCP/IP协议已经一统江湖，现在的物联网的通信架构也是构建在传统互联网基础架构之上。在当前的互联网通信协议中，HTTP协议由于开发成本低，开放程度高，几乎占据大半江山，所以很多厂商在构建物联网系统时也基于HTTP协议进行开发。包括physic web项目，都是期望在传统web技术基础上构建物联网协议标准。

物联网的通信环境有Ethernet、WiFi、RFID、NFC（近距离无线通信）、ZigBee、6LoWPAN（IPV6低速无线版本）、蓝牙、GSM、GPRS、GPS、3G、4G、5G等网络，而每一种通信应用协议都有一定适用范围。AMQP、JMS、REST/HTTP都是工作在以太网，COAP协议是专门为资源受限设备开发的协议，而DDS和MQTT的兼容性则强很多。

物联网中常见的无线传输协议如下：

1．RFID

RFID（Radio Frequency Identification），即射频识别，俗称电子标签。它是一种非接触式的自动识别技术，通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据（图2-2-2）。RFID由标签（Tag）、解读器（Reader）和天线（Antenna）三个基本要素组成。RFID技术的基本工作原理并不复杂，标签进入磁场后，接收解读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息（Passive Tag，无源标签或被动标签），或者主动发送某一频率的信号（Active Tag，有源标签或主动标签），解读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。

2．红外

红外技术也是无线通信技术的一种，可以进行无线数据的传输。红外有明显的特点：点对点的传输方式、无线、不能离得太远、要对准方向、不能穿墙与障碍物、几乎无法控制信息传输的进度。802.11物理层标准中，除了使用2.4GHz频率的射频外，还包括了红外的有关标准。IrDA1.0支持最高115.2kbps的通信速率，IrDA1.1支持到4Mbps。该技术基本上已被淘汰，被蓝牙和更新的技术代替。

3．ZigBee

ZigBee是一种新兴的短距离、低功耗、低速率的近距离无线网络技术。ZigBee的基础是IEEE802.15.4，这是IEEE无线个人区域工作组的一项标准。但IEEE802.15.4仅处理低级MAC层和物理层协议，所以ZigBee联盟对其网络层和API进行了标准化，同时联盟还负责其安全协议、应用文档和市场推广等。

ZigBee联盟成立于2001年8月，由英国Invensys、日本三菱电气、美国摩托罗拉、荷兰飞利浦半导体等公司共同组成。ZigBee与蓝牙、WiFi（无线局域网）同属于2.4GHz频段的IEEE标准网络协议，由于性能定位不同，各自的应用也不同。

ZigBee有显著的特点：超低功耗、网络容量大、数据传输可靠、时延短、安全性好、实现成本低。在ZigBee技术中，采用对称密钥的安全机制，密钥由网络层和应用层根据实际应用需要生成，并对其进行管理、存储、传送和更新等。因此，在未来的物联网中，ZigBee技术显得尤为重要，已在美国的智能家居等物联网领域中得到广泛应用。

4．蓝牙

蓝牙（Bluetooth）是1998年5月，东芝、爱立信、IBM、Intel和诺基亚共同提出的技术标准。作为一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，蓝牙以低成本的近距离无线连接为基础，为固定与移动设备通信环境建立一个特别连接，完成数据信息的短程无线传输。其实质内容是要建立通用的无线电空中接口（Radio Air Interface）及其控制软件的公开标准，使通信和计算机进一步结合，使不同厂家生产的便携式设备在没有电线或电缆相互连接的情况下，能够在近距离范围内具有互用、互操作的性能（Interoperability）。

蓝牙以无线LANs的IEEE802.11标准技术为基础。应用了“Plonkandplay”的概念（有点类似“即插即用”），即任意一个蓝牙设备一旦搜寻到另一个蓝牙设备，马上就可以建立联系，而无须用户进行任何设置，因此可以解释成“即连即用”（图2-2-3）。

蓝牙技术有成本低、功耗低、体积小、近距离通信、安全性好的特点。蓝牙在未来的物联网发展中将得到一定的应用，特别是应用在办公场所、家庭智能家居等环境中。

5．WiFi

WiFi全称为Wireless Fidelity（图2-2-4），又称IEEE 802.11b标准，它最大的优点就是传输的速度较高，可以达到11Mb/s，另外它的有效距离也很长，同时也与已有的各种IEEE 802.11 DSSS（直接序列展频技术，Direct Sequence Spread Spectrum）设备兼容。

IEEE 802.11b无线网络规范是在IEEE802.11a网络规范基础之上发展起来的，最高带宽为11Mb/s，在信号较弱或有干扰的情况下，带宽可调整为5.5Mb/s、2Mb/s和1Mb/s。带宽的自动调整有效地保障了网络的稳定性和可靠性。WiFi无线保真技术与蓝牙技术一样，属于办公室与家庭使用的短距离无线技术，使用频段是2.4GHz附近的频段，该频段目前尚属没用许可的无线频段，可以使用的标准有两个即802.11ay与802.11b，802.11g是802.11b的继承。

其主要的特性为：速度快、可靠性高。在开放区域，其通信距离可达305m。在封闭性区域其通信距离为76～122m，方便与现有的有线以太网整合，组网的成本更低。

几种无线传输标准的比较见表2-2-1。

6．NB-IoT

NB-IoT即窄带物联网（Narrow Band-Internet of Things），是物联网技术的一种，具有低成本、低功耗、广覆盖等特点，定位于运营商级、基于授权频谱的低速率物联网市场，拥有广阔的应用前景。NB-IoT技术包含六大主要应用场景，包括位置跟踪、环境监测、智能停车、远程抄表、农业和畜牧业。而这些场景恰恰是现有移动通信很难支持的场景。市场研究公司Machina预测，NB-IoT技术未来将覆盖25%的物联网连接。

NB-IoT是3GPP R13阶段LTE的一项重要增强技术，射频带宽可以低至0.18MHz。NB-IoT是NB-CIoT和NB-LTE两种标准的融合，平衡了各方利益，并适用于更广泛的部署场景。其中，华为、沃达丰、高通等公司支持NB-CIoT；爱立信、中兴、三星、英特尔、MTK等公司支持NB-LTE。NB-CIoT、NB-LTE与标准NB-IoT相比都有较大差异，终端无法平滑升级，一些非标基站甚至面临退网风险。

随着物联网技术和应用的不断发展，无线传输协议将迎来前所未有的发展，其在未来智能化系统中的应用也将会呈现爆发性的增长。了解与掌握ZigBee、蓝牙、WiFi、RFID等核心技术，研制相应的接口以及无线通信产品模块化，绝对是企业创造商机的正确手段。无线传输协议始终是物联网发展的一个关键技术，也将是未来物联网发展的重中之重。

主流的物联网应用层协议有：MQTT、DDS、AMQP、XMPP、JMS、REST/HTTP、CoAP。这些协议已被广泛应用，且每种协议都有至少10种以上的代码实现。物联网应用层协议对比见表2-2-2：

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输）最早是IBM开发的一个即时通信协议，MQTT协议是为大量计算能力有限且工作在低带宽、不可靠网络的远程传感器和控制设备通信而设计的一种协议。MQTT协议的优势是可以支持所有平台，它几乎可以把所有的联网物品和互联网连接起来。

它具有以下主要的几项特性：

1）使用发布/订阅消息模式，提供一对多的消息发布和应用程序之间的解耦。

2）消息传输不需要知道负载内容。

3）使用TCP/IP提供网络连接。

4）有三种消息发布的服务质量。

QoS 0：“最多一次”，消息发布完全依赖底层TCP/IP网络。分发的消息可能丢失或重复。例如，这个等级可用于环境传感器数据，单次的数据丢失没关系，因为不久后还会有第二次发送。

QoS 1：“至少一次”，确保消息可以到达，但消息可能会重复。

QoS 2：“只有一次”，确保消息只到达一次。例如，这个等级可用在一个计费系统中，这里如果消息重复或丢失会导致不正确的收费。

5）小型传输，开销很小（固定长度的头部是2字节），协议交换最小化，以降低网络流量。

6）使用Last Will和Testament特性通知有关各方客户端异常中断的机制。

在MQTT协议中，一个MQTT数据包由固定头（Fixed header）、可变头（Variable header）、消息体（payload）三部分构成。MQTT的传输格式非常精小，最小的数据包只有2个bit，且无应用消息头。

MQTT为可靠传递消息的三种消息发布服务质量如图2-2-5所示。

7．CoAP协议

CoAP是受限制的应用协议（Constrained Application Protocol）的代名词。由于目前物联网中的很多设备都是资源受限型的，所以只有少量的内存空间和有限的计算能力，传统的HTTP协议在物联网应用中就会显得过于庞大而不适用。因此，IETF的CoRE工作组提出了一种基于REST架构、传输层为UDP、网络层为6LowPAN（面向低功耗无线局域网的IPv6）的CoAP协议。

CoAP采用与HTTP协议相同的请求响应工作模式。CoAP协议共有4种不同的消息类型。

CON——需要被确认的请求，如果CON请求被发送，那么对方必须做出响应。

NON——不需要被确认的请求，如果NON请求被发送，那么对方不必做出回应。

ACK——应答消息，接收到CON消息的响应。

RST——复位消息，当接收者接收到的消息包含一个错误，接收者解析消息或者不再关心发送者发送的内容，那么复位消息将会被发送。

CoAP消息格式使用简单的二进制格式，最小为4个字节。

一个消息=固定长度的头部header+可选个数的option+负载payload。Payload的长度根据数据报长度来计算。

MQTT和CoAP都是行之有效的物联网协议，但两者还是有很大区别的，比如MQTT协议是基于TCP，而CoAP协议是基于UDP。

8．SoAP协议

SoAP（简单对象访问协议）是交换数据的一种协议规范，是一种轻量、简单、基于可扩展标记语言（XML）的协议，它被设计成在WEB上交换结构化和固化的信息。SoAP可以和现存的许多因特网协议和格式结合使用，包括超文本传输协议（HTTP），简单邮件传输协议（SMTP），多用途网际邮件扩充协议（MIME）。它还支持从消息系统到远程过程调用（RPC）等大量的应用程序。SoAP使用基于可扩展标记语言（XML）的数据结构和超文本传输协议（HTTP）的组合定义了一个标准的方法来使用因特网上各种不同操作环境中的分布式对象。

物联网正朝着泛在网发展演进。泛在网国际标准组织和工业组织如图2-2-6所示。