導讀：本文介紹物(wù)聯網基礎知識，什(shén)麽是物(wù)聯網，以及常見的(de)物(wù)聯網協議(yì)。

01 什(shén)麽是物(wù)聯網?

物(wù)聯網（Internet of Things）這(zhè)個(gè)概念讀者應該不會陌生。物(wù)聯網的(de)概念最早于1999年被提出來(lái)，曾被稱爲繼計算(suàn)機、互聯網之後，世界信息産業發展的(de)第三次浪潮，到現在已經發展了(le)20餘年。

如今，在日常生活中，我們已經可(kě)以接觸到非常多(duō)的(de)物(wù)聯網産品，例如各種智能家電、智能門鎖等，這(zhè)些都是物(wù)聯網技術比較成熟的(de)應用(yòng)。

物(wù)聯網最早的(de)定義是：把所有物(wù)品通(tōng)過射頻(pín)識别等信息傳感設備與互聯網連接起來(lái)，實現智能化(huà)識别和(hé)管理(lǐ)。當然，物(wù)聯網發展到今天，它的(de)定義和(hé)範圍已經有了(le)擴展與變化(huà)，下(xià)面是現代物(wù)聯網具有的(de)特點。

1. 物(wù)聯網也(yě)是互聯網

物(wù)聯網，即物(wù)的(de)互聯網，屬于互聯網的(de)一部分(fēn)。物(wù)聯網将互聯網的(de)基礎設施作爲信息傳遞的(de)載體，即現代的(de)物(wù)聯網産品一定是“物(wù)”通(tōng)過某種方式接入了(le)互聯網，而“物(wù)”通(tōng)過互聯網上傳/下(xià)載數據，以及與人(rén)進行交互。

舉個(gè)通(tōng)過手機App遠(yuǎn)程啓動汽車的(de)例子，當用(yòng)戶通(tōng)過App完成啓動操作時(shí)，指令從已接入互聯網的(de)手機發送到雲端平台，雲端平台找到已接入互聯網的(de)車端電腦(nǎo)，然後下(xià)發指令，車端電腦(nǎo)執行啓動命令，并将執行的(de)結果反饋到雲端平台；同時(shí)，用(yòng)戶的(de)這(zhè)次操作被記錄在雲端，用(yòng)戶可(kě)以随時(shí)從App上查詢遠(yuǎn)程開鎖記錄曆史。

這(zhè)就是一個(gè)典型的(de)物(wù)聯網場(chǎng)景，它是屬于互聯網應用(yòng)的(de)一種。“物(wù)”接入互聯網，數據和(hé)信息通(tōng)過互聯網交互，同時(shí)數據和(hé)其他(tā)互聯網應用(yòng)一樣彙聚到了(le)雲端。

2. 物(wù)聯網的(de)主體是“物(wù)”

前面說現代物(wù)聯網應用(yòng)是一種互聯網應用(yòng)，但是物(wù)聯網應用(yòng)和(hé)傳統互聯網應用(yòng)又有一個(gè)很大(dà)的(de)不同，那就是傳統互聯網生産和(hé)消費數據的(de)主體是人(rén)，而現代物(wù)聯網生産和(hé)消費數據的(de)主體是物(wù)。

在現代物(wù)聯網的(de)應用(yòng)場(chǎng)景下(xià)，數據的(de)生産方是“物(wù)”，比如智能設備或者傳感器，數據的(de)消費者往往也(yě)是“物(wù)”。

在智慧農業的(de)應用(yòng)中，孵化(huà)室中的(de)溫度傳感器将孵化(huà)室中的(de)溫度周期性地上傳到控制中心。當溫度低于一定阈值時(shí)，中心按照(zhào)預設的(de)規則遠(yuǎn)程打開加溫設備。在這(zhè)一場(chǎng)景中，數據的(de)生産者是溫度傳感器，數據的(de)消費者是加溫設備，二者都是“物(wù)”，人(rén)并沒有直接參與其中。

物(wù)聯網和(hé)傳統互聯網最大(dà)的(de)不同：數據的(de)生産者和(hé)消費者主要是物(wù)，數據内容也(yě)是和(hé)“物(wù)”息息相關的(de)。

3. 物(wù)聯網和(hé)人(rén)工智能

人(rén)工智能可(kě)謂近年來(lái)IT領域最火的(de)詞語之一。縱觀人(rén)工智能的(de)發展路線，我們可(kě)以看到，人(rén)工智能的(de)發展之所以能夠突飛(fēi)猛進，主要有以下(xià)兩個(gè)原因。

• 硬件的(de)發展使得(de)深度學習(xí)神經網絡的(de)學習(xí)時(shí)間迅速縮短。

• 在大(dà)數據的(de)時(shí)代，獲取大(dà)量數據的(de)成本變低。

事實上，第二個(gè)原因尤爲重要，神經網絡由于其特性，需要海量的(de)數據進行學習(xí)，可(kě)供學習(xí)的(de)有效數據量往往決定了(le)最後訓練出的(de)神經網絡的(de)效果，甚至算(suàn)法的(de)重要性都可(kě)以排在數據量之後。

而物(wù)聯網設備，比如智能家電、可(kě)穿戴設備等，每天都在産生海量的(de)數據，這(zhè)些數據經過處理(lǐ)和(hé)清洗後，都可(kě)以作爲不錯的(de)訓練數據反哺神經網絡。同時(shí)，訓練出來(lái)的(de)神經網絡又可(kě)以重新應用(yòng)到物(wù)聯網設備中，進而形成一個(gè)良性循環。

圖1-1所示爲物(wù)聯網應用(yòng)人(rén)工智能方法進行數據采集-叠代的(de)循環。通(tōng)過物(wù)聯網設備采集并訓練數據，在數據中心完成訓練後，将模型應用(yòng)到物(wù)聯網設備，并評估效果進行下(xià)一次叠代。

物(wù)聯網是人(rén)工智能落地的(de)一個(gè)非常好的(de)應用(yòng)場(chǎng)景。随著(zhe)人(rén)工智能的(de)迅速發展，物(wù)聯網這(zhè)個(gè)同樣在很多(duō)年前就提出的(de)理(lǐ)論和(hé)技術，也(yě)會迎來(lái)新的(de)春天。

目前，互聯網數據入口漸漸朝幾大(dà)巨頭（例如阿裏、騰訊）彙聚，規模較小的(de)公司獲取數據的(de)代價越來(lái)越高(gāo)，物(wù)聯網這(zhè)塊還(hái)未完全開發的(de)數據領域就顯得(de)尤爲重要。

前端設備最終會趨于相同，出現同質化(huà)競争，而如何采集和(hé)使用(yòng)好設備産生的(de)海量數據，才是你是否具有競争優勢的(de)決定性因素。

4. 物(wù)聯網的(de)現狀與前景

随著(zhe)5G時(shí)代的(de)來(lái)臨，物(wù)聯網的(de)發展将會非常迅速。同時(shí)，物(wù)聯網方向的(de)新增融資也(yě)一直處于上升趨勢。下(xià)面再從應用(yòng)場(chǎng)景角度來(lái)談一下(xià)物(wù)聯網行業的(de)發展前景。

物(wù)聯網的(de)應用(yòng)場(chǎng)景非常廣泛，包括：

• 智慧城(chéng)市

• 智慧建築

• 車聯網

• 智慧社區(qū)

• 智能家居

• 智慧醫療

• 工業物(wù)聯網

  
  

在不同的(de)場(chǎng)景下(xià)，物(wù)聯網應用(yòng)的(de)差異非常大(dà)，終端和(hé)網絡架構的(de)異構性強，這(zhè)意味著(zhe)在物(wù)聯網行業存在足夠多(duō)的(de)細分(fēn)市場(chǎng)，這(zhè)就很難出現一家在市場(chǎng)份額上具有統治力的(de)公司，同時(shí)由于市場(chǎng)夠大(dà)，所以能夠讓足夠多(duō)的(de)公司存活。這(zhè)種情況在互聯網行業是不常見的(de)，互聯網行業的(de)頭部效應非常明(míng)顯，市場(chǎng)絕大(dà)部分(fēn)份額往往被頭部的(de)兩三家公司占據。

物(wù)聯網模式相對(duì)于互聯網模式來(lái)說更“重”一些。物(wù)聯網的(de)應用(yòng)總是伴随著(zhe)前端設備，這(zhè)也(yě)就意味著(zhe)用(yòng)戶的(de)切換成本相對(duì)較高(gāo)，畢竟拆除設備、重新安裝設備比動動手指重新下(xià)載一個(gè)應用(yòng)要複雜(zá)不少。

這(zhè)也(yě)就意味著(zhe)，資本的(de)推動力在物(wù)聯網行業中相對(duì)更弱。如果你取得(de)了(le)先發優勢，那麽後來(lái)者想光(guāng)靠資本的(de)力量趕上或者将你擠出市場(chǎng)，那他(tā)付出的(de)代價要比在互聯網行業中大(dà)得(de)多(duō)。

所以說，物(wù)聯網行業目前仍然是一片藍海，小規模公司在這(zhè)個(gè)行業中也(yě)完全有能力和(hé)大(dà)規模公司同台競争。在AI和(hé)區(qū)塊鏈的(de)熱(rè)度冷(lěng)卻後，物(wù)聯網很有可(kě)能會成爲下(xià)一個(gè)風口。作爲程序員(yuán)，在風口來(lái)臨之前，提前進行一些知識儲備是非常有必要的(de)。

02 常見的(de)物(wù)聯網協議(yì)

1. MQTT協議(yì)

MQTT協議(yì)（Message Queue Telemetry Transport，消息隊列遙測傳輸協議(yì)）是IBM的(de)Andy Stanford-Clark和(hé)Arcom的(de)Arlen Nipper于1999年爲了(le)一個(gè)通(tōng)過衛星網絡連接輸油管道的(de)項目開發的(de)。爲了(le)滿足低電量消耗和(hé)低網絡帶寬的(de)需求，MQTT協議(yì)在設計之初就包含了(le)以下(xià)幾個(gè)特點：

• 實現簡單

• 提供數據傳輸的(de)QoS

• 輕量、占用(yòng)帶寬低

• 可(kě)傳輸任意類型的(de)數據

• 可(kě)保持的(de)會話(huà)（Session）

随著(zhe)多(duō)年的(de)發展，MQTT協議(yì)的(de)重點不再隻是嵌入式系統，而是更廣泛的(de)物(wù)聯網世界。

簡單來(lái)說，MQTT協議(yì)有以下(xià)特性：

• 基于TCP協議(yì)的(de)應用(yòng)層協議(yì)

• 采用(yòng)C/S架構

• 使用(yòng)訂閱/發布模式，将消息的(de)發送方和(hé)接受方解耦

• 提供3種消息的(de)QoS（Quality of Service）：至多(duō)一次、最少一次、隻有一次

• 收發消息都是異步的(de)，發送方不需要等待接收方應答(dá)

MQTT協議(yì)的(de)架構由Broker和(hé)連接到Broker的(de)多(duō)個(gè)Client組成，如圖2-1所示。

MQTT協議(yì)可(kě)以爲大(dà)量的(de)低功率、工作網絡環境不可(kě)靠的(de)物(wù)聯網設備提供通(tōng)信保障。而它在移動互聯網領域也(yě)大(dà)有作爲，很多(duō)Android App的(de)推送功能都是基于MQTT協議(yì)實現的(de)，一些IM的(de)實現也(yě)是基于MQTT協議(yì)的(de)。

2. MQTT-SN協議(yì)

MQTT-SN（MQTT for Sensor Network）協議(yì)是MQTT協議(yì)的(de)傳感器版本。MQTT協議(yì)雖然是輕量的(de)應用(yòng)層協議(yì)，但是MQTT協議(yì)是運行于TCP協議(yì)棧之上的(de)，TCP協議(yì)對(duì)于某些計算(suàn)能力和(hé)電量非常有限的(de)設備來(lái)說，比如傳感器，就不太适用(yòng)了(le)。

MQTT-SN運行在UDP協議(yì)上，同時(shí)保留了(le)MQTT協議(yì)的(de)大(dà)部分(fēn)信令和(hé)特性，如訂閱和(hé)發布等。MQTT-SN協議(yì)引入了(le)MQTT-SN網關這(zhè)一角色，網關負責把MQTT-SN協議(yì)轉換爲MQTT協議(yì)，并和(hé)遠(yuǎn)端的(de)MQTT Broker進行通(tōng)信。MQTT-SN協議(yì)支持網關的(de)自動發現。MQTT-SN協議(yì)的(de)通(tōng)信模型如圖2-2所示。

3. CoAP協議(yì)

CoAP（Constrained Application Protocol）協議(yì)是一種運行在資源比較緊張的(de)設備上的(de)協議(yì)。CoAP協議(yì)通(tōng)常也(yě)是運行在UDP協議(yì)上的(de)。

CoAP協議(yì)設計得(de)非常小巧，最小的(de)數據包隻有4個(gè)字節。CoAP協議(yì)采用(yòng)C/S架構，使用(yòng)類似于HTTP協議(yì)的(de)請求-響應的(de)交互模式。設備可(kě)以通(tōng)過類似于coap://192.168.1.150:5683/2ndfloor/temperature的(de)URL來(lái)标識一個(gè)實體，并使用(yòng)類似于HTTP的(de)PUT、GET、POST、DELET請求指令來(lái)獲取或者修改這(zhè)個(gè)實體的(de)狀态。

同時(shí)，CoAP提供一種觀察模式，觀察者可(kě)以通(tōng)過OBSERVE指令向CoAP服務器指明(míng)觀察的(de)實體對(duì)象。當實體對(duì)象的(de)狀态發生變化(huà)時(shí)，觀察者就可(kě)以收到實體對(duì)象的(de)最新狀态，類似于MQTT協議(yì)中的(de)訂閱功能。CoAP協議(yì)的(de)通(tōng)信模型如圖2-3所示。 

4. LwM2M協議(yì)

LwM2M（ Lightweight Machine-To-Machine ）協議(yì)是由Open Mobile Alliance（OMA）定義的(de)一套适用(yòng)于物(wù)聯網的(de)輕量級協議(yì)。它使用(yòng)RESTful接口，提供設備的(de)接入、管理(lǐ)和(hé)通(tōng)信功能，也(yě)适用(yòng)于資源比較緊張的(de)設備。LwM2M協議(yì)的(de)架構如圖2-4所示。

LwM2M協議(yì)底層使用(yòng)CoAP協議(yì)傳輸數據和(hé)信令。而在LwM2M協議(yì)的(de)架構中，CoAP協議(yì)可(kě)以運行在UDP或者SMS（短信）之上，通(tōng)過DTLS（數據報傳輸層安全）來(lái)實現數據的(de)安全傳輸。

LwM2M協議(yì)架構主要包含3種實體——LwM2M Bootstrap Server、LwM2M Server和(hé)LwM2M Client。

LwM2M Bootstrap Server負責引導LwM2M Client注冊并接入LwM2M Server，之後LwM2M Server和(hé)LwM2M Client就可(kě)以通(tōng)過協議(yì)指定的(de)接口進行交互了(le)。

5. HTTP協議(yì)

正如我們之前所講，物(wù)聯網也(yě)是互聯網，HTTP這(zhè)個(gè)在互聯網中廣泛應用(yòng)的(de)協議(yì)，在合适的(de)環境下(xià)也(yě)可(kě)以應用(yòng)到物(wù)聯網中。

在一些計算(suàn)和(hé)硬件資源比較充沛的(de)設備上，比如運行安卓操作系統的(de)設備，完全可(kě)以使用(yòng)HTTP協議(yì)上傳和(hé)下(xià)載數據，就好像在開發移動應用(yòng)一樣。設備也(yě)可(kě)以使用(yòng)運行在HTTP協議(yì)上的(de)WebSocket主動接收來(lái)自服務器的(de)數據。

6. LoRaWAN協議(yì)

LoRaWAN協議(yì)是由LoRa聯盟提出并推動的(de)一種低功率廣域網協議(yì)，它和(hé)我們之前介紹的(de)幾種協議(yì)有所不同。MQTT協議(yì)、CoAP協議(yì)都是運行在應用(yòng)層，底層使用(yòng)TCP協議(yì)或者UDP協議(yì)進行數據傳輸，整個(gè)協議(yì)棧運行在IP網絡上。而LoRaWAN協議(yì)則是物(wù)理(lǐ)層/數據鏈路層協議(yì)，它解決的(de)是設備如何接入互聯網的(de)問題，并不運行在IP網絡上。

LoRa（Long Range）是一種無線通(tōng)信技術，它具有使用(yòng)距離遠(yuǎn)、功耗低的(de)特點。在上面的(de)場(chǎng)景下(xià)，用(yòng)戶就可(kě)以使用(yòng)LoRaWAN技術進行組網，在工程設備上安裝支持LoRa的(de)模塊。

通(tōng)過LoRa的(de)中繼設備将數據發往位于隧道外部的(de)、有互聯網接入的(de)LoRa網關，LoRa網關再将數據封裝成可(kě)以在IP網絡中通(tōng)過TCP協議(yì)或者UDP協議(yì)傳輸的(de)數據協議(yì)包（比如MQTT協議(yì)），然後發往雲端的(de)數據中心。

7. NB-IoT協議(yì)

NB-IoT（Narrow Band Internet of Things）協議(yì)和(hé)LoRaWAN協議(yì)一樣，是将設備接入互聯網的(de)物(wù)理(lǐ)層/數據鏈路層的(de)協議(yì)。

與LoRA不同的(de)是，NB-IoT協議(yì)構建和(hé)運行在蜂窩網絡上，消耗的(de)帶寬較低，可(kě)以直接部署到現有的(de)GSM網絡或者LTE網絡。設備安裝支持NB-IoT的(de)芯片和(hé)相應的(de)物(wù)聯網卡，然後連接到NB-IoT基站就可(kě)以接入互聯網。而且NB-IoT協議(yì)不像LoRaWAN協議(yì)那樣需要網關進行協議(yì)轉換，接入的(de)設備可(kě)以直接使用(yòng)IP網絡進行數據傳輸。

NB-IoT協議(yì)相比傳統的(de)基站，增益提高(gāo)了(le)約20dB，可(kě)以覆蓋到地下(xià)車庫、管道、地下(xià)室等之前信号難以覆蓋的(de)地方。

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本文摘編自《物(wù)聯網系統開發：從0到1構建IoT平台》，經出版方授權發布。