物聯(lián)網(wǎng)的通信協(xié)議

通信的目的是為了傳遞信息

由于要實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸，尋找物物之間最合適的連接方式是我們必須要考慮的。這些通信方式各有優(yōu)劣，適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)景。

物聯(lián)網(wǎng)的通信方式可大致分為如下幾類

物聯(lián)網(wǎng)的有線通信也就是以太網(wǎng)、光纜等有實(shí)體線路的通信方式，IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)制定了以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)，以太網(wǎng)使用雙絞線作為媒介，在沒有中繼的情況下，可以覆蓋200米的范圍。有線通信可以保證通信的質(zhì)量、時(shí)延和成本，還可以在惡劣的環(huán)境下正常運(yùn)行，但通信范圍小、不便于攜帶的問題也無法解決。

物聯(lián)網(wǎng)的無線通信技術(shù)很多，主要分為兩類：一類是Zigbee、WiFi、藍(lán)牙、Z-wave等短距離通信技術(shù)；另一類是LPWAN（low-power Wide-Area Network，低功耗廣域網(wǎng)），即廣域網(wǎng)通信技術(shù)。LPWA又可分為兩類：一類是工作于未授權(quán)頻譜的LoRa、SigFox等技術(shù)；另一類是工作于授權(quán)頻譜下，3GPP支持的2/3/4G蜂窩通信技術(shù)，比如EC-GSM、LTE Cat-m、NB-IoT等。高速率業(yè)務(wù)主要使用3G、4G技術(shù)；中等速率業(yè)務(wù)主要使用GPRS技術(shù)。低速率業(yè)務(wù)目前還沒有很好的蜂窩技術(shù)來滿足，而它卻有著豐富多樣的應(yīng)用場(chǎng)景，很多情況下只能使用GPRS技術(shù)勉力支撐。

這里可以看到Lora和NB-IOT是比較像的，區(qū)別主要是Lora頻譜在部分段免費(fèi)(可自建)，而NB-IOT是要在運(yùn)營(yíng)商上運(yùn)行的。對(duì)于需要視頻流的遠(yuǎn)距離傳輸需求，組網(wǎng)的只有4G+WIFI合適了。

無線通信還可分為非授權(quán)頻譜無線連接和授權(quán)頻譜無線連接，也就是花錢租網(wǎng)絡(luò)。
授權(quán)頻譜無線連接就是我們常見的蜂窩通信，也就是運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)
1G：AMPS
2G：TDMA，CDMA，GSM…
3G：UMTS，HSDPA，WCDMA…
4G：LTE，EC-GSM，eMTC…

非授權(quán)頻譜無線連接又可以進(jìn)一步劃分為短程通信，和廣域通信
短程通信
超寬帶：UWB
寬帶：WIFI（永遠(yuǎn)在線）
窄帶：藍(lán)牙（高功耗），NFC（近距離通信），zigBee（節(jié)點(diǎn)阻塞）

廣域通信
Lora

一、UART串口通信

串口通信的英文縮寫是UART(Universal Asynchronous Receiver Transmitter) 全稱是通用異步收發(fā)器。

1.1 串口通信

兩個(gè)設(shè)備用一根線串起來，發(fā)送方在線的一頭將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制序列，用高低電平按照順序依次發(fā)送01信號(hào)，接收方在線的另一頭讀取這根信號(hào)線上的高低電平信號(hào)，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制的01序列。這就是最基本的串口通信的概念，

1.2 異步收發(fā)

如果給上圖的兩個(gè)設(shè)備再加一根線，讓左邊的設(shè)備也可以成為接收方，右邊的設(shè)備也可以成為發(fā)送方，那么對(duì)于左右兩個(gè)設(shè)備而言，發(fā)送和接受便可以在兩根線上同時(shí)進(jìn)行，這時(shí)，發(fā)送和接收是異步的。

1.3 波特率

波特率就是每秒傳輸?shù)?和1的二進(jìn)制數(shù)，接收方和發(fā)送方波特率必須相同，不然會(huì)發(fā)生亂碼的情況。

因?yàn)槊看味家ＷC收發(fā)方的波特率一致很不方便，所以一些基于時(shí)鐘的通信協(xié)議如I2C總線協(xié)議、SPI總線協(xié)議，都是以時(shí)鐘線來保證信息的收發(fā)同步的。

1.4 串口通信協(xié)議的數(shù)據(jù)幀

在串口通信中，最基本的一幀數(shù)據(jù)，至少包含了 起始位+數(shù)據(jù)位+停止位(校驗(yàn)幀可有可無)。
數(shù)據(jù)的傳輸方向一般是最高有效位MSB.
在UART串口中，RX 代表信息接收端，TX 代表信息發(fā)送端。

1.5 優(yōu)缺點(diǎn)

1.5.1 優(yōu)點(diǎn)

（1）硬件簡(jiǎn)單
（2）低延時(shí)
（3）直接連接

1.5.2 缺點(diǎn)

（1）點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，不適合復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)通信
（2）通信距離和速率受限于串口線纜的長(zhǎng)度和質(zhì)量
（3）缺乏協(xié)議，通信雙方需要自行定義消息格式和解析規(guī)則

二、I2C

2.1 I2C

I2C（Inter-integrated Circuit）最早是飛利浦在1982年開發(fā)設(shè)計(jì)的一種總線協(xié)議。I2C總線支持設(shè)備之間的短距離通信，用于處理器和一些外圍設(shè)備之間的接口，它只需要兩根信號(hào)線來完成信息交換。

2.2 I2C

I2C最少只需要兩根線，和異步串口類似，但可以支持多個(gè)從(slave)設(shè)備，和SPI不同的是，I2C可以支持多主機(jī)（mul-master）系統(tǒng)，允許有多個(gè)master并且每個(gè)master都可以與所有的slaves通信（master之間不可通過I2C通信，并且每個(gè)master只能輪流使用I2C總線）。master是指啟動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O(shè)備并在總線上生成時(shí)鐘信號(hào)以驅(qū)動(dòng)該傳輸，而被尋址的通信設(shè)備都作為slaves。

I2C通訊只需要2條雙向總線：串行數(shù)據(jù)線SDA和串行時(shí)鐘線SCL

2.3 數(shù)據(jù)有效性

SDA 線上的數(shù)據(jù)必須在時(shí)鐘的高電平周期保持穩(wěn)定，SDA的高或低電平狀態(tài)只有在 SCL 線的時(shí)鐘信號(hào)是低電平時(shí)才能改變。

2.4 起始條件S和停止條件P

起始條件S：當(dāng)SCL高電平時(shí)，SDA由高電平向低電平轉(zhuǎn)換；

停止條件P：當(dāng)SCL高電平時(shí)，SDA由低電平向高電平轉(zhuǎn)換。

起始和停止條件一般由主機(jī)產(chǎn)生?？偩€在起始條件后處于busy的狀態(tài)，在停止條件的某段時(shí)間后，總線才再次處于空閑狀態(tài)。

2.5 數(shù)據(jù)格式

I2C傳輸?shù)臄?shù)據(jù)以字節(jié)為單位，每個(gè)字節(jié)必須為8位，可以傳輸任意多個(gè)字節(jié)，I2C的數(shù)據(jù)格式具有以下特點(diǎn)：

（1）每個(gè)字節(jié)后必須跟一個(gè)響應(yīng)位 ACK
的SCL上ACK)，因此實(shí)際上傳輸一個(gè)字節(jié)（8位）的數(shù)據(jù)需要花費(fèi)9位的時(shí)間。

（2）SDA上首先傳輸字節(jié)的最高位，從上圖中我們可以看出，位數(shù)編號(hào)的發(fā)送順序從左至右 是 Bit7-Bit0

數(shù)據(jù)接收方收到傳輸?shù)囊粋€(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)后，需要給出響應(yīng)，此時(shí)處在第九個(gè)時(shí)鐘，發(fā)送端釋放SDA線控制權(quán) ，將SDA電平拉高，由接收方控制。接收方表示成功的接收到了8位一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，便將SDA拉低為低電平，即ACK信號(hào),表示應(yīng)答

2.6 協(xié)議數(shù)據(jù)單元PDU

2.7 優(yōu)缺點(diǎn)

2.7.1 優(yōu)點(diǎn)

（1）I²C總線可以連接多個(gè)設(shè)備，使用唯一的地址進(jìn)行尋址
（2）適用于中等速率的通信需求
（3）硬件資源占用少

2.7.2 缺點(diǎn)

（1）I²C通信受距離限制，適用于近距離通信
（2）需要配置設(shè)備的I2C地址
（3）實(shí)時(shí)性較差

三、SPI

3.1 SPI

SPI是串行外設(shè)接口(Serial Peripheral Interface)的縮寫。是 Motorola 公司推出的一 種同步串行接口技術(shù)，是一種高速的，全雙工，同步的通信總線。SPI協(xié)議主要用于短距離的通信系統(tǒng)中，特別是嵌入式系統(tǒng)，很多芯片的外圍設(shè)備，比如LED顯示驅(qū)動(dòng)器、I／O接口芯片、UART收發(fā)器等都廣泛的采用SPI總線協(xié)議。

3.2 通信原理

SPI的通信原理很簡(jiǎn)單，它以主從方式工作，這種模式通常有一個(gè)主設(shè)備和一個(gè)或多
個(gè)從設(shè)備。在英文中，通常把主設(shè)備稱作為 Master， 從設(shè)備稱作為 Slave.

SPI理論上需要4根線才能進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸，3根線可以進(jìn)行單向傳輸：
SPI理論上的4根接線分別是以下四種：

3.3 數(shù)據(jù)有效性

3.4 優(yōu)缺點(diǎn)

3.4.1 優(yōu)點(diǎn)

（1）支持全雙工通信，發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)可以同時(shí)進(jìn)行。
（2）通信簡(jiǎn)單
（3）數(shù)據(jù)傳輸速率快

3.4.2 缺點(diǎn)

（1）接線繁雜，需要至少四根接線
（2）在多個(gè)從機(jī)的情況下，每個(gè)從機(jī)都需要接入一根CS片選信號(hào)線，浪費(fèi)芯片的IO資源。

四、Socket通信

4.1 Socket

Socket 是在應(yīng)用層和傳輸層之間的一個(gè)抽象層，它把 TCP/IP 層復(fù)雜的操作抽象為幾個(gè)簡(jiǎn)單的接口，供應(yīng)用層調(diào)用實(shí)現(xiàn)進(jìn)程在網(wǎng)絡(luò)中的通信。Socket 起源于 UNIX，在 UNIX 一切皆文件的思想下，進(jìn)程間通信就被冠名為文件描述符（file descriptor），Socket 是一種“打開—讀/寫—關(guān)閉”模式的實(shí)現(xiàn)，服務(wù)器和客戶端各自維護(hù)一個(gè)“文件”，在建立連接打開后，可以向文件寫入內(nèi)容供對(duì)方讀取或者讀取對(duì)方內(nèi)容，通訊結(jié)束時(shí)關(guān)閉文件。

另外我們經(jīng)常說到的Socket 所在位置如下圖：

4.2 TCP和UDP

世界上有很多種套接字（socket），比如 DARPA Internet 地址（Internet 套接字）、本地節(jié)點(diǎn)的路徑名（Unix套接字）、CCITT X.25地址（X.25 套接字）等。我們只介紹第一種套接字——Internet 套接字，它是最具代表性的，也是最經(jīng)典最常用的。以后我們提及套接字，指的都是 Internet 套接字。根據(jù)數(shù)據(jù)的傳輸方式，可以將 Internet 套接字分成兩種類型。

4.2.1 流格式套接字SOCK_STREAM

流格式套接字（Stream Sockets）也叫“面向連接的套接字”，是一種可靠的、雙向的通信數(shù)據(jù)流，數(shù)據(jù)可以準(zhǔn)確無誤地到達(dá)另一臺(tái)計(jì)算機(jī)，如果損壞或丟失，可以重新發(fā)送。其特點(diǎn)：
（1）數(shù)據(jù)在傳輸過程中不會(huì)消失；
（2）數(shù)據(jù)是按照順序傳輸?shù)模?br> （3）數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收不是同步的（有的教程也稱“不存在數(shù)據(jù)邊界”）。
它使用了 TCP 協(xié)議（The Transmission Control Protocol，傳輸控制協(xié)議），TCP 協(xié)議會(huì)控制你的數(shù)據(jù)按照順序到達(dá)并且沒有錯(cuò)誤。
瀏覽器所使用的 http 協(xié)議就基于面向連接的套接字，因?yàn)楸仨氁_保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤，否則加載的 HTML 將無法解析。

4.2.2 數(shù)據(jù)報(bào)格式套接字SOCK_DGRAM

數(shù)據(jù)報(bào)格式套接字（Datagram Sockets）也叫“無連接的套接字”。計(jì)算機(jī)只管傳輸數(shù)據(jù)，不作數(shù)據(jù)校驗(yàn)，如果數(shù)據(jù)在傳輸中損壞，或者沒有到達(dá)另一臺(tái)計(jì)算機(jī)，是沒有辦法補(bǔ)救的。也就是說，數(shù)據(jù)錯(cuò)了就錯(cuò)了，無法重傳。因?yàn)閿?shù)據(jù)報(bào)套接字所做的校驗(yàn)工作少，所以在傳輸效率方面比流格式套接字要高。有以下特點(diǎn)：
（1）強(qiáng)調(diào)快速傳輸而非傳輸順序；
（2）傳輸?shù)臄?shù)據(jù)可能丟失也可能損毀；
（3）限制每次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)大?。?br> （4）數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收是同步的
數(shù)據(jù)報(bào)套接字也使用 IP 協(xié)議作路由，但是它不使用 TCP 協(xié)議，而是使用 UDP 協(xié)議（User Datagram Protocol，用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議）。
QQ 視頻聊天和語音聊天就使用 SOCK_DGRAM 來傳輸數(shù)據(jù)，因?yàn)槭紫纫ＷC通信的效率，盡量減小延遲，而數(shù)據(jù)的正確性是次要的，即使丟失很小的一部分?jǐn)?shù)據(jù)，視頻和音頻也可以正常解析，最多出現(xiàn)噪點(diǎn)或雜音，不會(huì)對(duì)通信質(zhì)量有實(shí)質(zhì)的影響。

4.3 Socket通信過程

Socket 保證了不同計(jì)算機(jī)之間的通信，也就是網(wǎng)絡(luò)通信。對(duì)于網(wǎng)站，通信模型是服務(wù)器與客戶端之間的通信。兩端都建立了一個(gè) Socket 對(duì)象，然后通過 Socket 對(duì)象對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。通常服務(wù)器處于一個(gè)無限循環(huán)，等待客戶端的連接。下面是面向連接的 TCP 時(shí)序圖：

4.4 優(yōu)缺點(diǎn)

4.4.1 優(yōu)點(diǎn)

（1）適用于網(wǎng)絡(luò)通信，可以在不同設(shè)備間進(jìn)行通信
（2）TCP套接字提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸，確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和順序性
（3）支持多種編程語言

4.4.2 缺點(diǎn)

（1）編程較為復(fù)雜，需要處理連接、斷開等情況
（2）涉及IP地址和端口的配置，需要正確配置才能建立通信連接
（3）需要在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中使用，不適合直接連接在物理硬件上

五、MQTT

MQTT是應(yīng)用層協(xié)議，和超文本傳輸協(xié)議(HTTP)等是一個(gè)層次。

5.1 消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸MQTT

原始的socket通信，并不能保障信息可以到達(dá)接收方，數(shù)據(jù)的可靠性包括實(shí)時(shí)性都會(huì)有一定的影響， 所以這個(gè)時(shí)候就需要一種網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議Protocal 來保障信息的傳遞， 保障服務(wù)質(zhì)量?；ヂ?lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是 TCP/IP。MQTT（消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸） 是基于 TCP/IP 協(xié)議棧而構(gòu)建的，已成為 IoT 通信的標(biāo)準(zhǔn)。

5.2 MQTT的發(fā)布和訂閱模型

在基于MQTT協(xié)議的IOT網(wǎng)絡(luò)里面里面有這么幾個(gè)角色：
（1）發(fā)布者 Publisher 負(fù)責(zé)發(fā)布消息， 例如傳感器采集數(shù)據(jù)，然后發(fā)送當(dāng)前傳感器的信息

（2）訂閱者 Subscriber 訂閱消息，根據(jù)獲得的傳感器數(shù)據(jù)做出對(duì)應(yīng)的動(dòng)作。

（3）*服務(wù)器 Server * 信息的中轉(zhuǎn)站，負(fù)責(zé)將信息從發(fā)布者傳遞到訂閱者。

MQTT在客戶端實(shí)現(xiàn)叫MQTT Client，在服務(wù)器端實(shí)現(xiàn)叫MQTT Broker。

每個(gè)單片機(jī)(Client)僅與PC（Server）保持一個(gè)長(zhǎng)連接, 有什么數(shù)據(jù)就告訴Server, 如果有其他單片機(jī)或者PC跟這個(gè)單片機(jī)通信， 也只能通過這個(gè)Server來獲取， 同時(shí)也要注意，這個(gè)數(shù)據(jù)獲取的過程是被動(dòng)的， 單片機(jī)沒有主動(dòng)輪詢， 整個(gè)過程是異步的， 數(shù)據(jù)傳過來，自動(dòng)調(diào)用回調(diào)函數(shù)， 所以Server就成了這個(gè)單片機(jī)與這個(gè)周邊設(shè)備通信的唯一的渠道，這個(gè)機(jī)制使得整個(gè)過程更加輕量級(jí)與高效 。

5.3 通信協(xié)議流程

通信所用的數(shù)據(jù)幀 Data Frame主要由主題編號(hào) Topic ID 還有信息 Message 兩部分組成。

發(fā)布者與訂閱者之間是沒辦法直接感知到對(duì)方的存在的， 訂閱者與發(fā)布者之間通過數(shù)據(jù)幀 Data Frame 里面的主題編號(hào)Topic ID 來獲取自己想要的數(shù)據(jù)。

舉一個(gè)遠(yuǎn)程控制LED燈亮滅的例子：

（1）ESP32與PC連入同一個(gè)局域網(wǎng)下， 獲取PC 的IP地址

（2）PC開啟 MQTT Broker， 開啟Server模式

（3）ESP32傳入PC的IP地址還有端口號(hào)，創(chuàng)建一個(gè)MQTT_Client

（4）ESP32的MQTT_Client與PC上的MQTT_Server創(chuàng)建一個(gè)長(zhǎng)連接

（5）ESP32的MQTT_Client 訂閱Topic LED_CONTROL

（6）PC上創(chuàng)建一個(gè)CLIENT， Client里面?zhèn)魅氡镜豂P與MQTT Broker服務(wù)的端口號(hào)， 與PC上面的Server建立一個(gè)長(zhǎng)連接

（7）PC上的Client， 發(fā)送數(shù)據(jù)幀 Topic ID + 指令， Topic ID為L(zhǎng)ED Control

（8）數(shù)據(jù)發(fā)送給Server， Server發(fā)現(xiàn)ESP32開發(fā)板訂閱了LED_CONTROL 這個(gè)主題， 然后就通過ESP32與Server創(chuàng)建的連接發(fā)送該數(shù)據(jù)幀。

（9）ESP32接收到這個(gè)數(shù)據(jù)幀，發(fā)現(xiàn)TOPIC_ID: LED_CONTROL, 于是知道這個(gè)是跟LED控制相關(guān)的指令，讀取到MESSAGE是LED_ON， ESP32執(zhí)行指令led.on() , LED打開。

5.3 優(yōu)缺點(diǎn)

5.3.1 優(yōu)點(diǎn)

（1）異步消息協(xié)議
（2）面向長(zhǎng)連接
（3）雙向數(shù)據(jù)傳輸
（4）協(xié)議輕量級(jí)
（5）被動(dòng)數(shù)據(jù)獲取

5.3.2 缺點(diǎn)

（1）需要搭建MQTT服務(wù)器，增加了系統(tǒng)復(fù)雜性
（2）不適合大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)
（3）通信有一定的開銷，可能會(huì)影響實(shí)時(shí)性需求較高的應(yīng)用

六、總結(jié)

6.1 有線與無線

能用有線就用有線，數(shù)據(jù)質(zhì)量是第一保證。

6.2 授權(quán)與非授權(quán)

如果兩種無線通線方式效果差別不大都能完成需求時(shí)，能不花錢就不花錢，這樣可以降低后期成本。

6.3 藍(lán)牙和Zigbee

為什么現(xiàn)在基本手機(jī)等設(shè)備都是標(biāo)配藍(lán)牙，而不是zigbee，一個(gè)是成本，一個(gè)是zigbee大哥飛利浦建的生態(tài)系統(tǒng)。但Zigbee得響應(yīng)速度更快，抗干擾性更強(qiáng)如果有這個(gè)需求的話可以考慮上Zigbee。
藍(lán)牙1.0-5.3版本介紹

6.4 RFID和NFC

RFID是射頻識(shí)別技術(shù)，是識(shí)別；NFC是近場(chǎng)通信技術(shù)，是通信。

6.5 MQTT和COAP

MQTT和HTTP是基于TCP的協(xié)議，CoAP(約束應(yīng)用協(xié)議)是基于UDP的協(xié)議。
MQTT是長(zhǎng)連接，CoAP協(xié)議是無連接。
MQTT通過中間代理傳遞消息的多對(duì)多協(xié)議，CoAP協(xié)議是Server和Client之間消息傳遞的單對(duì)單協(xié)議。
MQTT不支持帶有類型或者其它幫助Clients理解的標(biāo)簽消息，CoAP內(nèi)置內(nèi)容協(xié)商和發(fā)現(xiàn)支持，允許設(shè)備彼此窺測(cè)以找到交換數(shù)據(jù)的方式。

參考文章：http://wiki.1zlab.deepsenserobot.com/wiki/micropython-esp32/mqtt/，https://www.cnblogs.com/myitnews/p/13790067.html
https://zhuanlan.zhihu.com/p/510549726
https://club.gizwits.com/thread-7555-1-1.html文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-615688.html

到了這里，關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)的通信協(xié)議的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內(nèi)容，請(qǐng)?jiān)谟疑辖撬阉鱐OY模板網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章，希望大家以后多多支持TOY模板網(wǎng)！