MQTT通信协议_MQTT通信协议

MQTT通信协议_MQTT通信协议物联网,即物的互联网,属于互联网的一部分

目录

1、MQTT协议

2、MQTT-SN协议

3、CoAP协议

4、LwM2M协议

5、HTTP协议

6、LoRaWAN协议

7、NB-IoT协议


物联网,即物的互联网,属于互联网的一部分。物联网将互联网的基础设施作为信息传递的载体,即现代的物联网产品一定是“物”通过某种方式接入了互联网,而“物”通过互联网上传/下载数据,以及与人进行交互。

物联网最早的定义是:把所有物品通过射频识别等信息传感设备与互联网连接起来,实现智能化识别和管理。当然,物联网发展到今天,它的定义和范围已经有了扩展与变化,下面是现代物联网具有的特点。

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车联网

物联网和传统互联网最大的不同:数据的生产者和消费者主要是物,数据内容也是和“物”息息相关的。

人工智能可谓近年来IT领域最火的词语之一。纵观人工智能的发展路线,我们可以看到,人工智能的发展之所以能够突飞猛进,主要有以下两个原因。

  • 硬件的发展使得深度学习神经网络的学习时间迅速缩短。
  • 在大数据的时代,获取大量数据的成本变低。

事实上,第二个原因尤为重要,神经网络由于其特性,需要海量的数据进行学习,可供学习的有效数据量往往决定了最后训练出的神经网络的效果,甚至算法的重要性都可以排在数据量之后。

而物联网设备,比如智能家电、可穿戴设备等,每天都在产生海量的数据,这些数据经过处理和清洗后,都可以作为不错的训练数据反哺神经网络。同时,训练出来的神经网络又可以重新应用到物联网设备中,进而形成一个良性循环。

下图为物联网应用人工智能方法进行数据采集—迭代的循环。通过物联网设备采集并训练数据,在数据中心完成训练后,将模型应用到物联网设备,并评估效果进行下一次迭代。

 

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物联网是人工智能落地的一个非常好的应用场景。随着人工智能的迅速发展,物联网这个同样在很多年前就提出的理论和技术,也会迎来新的春天。

目前,互联网数据入口渐渐朝几大巨头(例如阿里、腾讯)汇聚,规模较小的公司获取数据的代价越来越高,物联网这块还未完全开发的数据领域就显得尤为重要。

前端设备最终会趋于相同,出现同质化竞争,而如何采集和使用好设备产生的海量数据,才是你是否具有竞争优势的决定性因素。

1、MQTT协议

MQTT协议(Message Queue Telemetry Transport,消息队列遥测传输协议)是IBM的Andy Stanford-Clark和Arcom的Arlen Nipper于1999年为了一个通过卫星网络连接输油管道的项目开发的。为了满足低电量消耗和低网络带宽的需求,MQTT协议在设计之初就包含了以下几个特点:

  • 实现简单
  • 提供数据传输的QoS
  • 轻量、占用带宽低
  • 可传输任意类型的数据
  • 可保持的会话(Session)

随着多年的发展,MQTT协议的重点不再只是嵌入式系统,而是更广泛的物联网世界。简单来说,MQTT协议有以下特性:

  • 基于TCP协议的应用层协议
  • 采用C/S架构
  • 使用订阅/发布模式,将消息的发送方和接受方解耦
  • 提供3种消息的QoS(Quality of Service):至多一次、最少一次、只有一次
  • 收发消息都是异步的,发送方不需要等待接收方应答

MQTT协议的架构由Broker和连接到Broker的多个Client组成,如下图所示:

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MQTT协议可以为大量的低功率、工作网络环境不可靠的物联网设备提供通信保障。而它在移动互联网领域也大有作为,很多Android App的推送功能都是基于MQTT协议实现的,一些IM的实现也是基于MQTT协议的。

2、MQTT-SN协议

MQTT-SN(MQTT for Sensor Network)协议是MQTT协议的传感器版本。MQTT协议虽然是轻量的应用层协议,但是MQTT协议是运行于TCP协议栈之上的,TCP协议对于某些计算能力和电量非常有限的设备来说,比如传感器,就不太适用了。

MQTT-SN运行在UDP协议上,同时保留了MQTT协议的大部分信令和特性,如订阅和发布等。MQTT-SN协议引入了MQTT-SN网关这一角色,网关负责把MQTT-SN协议转换为MQTT协议,并和远端的MQTT Broker进行通信。MQTT-SN协议支持网关的自动发现。MQTT-SN协议的通信模型如下图所示:

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3、CoAP协议

CoAP(Constrained Application Protocol)协议是一种运行在资源比较紧张的设备上的协议。CoAP协议通常也是运行在UDP协议上的。

CoAP协议设计得非常小巧,最小的数据包只有4个字节。CoAP协议采用C/S架构,使用类似于HTTP协议的请求-响应的交互模式。设备可以通过类似于coap://192.168.1.150:5683/2ndfloor/temperature的URL来标识一个实体,并使用类似于HTTP的PUT、GET、POST、DELET请求指令来获取或者修改这个实体的状态。

同时,CoAP提供一种观察模式,观察者可以通过OBSERVE指令向CoAP服务器指明观察的实体对象。当实体对象的状态发生变化时,观察者就可以收到实体对象的最新状态,类似于MQTT协议中的订阅功能。CoAP协议的通信模型如下图所示:

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4、LwM2M协议

LwM2M( Lightweight Machine-To-Machine )协议是由Open Mobile Alliance(OMA)定义的一套适用于物联网的轻量级协议。它使用RESTful接口,提供设备的接入、管理和通信功能,也适用于资源比较紧张的设备。LwM2M协议的架构如下图所示:

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LwM2M协议底层使用CoAP协议传输数据和信令。而在LwM2M协议的架构中,CoAP协议可以运行在UDP或者SMS(短信)之上,通过DTLS(数据报传输层安全)来实现数据的安全传输。

LwM2M协议架构主要包含3种实体——LwM2M Bootstrap Server、LwM2M Server和LwM2M Client。

LwM2M Bootstrap Server负责引导LwM2M Client注册并接入LwM2M Server,之后LwM2M Server和LwM2M Client就可以通过协议指定的接口进行交互了。

5、HTTP协议

物联网也是互联网,HTTP这个在互联网中广泛应用的协议,在合适的环境下也可以应用到物联网中。

在一些计算和硬件资源比较充沛的设备上,比如运行安卓操作系统的设备,完全可以使用HTTP协议上传和下载数据,就好像在开发移动应用一样。设备也可以使用运行在HTTP协议上的WebSocket主动接收来自服务器的数据。

6、LoRaWAN协议

LoRaWAN协议是由LoRa联盟提出并推动的一种低功率广域网协议,它和我们之前介绍的几种协议有所不同。MQTT协议、CoAP协议都是运行在应用层,底层使用TCP协议或者UDP协议进行数据传输,整个协议栈运行在IP网络上。而LoRaWAN协议则是物理层/数据链路层协议,它解决的是设备如何接入互联网的问题,并不运行在IP网络上。

LoRa(Long Range)是一种无线通信技术,它具有使用距离远、功耗低的特点。在上面的场景下,用户就可以使用LoRaWAN技术进行组网,在工程设备上安装支持LoRa的模块。

通过LoRa的中继设备将数据发往位于隧道外部的、有互联网接入的LoRa网关,LoRa网关再将数据封装成可以在IP网络中通过TCP协议或者UDP协议传输的数据协议包(比如MQTT协议),然后发往云端的数据中心。

7、NB-IoT协议

NB-IoT(Narrow Band Internet of Things)协议和LoRaWAN协议一样,是将设备接入互联网的物理层/数据链路层的协议。

与LoRA不同的是,NB-IoT协议构建和运行在蜂窝网络上,消耗的带宽较低,可以直接部署到现有的GSM网络或者LTE网络。设备安装支持NB-IoT的芯片和相应的物联网卡,然后连接到NB-IoT基站就可以接入互联网。而且NB-IoT协议不像LoRaWAN协议那样需要网关进行协议转换,接入的设备可以直接使用IP网络进行数据传输。

NB-IoT协议相比传统的基站,增益提高了约20dB,可以覆盖到地下车库、管道、地下室等之前信号难以覆盖的地方。


来源:本文摘编自《物联网系统开发:从0到1构建IoT平台》。

今天的文章
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