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物联网协议繁多，各具特色
物联网协议是指在物联网环境中用于设备间通信和数据传输的协议。根据不同的作用，物联网协议可分为传输协议、通信协议和行业协议。 传输协议：一般负责子网内设备间的组网及通信。例如 Wi-Fi、Ethernet、NFC、 Zigbee、Bluetooth、GPRS、3G/4G/5G等。这些协议能够确保在网络上传输的数据的安全性和可靠性。 通讯协议：主要是运行在传统互联网TCP/IP协议之上的设备通讯协议，负责设备通过互联网进行数据交换及通信。例如 MQTT、CoAP、HTTP等。 行业协议：某个行业范围内统一的标准协议。例如车联网 JT/T808、视频GB/T 28181等。 01、传输协议 协议 协议描述和应用场景 Modbus 协议描述：Modbus协议是一项应用层报文传输协议，包括ASCII、RTU、TCP三种报文类型。通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络（例如以太网）和其它设备之间可以通信。 应用场景：在工业领域应用广泛。 OPC-UA 协议描述：全称为OPC Unified Architecture（OPC统一架构），是一项开源的、独立于平台的标准协议；通过此协议，使用不同系统的设备可以通过网络在客户端和服务器之间发送消息进行通信。OPC-UA更适用于远程访问。 应用场景：适用于现场设备，控制系统，制造执行系统和企业资源规划系统等应用领域的制造软件。 OPC-DA 协议描述：OPC-DA适用于单系统数据访问。OPC-DA为实时数据访问规范,定义了包括数据值，更新时间与数据品质信息的相关标准。 应用场景：适用于多个供应商设备和控制应用程序之间实现数据交换。 LoRa 协议描述：LoRa是基于Semtech公司开发的一种低功耗局域网无线标准，解决了在同样的功耗条件下比其他无线方式传播的距离更远的技术问题，实现了低功耗和远距离的统一。 应用场景：主要在智慧城市、智慧建筑、智能家居、智能农业、无线工业等各个领域。 ZigBee 协议描述：ZigBee是一种低速短距离传输的无线通信协议，是一种高可靠的无线数传网络，主要特色有低速、低耗电、低成本、支持大量网上节点、支持多种网上拓扑、低复杂度、快速、可靠、安全。ZigBee技术是一种新型技术，它最近出现，主要是依靠无线网络进行传输，它能够近距离的进行无线连接，属于无线网络通讯技术。 应用场景：在工业、农业、智能 家居等领域得到大规模的应用。 Bluetooth 协议描述：蓝牙技术是一种无线数据和语音通信开放的全球规范，它是基于低成本的近距离无线连接，为固定和移动设备建立通信环境的一种特殊的近距离无线技术连接。 应用场景：蓝牙能在包括移动电话、PDA、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等众多设备之间进行无线信息交换。 蓝牙、WiFi、ZigBee协议比较 目前来说，WiFi的优势是应用广泛，已经普及到千家万户；ZigBee的优势是低功耗和自组网；UWB无载波无线通信技术的优势是传输速率；蓝牙的优势组网简单。然而，这3种技术，也都有各自的不足，没有一种技术能完全满足智能家居的全部要求。 蓝牙技术的出现使得短距离无线通信成为可能，但其协议较复杂、功耗高、成本高等特点不太适用于要求低成本、低功耗的工业控制和家庭网络。尤其蓝牙最大的障碍在于传输范围受限，一般有效的范围在10米左右，抗干扰能力不强、信息安全问题等问题也是制约其进一步发展和大规模应用的主要因素。 WiFi也是是一种短距离无线传输技术，可以随时接入无线信号，移动性强，比较适合在办公室及家庭的环境下应用。当然WiFi也存在一个致命缺点。由于WiFi采用的是射频技术，通过空气发送和接收数据，使用无线电波传输数据信号，比较容易受到外界的干扰。 ZigBee则是国际通行的无线通讯技术，它的每个网络端口可以最多接入6.5万多个端口，适合家居、工业、农业等多个领域使用，而蓝牙和WiFi网端只能接入10个端口，显然不能适应家庭需要。ZigBee还具有低功耗和低成本优势。 02、通讯协议 协议 协议描述和应用场景 MQT 协议描述：MQTT是基于TCP/IP协议的一种轻量级的发布、订阅信息传输协议，特点报文紧凑、轻量可靠、支持QoS等。 应用场景：为物联网行业推荐协议之一，广泛应用于智能硬件、车联网、能源、电力等场景。 HTTPS 协议描述：HTTP协议超文本传输协议，基于请求/响应模型进行数据传输。 应用场景：适用于对设备硬件和网络带宽充裕的场景。 CoAP 协议描述：CoAP（Constrained Application Protocol）是一种在物联网世界的类web协议，使用了请求/响应交互模型。协议设计精炼， 采用 UDP 协议进行数据传输，适用在资源受限的低功耗设备上，尤其是NB-IoT的设备使用。 应用场景：在水表、电表等资源受限的低功耗设备上应用广泛。 TCP 协议描述：厂商内部发展和采用的标准。私有协议具有灵活性，它往往会在某个公司或者组织内部使用，按需定制，升级方便，灵活性好。具体实现需要客户手动部署。 UDP 协议描述：UDP（用户数据报协议）是一种无连接的协议，它不提供数据传输的可靠性和流控制，但具有较低的时延和较少的开销。 应用场景：主要应用于实时数据传输和设备之间的快速通信，包括实时视频和音频流传输、传感器数据采集和控制信号发送、广播和组播等。由于UDP协议具有低时延、少开销、无需建立连接等特点，能够满足物联网中对快速传输和实时性要求高的应用场景。 MQTT、CoAP协议比较 MQTT是多对多通讯协议用于在不同客户端之间通过中间代理传送消息，解耦生产者与消费者，通过使得客户端发布，让代理决定路由并且拷贝消息。虽然MQTT支持一些持久化，最好还是作为实时数据通讯总线。 CoAP主要是一个点对点协议，用于在客户端与服务器之间传输状态信息。虽然支持观察资源，CoAP最好适合状态传输模型，不是完全基于事件。 MQTT客户端建立长连接TCP，这通常表示没有问题，CoAP客户端与服务器都发送与接收UDP数据包，在NAT环境中，隧道或者端口转发可以用于允许CoAP，或者像LWM2M，设备也许会先初始化前端连接。 MQTT不提供支持消息打类型标记或者其他元数据帮助客户端理解，MQTT消息可用于任何目的，但是所有的客户端必须知道向上的数据格式以允许通讯，CoAP，相反地，提供内置支持内容协商与发现，允许设备相互探测以找到交换数据的方式。 03 行业协议 协议 协议描述和应用场景 GB/T28181 协议描述：国家标准GB/T 28181—2016《公共安全视频监控联网系统信息传输、交换、控制技术要求》,是视频监控领域的国家标准。 应用场景：视频联网传输和设备控制。 JT/T808 协议描述：《道路运输车辆卫星定位系统终端通信协议及数据格式》，主要用于“两客一危”车辆。 应用场景：交通行业应用。 GB3761 协议描述：是一种国标电表协议插件，采用新型的数据采集技术，将电能表的实时工况数据转换成电信号，提供给计量系统，并能进行电能的实时记录、统计、抄表和结算等。 应用场景：电表。 DL/T645 协议描述：DL/T 645是多功能电能表与数据终端设备进行数据交换式的物理连接和协议的规范和标准，本设备依据协议采用中国电力企业联合会提出的DL/T 645-2007《多功能电能表》标准规约，实现设备与多功能电能表的信息通信。 应用场景：电表。 IEC104 协议描述：IEC104规约由国际电工委员会制定。IEC104规约把IEC101的应用服务数据单元（ASDU）用网络规约TCP/IP进行传输的标准，该标准为远动信息的网络传输提供了通信规约依据。采用104规约组合101规约的ASDU的方式后,可很好的保证规约的标准化和通信的可靠性。 应用场景：电力、城市轨道交通。 HJ212 协议描述：《污染物在线监控（监测）系统数据传输标准》环保行业中使用的数据传输标准协议。 应用场景：环保行业。 SL651 协议描述：《水文监测数据通信规约》，水文监测等设备需要遵循该规范。 应用场景：水文监测。
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2023-11-10 222浏览 -
MQTT和Modbus 如何在物联网中互相补充
物联网 (IoT) 不只是新技术，还是与旧技术的集成，其关键在于通信。可用的通信方法各不相同，但是，各种不同的协议在将海量 “事物” 连接到互联网时发挥着重要的作用。本文介绍了两种物联网补充协议：用于短距离设备连接的本地协议 Modbus 以及支持物联网进行全局通信的可扩展互联网协议 “消息队列遥测传输 (MQTT)”。Modbus 是一个串行通信协议，首次出现于 1979 年，是连接行业设备实际使用的标准协议。MQTT 早在 20 年前便已出现，但是将这两个协议结合在一起使用，能够为深度嵌入式设备提供物联网的规模和连接性。图 1. 物联网 (IoT) 网关作为物联网通信的支持解决方案 我们来看一下 Modbus 和 MQTT，以了解其区别以及如何在物联网中互相补充。 1、Modbus 自 1979 年首次出现至今，Modbus 已经演变为一套全面的支持多种物理链接的协议集（如 RS-485）。Modbus 的核心是一个串行通信协议，采用主从模式。主机向从机发送请求，从机予以回复。在标准 Modbus 网络中，有一台主机以及最多 247 台从机（但是，如果采用 2 字节寻址，则可显著提高这一界限）。借助 RS-485，主从机之间的通信发生在指示功能码的帧中。该功能码可识别要操作的功能，如读取独立输入；读取先进先出队列；或执行诊断函数。然后，从机根据收到的功能码进行响应，该响应较为简单，由一组字节指示。因此，从机可以是智能设备，也可以是只有一个传感器的简单设备。从该描述中，您可以看到 Modbus 协议非常简单，但是其作为协议的开放性使其成为整个行业或 SCADA 系统的实际通信协议。 2、消息队列遥测传输 MQTT 是一个开放的轻量级机器对机器协议，专为物联网交互设计。MQTT 网络包含一个 MQTT 经纪人 (broker)，负责协调 MQTT 代理之间的交互。代理是发布器，负责发布供用户使用的信息（参见图 2）。图 2. 消息队列遥测传输网络中的作用因素 MQTT 的要求非常少，因为它专为资源有限的嵌入式设备设计。除了占地空间少之外，MQTT 还可提供出色的通信高效性（即使通过低带宽网络进行通信）和非常少的开销（较之 HTTP 等协议）。在 3G 网络中，MQTT 的吞吐量速度是使用 HTTP 的表述性状态转移 (REST) 的 93 倍。MQTT 可使用最少的方法指示要在特定主题上实施的操作，进而实施发布 / 订阅模式。代理先连接到经纪人，然后再发布或订阅主题。完成后，代理将从经纪人上断开连接。MQTT 方法定义：连接 - 建立与 MQTT 经纪人之间的连接。断开连接 - 断开与 MQTT 经纪人之间的连接。发布 - 在 MQTT 经纪人上发布主题。订阅 - 从 MQTT 经纪人上订阅主题。退订 - 从 MQTT 经纪人上退订主题。图 3 展示了发布者与订阅者使用 MQTT 经纪人进行的简单交互。如图所示，信息创建者 (producer) 连接至 MQTT 经纪人。同样，信息消费者 (consumer) 连接至 MQTT 经纪人。消费者订阅主题（此处定义为 /home/alarms/1/status）。本示例主题可识别主页上针对区域 1 的警报系统的状态变化。当创建者有信息要分享时，它会向经纪人发布一条消息，然后经纪人将会将信息分享给所有订阅该主题的用户。图 3. 消息队列遥测传输代理之间的简单交互 请注意此处分享的主题结构。它与文件系统层次结构相似，这可简化主题的结构。这种资源层次形式也常见于协议架构中，如 REST。MQTT 甚至允许使用通配符的形式，以简化订阅流程。如果用户想要获取所有警报的状态，则可直接订阅 /home/alarms/+/status，该主题可通知用户所有的警报状态变化。整个子树还可使用主题 /home/# 进行订阅，该主题可以订阅 /home 下的所有事件。 2.1 服务质量 MQTT 允许定义服务质量 (QoS)。MQTT 中有三个等级的 QoS：QoS 0。该等级表示 “最多一次” 交付（最佳状况）。消息不会得到确认，因而，这是一种一劳永与的方法。QoS 1。该等级表示 “至少一次” 交付。用户可能不止一次获得消息，但是允许收到的人确认已经收到。QoS 2。最慢但是最有保障的服务质量等级即为等级 2。QoS 2 表示 “只有一次”，并包含四个阶段的交付握手。该等级最慢，但是最安全。您选择的 QoS 等级将取决于数据及其交付的重要性。 2.2 消息队列遥测传输经纪人 随着越来越多的物联网采用 MQTT 作为支持协议，您将会发现许多开源应用和产品中出现了 MQTT。英特尔 ® 物联网网关解决方案则是其中一款采用 MQTT 的全面物联网解决方案。该系列产品支持传感器、设备和云之间安全交互。这些预验证的应用就绪型平台支持出色的可管理性、安全性和多种连接选项，如 ZigBee*、蜂窝网络、蓝牙 *、USB、Wi-Fi*，当然还有 MQTT 和 Modbus 等协议。英特尔根据市场需求提供了三个版本的英特尔 ® 物联网网关，分别包含不同的输入 / 输出选项，并针对工业和能源、交通运输以及综合产业等不同领域。虽有不同之处，但它们无一例外都包括通用的可管理性和供应、数据和端点安全性以及运行时环境。它们分别运行在安全且稳定的 Wind River* Linux* 上。英特尔 ® 物联网网关的主要优势是 McAfee® 嵌入式控制安全技术。McAfee® 嵌入式控制可根据策略处理设备变化，同时能够追踪所有变化，提供完整的可视性和可说明性，以便进行持续的审计跟踪。 总结 MQTT 和 Modbus 能够互相补充提高物联网的性能。使用 Modbus 作为本地接口来管理设备，使用 MQTT 作为全局协议来扩展设备的范围，二者都起到了重要的作用。英特尔 ® 物联网网关可为现在以及未来构建物联网提供一个简单、安全的方式。
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