物联网设备如何相互通信？
通信协议是一组规则，可在设备和/或数据中心与其他存储和处理单元之间实现安全数据交换。
每一种物联网通信协议都有其鲜明的特点，这使得它适用于一个项目而对另一个项目无用。协议在范围、内存使用、功耗、安装成本等方面差异很大。有些只能连接一栋建筑物内的设备，有些则可以跨越物理障碍进行通信。例如，蓝牙是一种常用的智能家居、健身技术和医疗保健物联网通信技术，不需要太多内存和电源即可运行，但其连接范围有限。
正如 Gartner 高级研究总监 Bill Ray所说，“并非所有协议都适用于或适用于所有情况。”
物联网通信协议支持以下连接：
设备到设备
设备到网关
设备到云端或数据中心
由于 IoT 解决方案构建为技术堆栈并由多个层组成，如下图所示，通信协议也在不同层运行。例如，前面提到的蓝牙工作在最低层，而数据分发服务（DDS）协议工作在最高层——即应用层。
无线与有线物联网系统
有线物联网设备通过低压或标准电源线连接。每个节点都有一个唯一的 ID 和在其上运行的嵌入式软件。这些设备是自给自足的，不依赖于中央集线器。它们通过特殊协议（例如X10和Insteon ）进行通信。
有线部署是可靠的，但IDC 高级研究分析师 Sandra Wendelken 表示， “因此，无线连接一直是物联网部署激增的推动力。”
与无线网络物理系统不同，有线物联网解决方案不允许在运行中向网络添加更多设备，而且它们的配置可能是一项复杂的任务。另一方面，无线解决方案并不总是提供对数据的实时访问，因此需要考虑近实时模式是否适合他们的项目目标。
无线物联网通信协议的好处：
可扩展性：标准协议支持以最少的配置调整添加新设备
互操作性：可以对物联网通信协议进行编程以与不同的硬件（例如芯片和网关）一起工作，并且它们支持来自不同供应商的设备
可靠性：标准通信技术确保安全数据传输和抗干扰能力
物联网无线连接技术可以进一步细分为短程和远程解决方案。
短程与远程无线通信协议
短程技术在有限的范围内运行，同时降低连接成本和功耗。此类协议为智能家居和商业楼宇自动化提供了一个很好的选择。该技术的一些流行示例是蓝牙和 Zigbee 协议。
远程物联网通信协议覆盖更远的距离。他们大多试图降低吞吐量以节省长距离传输的电力。该技术的热门应用是工业现场监控、农业系统和智能城市。远程协议的一个例子是 LoRaWAN，如果没有物理障碍 ，它可以跨越 10 公里以上。
物联网通信协议分类
最常见的方法之一是将物联网通信协议分为两组——数据和网络协议。
数据协议在更高层运行，例如应用程序和表示
网络协议从数据链路、传输、网络和物理层工作
物联网通信技术：数据协议
物联网数据协议连接低功耗物联网设备，并直接在离线模式下提供与硬件的点对点通信。连接是通过有线或蜂窝网络实现的。
高级消息队列协议 (AMQP)
这是一种开放标准应用层协议，支持独立于所用平台的系统之间的消息传递。它可以保证来自不同供应商的客户端之间的互操作性。AMQP 即使在网络不佳或其中一个系统暂时不可用时也能确保安全可靠的通信。它指定了在连接失败的情况下可以路由消息的“转发地址”。
该协议在基于服务器的分析环境设置中很流行，例如银行技术解决方案。否则，由于其重量大，其应用相当有限。
AMQP 与传输层安全性 (TLS) 集成，可确保数据在传输时加密。此外，这种物联网通信技术实现了简单身份验证安全层 (SASL) 框架，用于客户端和服务器之间的安全身份验证握手。
优点：
可靠性
安全
支持不同的消息传递模式（发布-订阅、存储转发和经典消息传递队列）
以最小的努力实现可扩展性
缺点：
内存要求高
由于消息大小过大导致数据传输缓慢
消息队列遥测传输 (MQTT)
这是一个轻量级的物联网通信协议。它提供可靠的连接并在 TCP/IP 网络之上运行。MQTT 适用于带宽受限和高延迟的无线系统，例如在不可靠网络上运行的移动设备。这就是 Facebook 使用它进行在线聊天的原因。另一个应用是远程监控，因为 MQTT 擅长从远程位置容量有限的设备收集小消息。
与 AMQP 不同，该协议仅限于发布-订阅架构，并且具有三个主要组件——订阅者、发布者和代理。订阅者机制生成数据，发布者提供路由选项，代理确保安全。
它不提供设备管理结构或定义的数据表示。因此，这些参数是特定于供应商的。
优点：
低功耗
带宽使用率低
能够在不可靠的连接下正常运行
缺点：
来自不同供应商的设备之间的互操作性有限
固有的安全约束（依赖于短用户名和密码进行身份验证）
扩展性差
消息传递模式的选择有限（仅发布-订阅）
受限应用协议 (CoAP)
互联网工程任务组设计了这个 IoT 通信协议来满足基于 HTTP 的系统的需求。尽管每个人都可以免费使用互联网，但对于许多物联网应用来说，它的负担太重了。因此，物联网社区倾向于放弃 HTTP，认为它对物联网应用程序不可行。CoAP 可以与 HTTP 一起工作而不会引起窃听，因为它允许短唤醒和长睡眠状态。它允许 HTTP 客户端在资源限制的情况下交换信息。它在楼宇自动化和智能能源应用中很受欢迎。
CoAP 依赖于用户数据报协议 (UDP) 数据包进行通信和消息传递。该技术用于机器对机器应用程序，并允许容量有限（如可用性低）的设备加入物联网环境。它甚至可以与只有 10 KiB RAM 的微控制器一起工作。
优点：
高度安全，因为它使用 DTSL 参数作为其默认参数
易于部署
适用于功能有限的设备
缺点：
消息可能以错误的顺序到达目的地，这是 UDP 的常见问题
与网络地址转换 (NAT) 背后的设备通信有困难，因为它们可以生成动态 IP 地址
数据分发服务 (DDS)
对象管理组 (OMG) 为实时系统开发了这种物联网通信协议。DDS 使用发布-订阅模式提供可靠且可扩展的数据交换。它的可扩展性归功于 DDS 支持发布者和订阅者的动态发现。它可以很好地与云和低占用空间设备配合使用，并提供与软件和硬件无关的可互操作的数据共享。
该协议被认为是第一个开放的国际中间件物联网标准。
优点：
可扩展
高度安全和强大的QoS机制
保证低延迟通信
连接来自不同供应商的设备
缺点：
占用大量带宽（消耗的流量是 MQTT 的两倍）
仅通过网关与 Web 服务交互
物联网通信技术：网络协议
物联网网络通信协议通过网络连接中高功率物联网设备。该技术通常在 Internet 上运行。
有多种方法可以将 IoT 设备连接到网络和/或相互连接。这些包括点对点、星形和网状网络。
在点对点部署中，两个节点直接相连，形成一个紧密的网络。此网络上的数据不会在公共互联网上传输，因此此连接非常安全。
在星型网络中，所有节点都连接到网关，网关收集和传输数据以进行进一步处理和存储。这种方法不会消耗太多能量，因为允许设备在传输之间休息。但是，如果节点无法访问网关，它就无法继续传递数据。另一个缺点是网关存在单点故障。如果断开连接，整个系统就会崩溃。
网状网络更可靠，因为其他节点也可以从其邻居接收数据并将其进一步传递到网关。因此，节点的功能不受其直接访问网关的能力的限制。这种网络类型可以覆盖比星形网络更远的距离并且可以自我修复，因为它会在节点出现故障时自动重新计算数据传输路由。
您可以使用多种物联网通信协议来创建这些类型的网络。
蓝牙和低功耗蓝牙 (BLE)
蓝牙是一种用于短距离交换数据的无线技术。它在手机、媒体播放器和平板电脑等个人设备中很常见。该协议广泛用于智能家居配置。物联网用户很欣赏它可以通过智能手机控制他们连接的设备，这非常方便。尽管需要网关将数据传输到互联网，但普通的智能手机可以充当网关。
该协议以突发方式传输小块数据，并且在处理较大的文件时会出现问题。
BLE于 2010 年推出，是针对短距离物联网连接优化的蓝牙版本。它比标准蓝牙协议消耗更少的功率。请务必注意，BLE 设备无法与经典蓝牙设备通信，除非它们都安装了这两种协议。
这种物联网通信协议相当安全，因为它在应用程序和网络级别加密传输的数据。
优点：
低延迟
硬件简单，成本低
通过智能手机轻松上网
安全的
缺点：
使用拥挤的 2.4 GHz 频率
连接的设备数量有限
Zigbee
Zigbee是一种强大且可扩展的物联网通信协议，用于收集家庭自动化和工业应用中的传感器数据。它在中等距离上传输少量数据。Zigbee 在自我修复的网状拓扑结构上运行，这使其非常可靠。新设备在执行“握手”过程后即可加入网络，该过程仅需 30 毫秒。
该协议需要一个自定义网关来控制物联网设备，这很昂贵，尤其是与可以在智能手机上运行的蓝牙相比。
优点：
理论上最多可容纳65,000台设备
低功耗（小型设备可以使用一节电池运行数年）
通讯距离相对远
缺点：
使用常见的2.4GHz频率，容易受到干扰
需要自定义网关，这很昂贵
Z波
这是一种低功耗无线协议，通常用于智能家居解决方案和商业应用。Z-Wave在本文介绍的网络物联网通信协议中提供最低的延迟。值得注意的是，这项技术在每个国家/地区的运行频率不同，这意味着用户在改变位置时必须购买不同的设备。理论上，该协议最多支持 232 种物联网产品。
Z-Wave 是由 Z-Wave 联盟管理的专有技术，负责监督认证。因此，无论制造商如何，每个 Z-Wave 设备都与每个 Z-Wave 控制器兼容。此外，所有规范均于 2016 年向公众发布，使开发人员可以使用该标准。
优点：
避开 Wi-Fi、蓝牙和 Zigbee 使用的拥挤的 2.4 GHz 频率
低延迟
低功耗
合理覆盖
缺点：
低数据传输率
溢价
无线上网
Wi-Fi使用互联网协议 (IP) 连接局域网 (LAN) 上的设备。它确保相距很近的设备之间进行可靠和安全的通信。该协议相对便宜且易于部署，适用于室内应用，例如智能家居系统。它适用于大文件，可以处理大量数据。
然而，这种物联网通信协议过于耗电，并且存在范围限制。
优点：
方便且易于安装
高数据传输率
缺点：
高功耗
难以扩展
短途通讯
远程无线电广域网 (LoRaWAN)
这是一种非蜂窝无线广域网技术，可远距离连接设备，适用于远距离传输遥测数据的智能城市和工业应用。一个例子是连接到基于LoRaWAN协议运行的 LoRa 网关的智能路灯。该技术可以连接数百万个物联网设备，并针对低功耗进行了优化。新设备可以是硬编码的，也可以安排成无线连接。
LoRa 网关从不同的传感器收集数据，并通过标准 IP 协议将其传输到服务器或云端。LoRaWAN 提供两个安全层——一个用于网络层，另一个用于应用程序。
这种物联网通信协议不适用于需要低延迟或传输大量数据的应用程序。
优点：
可扩展性
覆盖很远的距离
低功耗
在未经许可的频率上运行
缺点：
低数据传输率
自定义 LoRa 网关
不适合实时应用
如何为您的项目选择合适的物联网通信技术？
没有单一的物联网通信协议可以始终节省时间并很好地完成每项任务。选择正确的技术是一个重大决定，需要谨慎对待。每个协议都有其优点和一组条件。在为您的下一个物联网项目寻找最佳选择时，请考虑以下标准：
设备能力。一些设备支持特定的通信协议。因此，您的硬件选择将限制协议选项。
同步响应要求。如果系统不期望立即响应操作，您可以使用异步通信模式并从范围广泛的 MQ 协议中进行选择，例如 MQTT。
连通性。根据连接类型和设备要求，您需要考虑数据传输速率、通信范围和延迟等因素。
能量消耗。如果您负担得起将设备插入电源插座（例如固定式家庭自动化产品），这不是问题。但是，如果您的设备依靠电池运行且无法充电，那么低功耗协议将是更好的选择。
分配的预算。物联网通信协议带有不同的价格标签。对于其中一些，安装成本极低，普通智能手机即可充当网关。对于其他人来说，加入相应的联盟将花费您一笔可观的费用，之后，您将为每台连接的设备支付费用——更不用说将自定义网关整合到您的物联网部署中的成本了。
