物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)協(xié)議應用展望

摘要：文章從物聯(lián)網(wǎng)的定義入手，對物聯(lián)網(wǎng)涉及的行業(yè)、應用場景進行了描述。對當前的各種物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議進行了分析和整理，從整體層面對物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的種類、特點和應用場景進行了概括性介紹。分別針對RFID協(xié)議、Matter協(xié)議、CoAP協(xié)議，對其起源、定義進行了簡述，分析其技術(shù)架構(gòu)、核心技術(shù)特點，從而對該協(xié)議所應用的場景和行業(yè)進行了定位。通過對典型物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的分析和介紹，了解典型物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的特性。在不同場景和需求下，為合適的物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議選型提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);協(xié)議；應用

中圖分類號：TP391.7; TN919.7 文獻標志碼：A

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IoT）是指通過某種通信方式將萬事萬物連接到互聯(lián)網(wǎng)。隨著智能手機的普及和5G網(wǎng)絡(luò)的普遍應用，物聯(lián)網(wǎng)同樣得到了迅速的發(fā)展，萬物互聯(lián)也具備了可行性條件。物聯(lián)網(wǎng)的應用場景也從工業(yè)領(lǐng)域逐步向交通、物流以及家居行業(yè)拓展，眾多的家居物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品、智能控制產(chǎn)品相繼面世，逐步形成了城市、小區(qū)、家居等各個級別的智能物聯(lián)生態(tài)圈。物聯(lián)網(wǎng)的概念和應用逐步進入大眾視野。

1 物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議概述

1.1 物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議演變

常見的物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議主要分為傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和專門針對物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計的協(xié)議2大類。

傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議包括HTTP、TCP/IP、UDP等，這些通信協(xié)議在傳統(tǒng)行業(yè)內(nèi)應用廣泛，在物聯(lián)網(wǎng)中同樣有所涉及。但是，傳統(tǒng)形式的通信協(xié)議并未針對物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的特點進行優(yōu)化和適配，而是直接將其應用到物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備上，這會造成設(shè)備運行異常、待機時間短等故障。鑒于此，催生了部分專門適用于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的協(xié)議，如MQTT、CoAP協(xié)議等［1］。物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議匯總?cè)鐖D1所示。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議技術(shù)特點

由于物聯(lián)網(wǎng)場景中的各類設(shè)備配置不同、所處地域不同、樣式不同，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)部各設(shè)備搭載的通信協(xié)議要具備靈活性、安全性、互操作性和低功耗的特點［2］。

為實現(xiàn)上述特點，首先要對物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的結(jié)構(gòu)、通信機制進行精簡優(yōu)化，使其達到靈巧的狀態(tài)，具備靈活應用和動態(tài)加載的條件，同時去掉繁雜冗余的額外校驗機制，滿足大范圍拓展應用的條件。

其次，針對數(shù)據(jù)的上報、獲取和下載環(huán)節(jié)，不同廠家、不同設(shè)備的物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議應從設(shè)備的控制方式、控制手段等命令入手，進行互通和協(xié)作的約定，實現(xiàn)各方無縫銜接。

最后，豐富多種休眠和喚醒設(shè)計，提供初級休眠、深度休眠等不同程度的低功耗休眠模式，也可以通過軟中斷和硬中斷的方式完成設(shè)備喚醒，達到低功耗的目的。

1.3 應用場景

物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議由于其安全性、可擴展性和低功耗的技術(shù)特點，在多個行業(yè)具有廣泛的適用性。

隨著智能家居設(shè)備的普及，各種智能家居設(shè)備需要通過互聯(lián)互通來實現(xiàn)整體聯(lián)動。物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議能夠協(xié)助智能燈具、智能空調(diào)、智能門鎖等設(shè)備完成遠程控制和數(shù)據(jù)交換，全面展現(xiàn)智能家居系統(tǒng)的智能化和便利化。

在工業(yè)生產(chǎn)過程控制中，各類傳感器、執(zhí)行器、控制器需要通過數(shù)據(jù)交換和控制指令的傳輸，實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)過程的自動化和智能化。依托物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，可以實現(xiàn)工業(yè)設(shè)備的遠程監(jiān)控和遠程操作，提高制造車間的生產(chǎn)效率，降低人工成本。

在智能醫(yī)療領(lǐng)域，物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議也能夠為醫(yī)療設(shè)備和醫(yī)療信息系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)實時監(jiān)測和遠程診斷提供幫助，提高醫(yī)療服務質(zhì)量和檢測效率。在智能農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，通過物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議能完成農(nóng)田狀態(tài)的遠程監(jiān)測和智能灌溉控制，提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量。

物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議因其應用領(lǐng)域和場景的特殊性，經(jīng)過長時間的技術(shù)演進，技術(shù)特點逐漸明晰。雖然不同的物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議之間有所區(qū)別，但是都在各自適用的領(lǐng)域內(nèi)快速發(fā)展，不斷擴展應用場景，迅速占領(lǐng)了極大的市場范圍。

2 RFID技術(shù)應用展望

2.1 RFID技術(shù)簡述

射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）技術(shù)是一種無線通信技術(shù)，通過無線電信號識別特定目標并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)，屬于近場通信的一種。

RFID分別在物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應用層對無線電信號的頻率、功率和調(diào)制方式進行了約定，對數(shù)據(jù)的幀格式、錯誤檢測、糾正機制以及標簽和讀寫器之間的數(shù)據(jù)交換格式和命令集都進行了詳細的規(guī)定，以滿足特定的應用需求。

2.2 RFID技術(shù)特點

RFID通信協(xié)議屬于一種近距離無線通信技術(shù)，它利用無線射頻信號實現(xiàn)對物體的識別和跟蹤，其核心特點主要體現(xiàn)在以下方面。

（1）RFID標簽自帶天線，只須處于讀寫器的范圍內(nèi)就能夠完成信息的讀寫，具有極高的識別效率和便利性［3］。

（2）RFID標簽內(nèi)部集成的芯片具有多個數(shù)據(jù)分區(qū)，能夠存儲大量的數(shù)據(jù)信息，并且數(shù)據(jù)不易失，有利于長期存儲。

（3）利用手持式讀寫設(shè)備，可以針對范圍內(nèi)的全部RFID標簽進行批量快速識別，每個RFID標簽都可以獨立響應，快速上報數(shù)據(jù)，達到快速盤點的效果。

（4）RFID技術(shù)因其無線通信的特性，信號頻率受到統(tǒng)一調(diào)配使用，具有抗干擾能力強、數(shù)據(jù)安全性高、通信可靠性好的特點，可以在高頻和超高頻等頻段使用，具備不同復雜環(huán)境和場景下的應用條件。

2.3 RFID技術(shù)應用前景

RFID技術(shù)通過無線射頻信號實現(xiàn)對物體的識別和跟蹤。隨著物聯(lián)網(wǎng)和智能制造技術(shù)的快速發(fā)展，RFID技術(shù)在各個領(lǐng)域的應用也越來越廣泛。

在物流和供應鏈管理方面，通過在產(chǎn)品或包裹上嵌入RFID標簽，企業(yè)可以實現(xiàn)貨物的實時跟蹤，實時掌握商品流轉(zhuǎn)或出入庫狀態(tài)，提高物流效率，減少庫存損耗，降低管理成本。

在衣物、鞋品、日雜商品、家用電器等產(chǎn)品上植入RFID標簽，零售商或商超管理員可以實現(xiàn)對商品的精準管理和盤點，減少商品丟失和盜竊現(xiàn)象。商超收銀系統(tǒng)也可以錄入RFID臺賬信息，自動識別顧客購買商品的價值，幫助顧客自助快速結(jié)賬，提高店鋪的運營效率。

在制造業(yè)的生產(chǎn)過程中，各工藝檢測環(huán)節(jié)加裝RFID系統(tǒng)后，只須識讀RFID數(shù)據(jù)即可實現(xiàn)過程狀態(tài)的監(jiān)控和管理，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。在農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)領(lǐng)域中，RFID標簽可以戴在家畜耳朵上，只要對耳簽進行盤點即可完成數(shù)量統(tǒng)計，提高了養(yǎng)殖農(nóng)場的信息化管理水平，降低了家畜丟失的概率，從而提高了養(yǎng)殖收益。

RFID技術(shù)發(fā)展周期長久，技術(shù)迭代版本多樣，技術(shù)特點鮮明，應用場景明晰。以RFID系統(tǒng)的天線為核心，修改輻射方式和天線結(jié)構(gòu)，結(jié)合不同的功率和頻率控制，對開放式環(huán)境和封閉式環(huán)境都能實現(xiàn)較好的兼容，完成物品的精準查找和盤點業(yè)務，具有廣闊的市場應用前景。

3 Matter協(xié)議應用展望

3.1 Matter協(xié)議的起源

Matter協(xié)議是一種用于在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)上進行交易和通信的協(xié)議。區(qū)塊鏈技術(shù)最初是作為比特幣的底層技術(shù)而被引入，隨著時間的推移，Matter協(xié)議在金融、供應鏈管理、智能合約等領(lǐng)域逐漸被推廣應用。

隨著區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)交易和通信需求的不斷增長，Matter協(xié)議經(jīng)過不斷探索和創(chuàng)新，能夠為網(wǎng)絡(luò)交易和通信提供更加便捷和可靠的解決方案。

3.2 Matter協(xié)議的技術(shù)架構(gòu)

Matter協(xié)議是一種用于構(gòu)建去中心化應用程序的開源協(xié)議，它的核心架構(gòu)包括幾個關(guān)鍵的組件，這些組件共同工作以實現(xiàn)協(xié)議的主要目標，即安全、可擴展和去中心化。

Matter協(xié)議的核心架構(gòu)首先包括一個分布式賬本，用于記錄所有的交易和狀態(tài)變化［4］。這個分布式賬本是基于區(qū)塊鏈技術(shù)構(gòu)建的，能確保所有的交易都是不可篡改的，并且可以被全網(wǎng)節(jié)點共享和驗證。它是Matter協(xié)議的基礎(chǔ)，也是其安全性和可靠性的保障。

Matter協(xié)議還包括一套智能合約系統(tǒng)，用于執(zhí)行和管理應用程序的邏輯。這些智能合約被部署到分布式賬本上，可以被程序員編寫和調(diào)用，同時提供了一種安全且可靠的方式來管理應用程序的狀態(tài)和邏輯，保證所有的操作都是不可逆轉(zhuǎn)的。

Matter協(xié)議的核心架構(gòu)設(shè)計確保了其具有協(xié)議的安全性、可擴展性和去中心化的特點。隨著區(qū)塊鏈和去中心化技術(shù)的不斷發(fā)展，Matter協(xié)議的核心架構(gòu)也將不斷演進，滿足不斷變化的應用程序需求。

3.3 Matter協(xié)議的行業(yè)應用

隨著科技的不斷發(fā)展，智能家居行業(yè)正在迅速崛起。在這一行業(yè)中，Matter協(xié)議由于其開放式和互操作性的標準特點，能夠為智能家居設(shè)備提供通信和連接的統(tǒng)一解決方案，正在逐漸成為關(guān)鍵所在，不同廠商生產(chǎn)的智能家居設(shè)備可以更加容易地實現(xiàn)連接和通信。

在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、智能倉儲領(lǐng)域，支持Matter協(xié)議的產(chǎn)品種類陸續(xù)面世，并呈現(xiàn)快速發(fā)展的趨勢。Matter協(xié)議的標準化和統(tǒng)一性特點，促使廠商更加專注于設(shè)備創(chuàng)新和功能提升，無須過多關(guān)注設(shè)備的兼容性因素，激發(fā)更多的創(chuàng)新和競爭，推動整個行業(yè)的進步和發(fā)展，更好地擴展業(yè)務和增加收入。

Matter協(xié)議的技術(shù)架構(gòu)先進，協(xié)議特點鮮明，完美解決了物聯(lián)網(wǎng)世界的連通痛點，因此在行業(yè)應用中具有巨大的成長空間。隨著智能家居、工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展和深入，在新能源、智慧物流、智慧農(nóng)業(yè)、智慧城市等領(lǐng)域也逐漸能看到搭載Matter協(xié)議的產(chǎn)品。

Matter協(xié)議帶著兼容世界、萬物互聯(lián)的使命面世，迅速形成了一套完整成熟的智能互聯(lián)生態(tài)，打破了廠家、品牌、設(shè)備種類之間的聯(lián)通壁壘，為用戶消除了使用障礙，提高了通用控制的便利性，極大地推動了物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。

4 CoAP協(xié)議應用展望

4.1 CoAP協(xié)議簡述

受限應用協(xié)議（Constrained Application Protocol，CoAP）是一種專為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和資源受限的網(wǎng)絡(luò)而設(shè)計的應用層協(xié)議。對于物聯(lián)網(wǎng)中的部分設(shè)備而言，想要直接使用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的TCP或HTTP協(xié)議來實現(xiàn)設(shè)備信息交換不太現(xiàn)實，為了讓這部分設(shè)備能夠順利接入網(wǎng)絡(luò)，誕生了CoAP 協(xié)議。這樣的輕量級協(xié)議為資源受限的設(shè)備提供了一個良好的技術(shù)協(xié)議選擇。

4.2 CoAP協(xié)議特點

CoAP協(xié)議的設(shè)計非常簡單，它對協(xié)議中的頭部和選項字段進行了簡化，使得對網(wǎng)絡(luò)帶寬和資源的占用達到了最小化程度。CoAP協(xié)議的運行基礎(chǔ)是UDP，去除了TCP的部分連接、校驗特性，形成了無連接、低延遲和高效率的特點。與此同時，CoAP依然保留了CON（Confirmable）和ACK（Acknowledgment）消息，能夠保證消息的可靠性傳輸［5］。并且，CoAP協(xié)議還可以與DTLS（Datagram Transport Layer Security）結(jié)合使用，提供端到端的安全性。

CoAP協(xié)議的架構(gòu)采用RESTful風格，使用類似HTTP的請求-響應模型，支持GET、POST、PUT和DELETE等常用的HTTP方法。CoAP同樣采用統(tǒng)一資源標識符（URI）來標識資源，這樣客戶端可以通過URI來定位和操作特定資源。

4.3 CoAP協(xié)議與MQTT協(xié)議的區(qū)別

CoAP和消息隊列遙測傳輸（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）都屬于輕量級協(xié)議，二者都比較適合嵌入式設(shè)備，但是二者之間又存在著明顯的區(qū)別，如圖2所示。

在整體組網(wǎng)架構(gòu)方面，MQTT是多個客戶端通過中央代理（Broker）進行消息傳遞的多對多協(xié)議，即消息并不直接從客戶端發(fā)送到客戶端，而是由客戶端發(fā)布到存儲在 MQTT 代理中的主題，客戶端可以通過訂閱一個或多個主題來接收消息；CoAP協(xié)議基本上就是一個在Server和Client之間傳遞狀態(tài)信息的單對單協(xié)議。這是二者之間最關(guān)鍵的區(qū)別之處。

在通信連接方面，MQTT是長連接，而CoAP是短連接?；诖藚^(qū)別，在不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境配置中，MQTT和CoAP協(xié)議需要采取不同的配置策略，也會帶來不同的數(shù)據(jù)流量消耗。

在數(shù)據(jù)交互方面，MQTT協(xié)議不支持帶有類型或者其他幫助Client理解的標簽信息，所有的MQTT Client都需要知道消息格式。而CoAP協(xié)議則恰恰相反，CoAP內(nèi)置發(fā)現(xiàn)支持和內(nèi)容協(xié)商，允許設(shè)備相互窺測以找到數(shù)據(jù)交換的方式。

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的資源往往受電池、體積、成本等多個因素制約，普通通信協(xié)議標準制定歷史悠久，不能滿足如今物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的發(fā)展需求，需要在以往通信協(xié)議的基礎(chǔ)上完成應用層的精簡和創(chuàng)新，滿足新的技術(shù)要求。CoAP協(xié)議深入挖掘輕量化的特點，重點向低功耗方向邁進，為資源受限的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供了一個數(shù)據(jù)通信的額外選擇。

5 結(jié)語

本文對常見的物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議進行了分析，分別針對RFID、Matter、CoAP 3種不同類型協(xié)議的特點、應用場景展開了討論。隨著物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的發(fā)展和成熟，具有不同技術(shù)特點的通信協(xié)議如雨后春筍般涌現(xiàn)，這些協(xié)議的特點更加鮮明，所解決問題更加具象，應用場景更加明確、細分。因此在協(xié)議選型時，可以針對不同的需求特點和場景，選擇適合的物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議。

參考文獻

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（編輯 沈 強）

Internet of Things technology protocol application prospects

YE Lianjie

（Beijing Aerospace Ai Wei Electronic Technology Co.， Ltd.， Beijing 100039， China）

Abstract： This paper analyzes and sorts out various current IoT protocols， and gives a general introduction to the types， characteristics and application scenarios of IoT protocols from the overall level. The origin and definition of RFID protocol， Matter protocol and CoAP protocol are briefly described， and their technical architecture and core technical characteristics are analyzed， so as to position the application scenario and industry of the protocol. Through the analysis and introduction of typical IoT protocols， the characteristics of typical IoT protocols are understood， and the reference basis is provided for suitable IoT protocol selection under different scenarios and needs.

Key words： IoT; protocol; application