物联网的通信协议

物联网的通信协议

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通信的目的是为了传递信息

由于要实现设备之间的数据传输，寻找物物之间最合适的连接方式是我们必须要考虑的。这些通信方式各有优劣，适用于不同的应用场景。

物联网的通信方式可大致分为如下几类

物联网的有线通信也就是以太网、光缆等有实体线路的通信方式，IEEE802.3标准制定了以太网的标准，以太网使用双绞线作为媒介，在没有中继的情况下，可以覆盖200米的范围。有线通信可以保证通信的质量、时延和成本，还可以在恶劣的环境下正常运行，但通信范围小、不便于携带的问题也无法解决。

物联网的无线通信技术很多，主要分为两类：一类是Zigbee、WiFi、蓝牙、Z-wave等短距离通信技术；另一类是LPWAN（low-power Wide-Area Network，低功耗广域网），即广域网通信技术。LPWA又可分为两类：一类是工作于未授权频谱的LoRa、SigFox等技术；另一类是工作于授权频谱下，3GPP支持的2/3/4G蜂窝通信技术，比如EC-GSM、LTE Cat-m、NB-IoT等。高速率业务主要使用3G、4G技术；中等速率业务主要使用GPRS技术。低速率业务目前还没有很好的蜂窝技术来满足，而它却有着丰富多样的应用场景，很多情况下只能使用GPRS技术勉力支撑。

这里可以看到Lora和NB-IOT是比较像的，区别主要是Lora频谱在部分段免费(可自建)，而NB-IOT是要在运营商上运行的。对于需要视频流的远距离传输需求，组网的只有4G+WIFI合适了。

无线通信还可分为非授权频谱无线连接和授权频谱无线连接，也就是花钱租网络。
授权频谱无线连接就是我们常见的蜂窝通信，也就是运营商的网络
1G：AMPS
2G：TDMA，CDMA，GSM…
3G：UMTS，HSDPA，WCDMA…
4G：LTE，EC-GSM，eMTC…

非授权频谱无线连接又可以进一步划分为短程通信，和广域通信
短程通信
超宽带：UWB
宽带：WIFI（永远在线）
窄带：蓝牙（高功耗），NFC（近距离通信），zigBee（节点阻塞）

广域通信
Lora

一、UART串口通信

串口通信的英文缩写是UART(Universal Asynchronous Receiver Transmitter) 全称是通用异步收发器。

1.1 串口通信

两个设备用一根线串起来，发送方在线的一头将数据转换为二进制序列，用高低电平按照顺序依次发送01信号，接收方在线的另一头读取这根信号线上的高低电平信号，对应转化为二进制的01序列。这就是最基本的串口通信的概念，

1.2 异步收发

如果给上图的两个设备再加一根线，让左边的设备也可以成为接收方，右边的设备也可以成为发送方，那么对于左右两个设备而言，发送和接受便可以在两根线上同时进行，这时，发送和接收是异步的。

1.3 波特率

波特率就是每秒传输的0和1的二进制数，接收方和发送方波特率必须相同，不然会发生乱码的情况。

因为每次都要保证收发方的波特率一致很不方便，所以一些基于时钟的通信协议如I2C总线协议、SPI总线协议，都是以时钟线来保证信息的收发同步的。

1.4 串口通信协议的数据帧

在串口通信中，最基本的一帧数据，至少包含了 起始位+数据位+停止位(校验帧可有可无)。
数据的传输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 代表信息发送端。

1.5 优缺点

1.5.1 优点

（1）硬件简单
（2）低延时
（3）直接连接

1.5.2 缺点

（1）点对点通信，不适合复杂网络通信
（2）通信距离和速率受限于串口线缆的长度和质量
（3）缺乏协议，通信双方需要自行定义消息格式和解析规则

二、I²C

2.1 I²C

I²C（Inter-integrated Circuit）最早是飞利浦在1982年开发设计的一种总线协议。I²C总线支持设备之间的短距离通信，用于处理器和一些外围设备之间的接口，它只需要两根信号线来完成信息交换。

2.2 I²C

I²C最少只需要两根线，和异步串口类似，但可以支持多个从(slave)设备，和SPI不同的是，I²C可以支持多主机（mul-master）系统，允许有多个master并且每个master都可以与所有的slaves通信（master之间不可通过I²C通信，并且每个master只能轮流使用I²C总线）。master是指启动数据传输的设备并在总线上生成时钟信号以驱动该传输，而被寻址的通信设备都作为slaves。

I²C通讯只需要2条双向总线：串行数据线SDA和串行时钟线SCL

2.3 数据有效性

SDA 线上的数据必须在时钟的高电平周期保持稳定，SDA的高或低电平状态只有在 SCL 线的时钟信号是低电平时才能改变。

2.4 起始条件S和停止条件P

起始条件S：当SCL高电平时，SDA由高电平向低电平转换；

停止条件P：当SCL高电平时，SDA由低电平向高电平转换。

起始和停止条件一般由主机产生。总线在起始条件后处于busy的状态，在停止条件的某段时间后，总线才再次处于空闲状态。

2.5 数据格式

I2C传输的数据以字节为单位，每个字节必须为8位，可以传输任意多个字节，I2C的数据格式具有以下特点：

（1）每个字节后必须跟一个响应位 ACK
的SCL上ACK)，因此实际上传输一个字节（8位）的数据需要花费9位的时间。

（2）SDA上首先传输字节的最高位，从上图中我们可以看出，位数编号的发送顺序从左至右 是 Bit7-Bit0

数据接收方收到传输的一个字节数据后，需要给出响应，此时处在第九个时钟，发送端释放SDA线控制权 ，将SDA电平拉高，由接收方控制。接收方表示成功的接收到了8位一个字节的数据，便将SDA拉低为低电平，即ACK信号,表示应答

2.6 协议数据单元PDU

2.7 优缺点

2.7.1 优点

（1）I²C总线可以连接多个设备，使用唯一的地址进行寻址
（2）适用于中等速率的通信需求
（3）硬件资源占用少

2.7.2 缺点

（1）I²C通信受距离限制，适用于近距离通信
（2）需要配置设备的I2C地址
（3）实时性较差

三、SPI

3.1 SPI

SPI是串行外设接口(Serial Peripheral Interface)的缩写。是 Motorola 公司推出的一 种同步串行接口技术，是一种高速的，全双工，同步的通信总线。SPI协议主要用于短距离的通信系统中，特别是嵌入式系统，很多芯片的外围设备，比如LED显示驱动器、I／O接口芯片、UART收发器等都广泛的采用SPI总线协议。

3.2 通信原理

SPI的通信原理很简单，它以主从方式工作，这种模式通常有一个主设备和一个或多
个从设备。在英文中，通常把主设备称作为 Master， 从设备称作为 Slave.

SPI理论上需要4根线才能进行双向数据传输，3根线可以进行单向传输：
SPI理论上的4根接线分别是以下四种：

3.3 数据有效性

3.4 优缺点

3.4.1 优点

（1）支持全双工通信，发送数据和接收数据可以同时进行。
（2）通信简单
（3）数据传输速率快

3.4.2 缺点

（1）接线繁杂，需要至少四根接线
（2）在多个从机的情况下，每个从机都需要接入一根CS片选信号线，浪费芯片的IO资源。

四、Socket通信

4.1 Socket

Socket 是在应用层和传输层之间的一个抽象层，它把 TCP/IP 层复杂的操作抽象为几个简单的接口，供应用层调用实现进程在网络中的通信。Socket 起源于 UNIX，在 UNIX 一切皆文件的思想下，进程间通信就被冠名为文件描述符（file descriptor），Socket 是一种“打开—读/写—关闭”模式的实现，服务器和客户端各自维护一个“文件”，在建立连接打开后，可以向文件写入内容供对方读取或者读取对方内容，通讯结束时关闭文件。

另外我们经常说到的Socket 所在位置如下图：

4.2 TCP和UDP

世界上有很多种套接字（socket），比如 DARPA Internet 地址（Internet 套接字）、本地节点的路径名（Unix套接字）、CCITT X.25地址（X.25 套接字）等。我们只介绍第一种套接字——Internet 套接字，它是最具代表性的，也是最经典最常用的。以后我们提及套接字，指的都是 Internet 套接字。根据数据的传输方式，可以将 Internet 套接字分成两种类型。

4.2.1 流格式套接字SOCK_STREAM

流格式套接字（Stream Sockets）也叫“面向连接的套接字”，是一种可靠的、双向的通信数据流，数据可以准确无误地到达另一台计算机，如果损坏或丢失，可以重新发送。其特点：
（1）数据在传输过程中不会消失；
（2）数据是按照顺序传输的；
（3）数据的发送和接收不是同步的（有的教程也称“不存在数据边界”）。
它使用了 TCP 协议（The Transmission Control Protocol，传输控制协议），TCP 协议会控制你的数据按照顺序到达并且没有错误。
浏览器所使用的 http 协议就基于面向连接的套接字，因为必须要确保数据准确无误，否则加载的 HTML 将无法解析。

4.2.2 数据报格式套接字SOCK_DGRAM

数据报格式套接字（Datagram Sockets）也叫“无连接的套接字”。计算机只管传输数据，不作数据校验，如果数据在传输中损坏，或者没有到达另一台计算机，是没有办法补救的。也就是说，数据错了就错了，无法重传。因为数据报套接字所做的校验工作少，所以在传输效率方面比流格式套接字要高。有以下特点：
（1）强调快速传输而非传输顺序；
（2）传输的数据可能丢失也可能损毁；
（3）限制每次传输的数据大小；
（4）数据的发送和接收是同步的
数据报套接字也使用 IP 协议作路由，但是它不使用 TCP 协议，而是使用 UDP 协议（User Datagram Protocol，用户数据报协议）。
QQ 视频聊天和语音聊天就使用 SOCK_DGRAM 来传输数据，因为首先要保证通信的效率，尽量减小延迟，而数据的正确性是次要的，即使丢失很小的一部分数据，视频和音频也可以正常解析，最多出现噪点或杂音，不会对通信质量有实质的影响。

4.3 Socket通信过程

Socket 保证了不同计算机之间的通信，也就是网络通信。对于网站，通信模型是服务器与客户端之间的通信。两端都建立了一个 Socket 对象，然后通过 Socket 对象对数据进行传输。通常服务器处于一个无限循环，等待客户端的连接。下面是面向连接的 TCP 时序图：

4.4 优缺点

4.4.1 优点

（1）适用于网络通信，可以在不同设备间进行通信
（2）TCP套接字提供可靠的数据传输，确保数据准确性和顺序性
（3）支持多种编程语言

4.4.2 缺点

（1）编程较为复杂，需要处理连接、断开等情况
（2）涉及IP地址和端口的配置，需要正确配置才能建立通信连接
（3）需要在网络环境中使用，不适合直接连接在物理硬件上

五、MQTT

MQTT是应用层协议，和超文本传输协议(HTTP)等是一个层次。

5.1 消息队列遥测传输MQTT

原始的socket通信，并不能保障信息可以到达接收方，数据的可靠性包括实时性都会有一定的影响， 所以这个时候就需要一种网络通信协议Protocal 来保障信息的传递， 保障服务质量。互联网的基础网络协议是 TCP/IP。MQTT（消息队列遥测传输） 是基于 TCP/IP 协议栈而构建的，已成为 IoT 通信的标准。

5.2 MQTT的发布和订阅模型

在基于MQTT协议的IOT网络里面里面有这么几个角色：
（1）发布者 Publisher 负责发布消息， 例如传感器采集数据，然后发送当前传感器的信息

（2）订阅者 Subscriber 订阅消息，根据获得的传感器数据做出对应的动作。

（3）*服务器 Server * 信息的中转站，负责将信息从发布者传递到订阅者。

MQTT在客户端实现叫MQTT Client，在服务器端实现叫MQTT Broker。

每个单片机(Client)仅与PC（Server）保持一个长连接, 有什么数据就告诉Server, 如果有其他单片机或者PC跟这个单片机通信， 也只能通过这个Server来获取， 同时也要注意，这个数据获取的过程是被动的， 单片机没有主动轮询， 整个过程是异步的， 数据传过来，自动调用回调函数， 所以Server就成了这个单片机与这个周边设备通信的唯一的渠道，这个机制使得整个过程更加轻量级与高效 。

5.3 通信协议流程

通信所用的数据帧 Data Frame主要由主题编号 Topic ID 还有信息 Message 两部分组成。

发布者与订阅者之间是没办法直接感知到对方的存在的， 订阅者与发布者之间通过数据帧 Data Frame 里面的主题编号Topic ID 来获取自己想要的数据。

举一个远程控制LED灯亮灭的例子：

（1）ESP32与PC连入同一个局域网下， 获取PC 的IP地址

（2）PC开启 MQTT Broker， 开启Server模式

（3）ESP32传入PC的IP地址还有端口号，创建一个MQTT_Client

（4）ESP32的MQTT_Client与PC上的MQTT_Server创建一个长连接

（5）ESP32的MQTT_Client 订阅Topic LED_CONTROL

（6）PC上创建一个CLIENT， Client里面传入本地IP与MQTT Broker服务的端口号， 与PC上面的Server建立一个长连接

（7）PC上的Client， 发送数据帧 Topic ID + 指令， Topic ID为LED Control

（8）数据发送给Server， Server发现ESP32开发板订阅了LED_CONTROL 这个主题， 然后就通过ESP32与Server创建的连接发送该数据帧。

（9）ESP32接收到这个数据帧，发现TOPIC_ID: LED_CONTROL, 于是知道这个是跟LED控制相关的指令，读取到MESSAGE是LED_ON， ESP32执行指令led.on() , LED打开。

5.3 优缺点

5.3.1 优点

（1）异步消息协议
（2）面向长连接
（3）双向数据传输
（4）协议轻量级
（5）被动数据获取

5.3.2 缺点

（1）需要搭建MQTT服务器，增加了系统复杂性
（2）不适合大规模网络
（3）通信有一定的开销，可能会影响实时性需求较高的应用

六、总结

6.1 有线与无线

能用有线就用有线，数据质量是第一保证。

6.2 授权与非授权

如果两种无线通线方式效果差别不大都能完成需求时，能不花钱就不花钱，这样可以降低后期成本。

6.3 蓝牙和Zigbee

为什么现在基本手机等设备都是标配蓝牙，而不是zigbee，一个是成本，一个是zigbee大哥飞利浦建的生态系统。但Zigbee得响应速度更快，如果有这个需求的话可以考虑上Zigbee。

6.4 RFID和NFC

RFID是射频识别技术，是识别；NFC是近场通信技术，是通信。

6.5 MQTT和COAP

MQTT和HTTP是基于TCP的协议，CoAP(约束应用协议)是基于UDP的协议。
MQTT是长连接，CoAP协议是无连接。
MQTT通过中间代理传递消息的多对多协议，CoAP协议是Server和Client之间消息传递的单对单协议。
MQTT不支持带有类型或者其它帮助Clients理解的标签消息，CoAP内置内容协商和发现支持，允许设备彼此窥测以找到交换数据的方式。

参考文章：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