1. 摘要

本文作为一个对物联网感兴趣的爱好者的一些收集信息，包括物联网的架构，协议及应用入门，涉及NB-IOT，LoRa，MQTT，NFC,RF-ID,5G等技术，并持续更新中(截止2020.01.31)。
欢迎大家也推荐好的文章。

2. 内容

2.1 物联网定义，类型

物联网（ IoT ,Internet of things ）即“万物相连的互联网”，是互联网基础上的延伸和扩展的网络，将各种信息传感设备与互联网结合起来而形成的一个巨大网络，实现在任何时间、任何地点，人、机、物的互联互通。

2.2 物联网系统的架构示意图

物联网系统的架构示意图

从应用的角度出发，物联网系统可分解为物联设备、网关、云端、用户终端。
物联设备可分为两类，一种因其支持TCP/IP，可以直接接入物联网，如wifi、GPRS/3G/4G等，一种则需要网关（实现协议转换），如zigbee，蓝牙等。
实际上，对于一些场景，比如终端设备通过蓝牙通信的话，则手机本身就相当于网关。笔者的项目中，设备与手机之间通过蓝牙通信，终端数据通过手机的wifi或者3G/4G模块与云端通信。因此只需专注于云端服务的开发上。

2.3 物联网协议层定义和介绍

物联网协议架构图

2.3.1 应用层协议

2.3.1.1 MQTT - 息队列遥测传输协议

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport），是ISO 标准(ISO/IEC PRF 20922)下基于发布/订阅范式的消息协议。它工作在 TCP/IP协议族上，是为硬件性能低下的远程设备以及网络状况糟糕的情况下而设计的发布/订阅型消息协议。
主流的MQTT是基于TCP连接进行数据推送的，但是同样有基于UDP的版本，叫做MQTT-SN。

MQTT通信架构图

实现MQTT协议需要客户端和服务器端通讯完成，在通讯过程中，MQTT协议中有三种身份：发布者（Publish）、代理（Broker）（服务器）、订阅者（Subscribe）。其中，消息的发布者和订阅者都是客户端，消息代理是服务器，消息发布者可以同时是订阅者。
MQTT传输的消息分为：主题（Topic）和负载（payload）两部分：
（1）Topic，可以理解为消息的类型，订阅者订阅（Subscribe）后，就会收到该主题的消息内容（payload）；
（2）payload，可以理解为消息的内容，是指订阅者具体要使用的内容。

参考文章

(1) MQTT 入门介绍 https://www.runoob.com/w3cnote/mqtt-intro.html
(2) MQTT协议服务端：https://github.com/mqtt/mqtt.github.io/wiki/servers
(3) MQTT协议类库：https://github.com/mqtt/mqtt.github.io/wiki/libraries
(4) MQTT协议官网：http://mqtt.org/

2.3.1.2 CoAP协议 - 受限应用协议

CoAP（Constrained Application Protocol，受限应用协议）是一种在物联网世界的类web协议，它的详细规范定义在 RFC 7252。COAP名字顾名思义，使用在资源受限的物联网设备上。物联网设备的ram，rom都通常非常小，运行TCP和HTTP是不可以接受的。

以下是CoAP协议的功能：
•它是非常有效的RESTful协议。
•易于代理到HTTP /从HTTP代理。
•它是开放的IETF标准
•它是嵌入式Web传输协议（coap：//）
•它使用异步事务模型。
•UDP与可靠性和多播支持绑定。
•使用GET，POST，PUT和DELETE方法。
•支持URI。
•它使用小而简单的4字节标头。
•支持绑定到UDP，SMS和TCP。
•使用基于DTLS的PSK，RPK和证书安全性。
•使用MIME类型和HTTP响应代码的子集。
•使用内置的发现机制。

CoAP架构

如图所示，它将普通HTTP客户端扩展到具有资源约束的客户端 这些客户端称为CoAP客户端。代理设备基于HTTP协议弥合了传统环境与典型互联网环境之间的差距。同一服务器负责HTTP和CoAP协议消息。

参考

（1）CoAP 协议全面分析：https://www.cnblogs.com/LJWJL/p/9674712.html
（2）物联网协议Coap协议介绍 https://baijiahao.baidu.com/s?id=1609055547851599818

2.3.1.3 HTTP与HTTPs

这是一种B/S通信模式。浏览器通过http协议的url向服务器发起请求，服务器将url对应的html内容回传给浏览器。至于具体如何请求，解析以及回传，包括https涉及的加密等，参见文章【深度知识】HTTPS协议原理和流程分析。
回到之前的应用上，基于HTTP协议，云端只需使用相应技术设计前端网页。手机需要模拟HTTP协议向服务器发送请求，一般情况下，请求格式为xml或者json。云端接受请求后，使用Http协议的servlet进行响应，返回xml或json格式的消息。

从上面的描述中看出，这种通信方式的缺点也就是它的工作方式：请求——响应。云端不会主动向客户端推送消息，是一种单向通信方式。

在物联网领域往往需要双向通信，需要云端主动向终端发送消息，这里的终端既可以指手机等人机接口，也可以指云控制系统中的执行机构或具有自动控制功能的传感器网络。

2.3.1.4 WEBSOCKET协议

websocket 协议在 2008 年诞生，2011年成为国际标准。现在所有浏览器都已经支持了。Websocket 的最大特点是，服务器可以主动向客户端推送消息，客户端也可以主动向服务器发送消息，是真正的双向平等对话。

HTTP 和 Websocket信令交互图

WEBSOCKET的特点包括：
（1）建立在 TCP 协议之上，服务器端的实现比较容易。
（2）与 HTTP 协议有着良好的兼容性。默认端口也是80和443，并且握手阶段采用 HTTP 协议，因此握手时不容易屏蔽，能通过各种 HTTP 代理服务器。
（3）数据格式比较轻量，性能开销小，通信高效。
（4）可以发送文本，也可以发送二进制数据。
（5）没有同源限制，客户端可以与任意服务器通信。
（6）协议标识符是ws（如果加密，则为wss），服务器网址就是 URL。

参考

(1) WebSocket 教程：http://www.ruanyifeng.com/blog/2017/05/websocket.html

2.3.2 物理层/数据链路层协议

2.3.2.1 NB-IoT - 窄带物联网

NB-IoT（Narrow Band Internet of Things）是万物互联网络的一个重要分支。NB-IoT构建于蜂窝网络，只消耗大约180kHz的带宽，可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络，以降低部署成本、实现平滑升级。

（1）NB-IoT的特点和网络架构

NB-IoT具备广覆盖、大容量、低功耗、低成本的特点：
一是广覆盖，将提供改进的室内覆盖，在同样的频段下，NB-IoT比现有的网络增益20dB，相当于提升了100倍覆盖区域的能力;
二是具备支撑连接的能力，NB-IoT一个扇区能够支持10万个连接，支持低延时敏感度、超低的设备成本、低设备功耗和优化的网络架构;
三是更低功耗，NB-IoT终端模块的待机时间可长达10年;
四是更低的模块成本，企业预期的单个接连模块不超过5美元。

NB-IOT整体架构

（2）NB-IoT支持的3种部署

NB-IoT支持在频段内(In-Band)、保护频段(Guard Band)以及独立(Stand-alone)共三种部署方式。
<1> 独立部署（Stand alone operation）简称ST
不依赖LTE，与LTE可以完全解耦，适合用于重耕GSM频段，GSM的信道带宽为200KHz，这刚好为NB-IoT 180KHz带宽辟出空间，且两边还有10KHz的保护间隔。

<2> 保护带部署（Guard band operation）简称GB
不占LTE资源，利用LTE边缘保护频带中未使用的180KHz带宽的资源块

<3> 带内部署（In-band operation）简称IB
占用LTE的1个PRB资源，可与LTE同PCI，也可与LTE不同PCI，一般来说如果采用的是IB方式，倾向于设置为与LTE同PCI，它利用LTE载波中间的任何资源块。

三种部署方式对比

参考

（1）2019年，NB-IoT这盘棋如何下？
http://news.rfidworld.com.cn/2019_02/ccf6042bf09eb871.html

（3）NB-IoT到底有多好？分析NB-IoT在智能锁、定位器领域的优势！
http://www.yidianzixun.com/article/0Il9xT2E
【说明】
<1>实时传输，NB-IoT小胜（智能锁）
-智能锁功耗，用NB比用GSM小了2/3，且基站推送信息比服务器推送信息更稳定。
<2>低延迟传输，NB-IoT大胜（定位器）
定位器功耗，使用NB比GSM，小了近90%。
<3>高延迟传输，NB和GSM打平手（远程抄表）
基数非常低，都是0.01mA以下，可以认为对实际使用影响不大。

(4) NB-IOT和传统物联网/互联网差异巨大
http://www.iotworld.com.cn/html/News/201802/ffe529a1c4f8dd99.shtml

(5)NB-IoT的DRX、eDRX、PSM三个模式怎么用？通俗解释，看完就懂！
https://blog.csdn.net/lightrour/article/details/97246046
【说明】DRX 英文全称 Discontinuous Reception 非连续接收，DRX待机功耗1mA左右
eDRX 英文全称 Extended idle-mode DRX cycle,扩展不连续接受。网络先开一会、再停一会。 开的时候能收到数据，停的时候收不到数据。停的时间从几十秒到几个小时，可以配置。（eDRX 5分钟间隔的待机功耗在0.2mA左右）
PSM 英文全称 Power Saving Mode,相当于把eDRX开关网络的频率放的更低，低至几天打开一次网络。

（6）NB-IoT那么强势，LoRa还能继续下去么？燚智能广域物联网架构规划
https://www.chinafix.com/article-29859-1.html
【说明】LoRa需要自建基站，用于无运营商基站的地方最合适。
最适合LoRa的：智慧畜牧养殖、牛羊位置监控、偏远农场林场数据采集、考古勘探等户外人员管理等。
不合适LoRa的：大范围移动的如共享单车、汽车定位追踪、物流监控等。

2.3.2.2 LoRa - 远距离传输

LoRa（Long Range ）是semtech公司创建的低功耗局域网无线标准，它最大特点就是在同样的功耗条件下比其他无线方式传播的距离更远，实现了低功耗和远距离的统一，它在同样的功耗下比传统的无线射频通信距离扩大3-5倍。LoRa联盟于2015年上半年由思科（Cisco）、IBM和升特（Semtech）等多家厂商共同发起创立
LoRaWAN是为LoRa远距离通信网络设计的一套通讯协议和系统架构，LoRa是LoRaWan的一个子集，LoRa仅仅包括物理层定义，LoRaWan还包括了链路层。
传输距离：城镇可达2-5 Km ， 郊区可达15 Km 。
工作频率：ISM 频段 包括433、868、915 MH等。
标准：IEEE 802.15.4g。
调制方式：基于扩频技术，线性调制扩频（CSS）的一个变种，具有前向纠错（FEC）能力，semtech公司私有专利技术。
容量：一个LoRa网关可以连接上千上万个LoRa节点。
电池寿命：长达10年。
安全：AES128加密。
传输速率：几百到几十Kbps，速率越低传输距离越长，这很像一个人挑东西，挑的多走不太远，少了可以走远。

参考

2.3.2.3 BlueTooth - 蓝牙

BlueTooth蓝牙技术是爱立信公司发布，是一种无线数据和语音通信开放的全球规范,支持设备短距离通信（一般10m内）的无线电技术，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。

参考

2.3.2.4 RF-ID - 射频识别

RFID是Radio Frequency Identification的缩写，即射频识别，是一种非接触式的自动识别技术，其基本原理是电磁理论，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据。常称为感应式电子芯片或感应卡、非接触式卡、电子标签、电子条码等。识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便。

RFID系统构成

最基本的RFID系统由电子标签、读写器和计算机网络等这三部分组成构成。
（1） 电子标签（Tag）：电子标签包含电子芯片和天线，天线在标签和读取器间传递射频信号，电子芯片用来存储物体的数据，天线用来收发无线电波。
电子标签按供电方式分为无源电子标签、有源电子标签和半有源电子标签三种：
　无源电子标签：标签内部没有电池，其工作能量均需阅读器发射的电磁场来提供，重量轻、体积小、寿命长、成本低，可制成各种卡片，是目前最流行的电子标签形式。其识别距离比有源系统要小，一般为几米到十几米，而且需要较大的阅读器发射功率。
　有源电子标签：通过标签内部的电池来供电，不需要阅读器提供能量来启动，标签可主动发射电磁信号，识别距离较长，通常可达几十米甚至上百米，缺点是成本高寿命有限，而且不易做成薄卡。
　半有源电子标签：内有电池，但电池只对标签内部电路供电，并不主动发射信号，其能量传递方式与无源系统类似，因此其工作寿命比一般有源系统标签要长许多。
（2） 读写器（Reader）：利用射频技术读写电子标签的设备，读写器接收电子标签的数据信息，并将其传送给外部主机。

（3） 计算机网络（Computer）：读写器通过标准接口与计算机网络连接，计算机网络完成数据的处理、传输和通信的功能。

系统的基本工作流程是：阅读器通过发射天线发送一定频率的射频信号，当射频卡进入发射天线工作区域时产生感应电流，射频卡获得能量被激活;射频卡将自身编码等信息通过卡内置发送天线发送出去;系统接收天线接收到从射频卡发送来的载波信号，经天线调节器传送到阅读器，阅读器对接收的信号进行解调和解码然后送到后台主系统进行相关处理;主系统根据逻辑运算判断该卡的合法性，针对不同的设定做出相应的处理和控制，发出指令信号控制执行机构动作。

RFID的工作频率

目前定义RFID产品的工作频率有低频、高频和超高频的频率范围内的符合不同标准的不同的产品，而且不同频段的RFID产品会有不同的特性。其中感应器有无源和有源两种方式。
　　一、低频 （从125KHz到134KHz）
　　特性：
　　1. 工作在低频的感应器的一般工作频率从120KHz到134KHz，TI德州仪器的工作频率为134.2KHz。该频段的波长大约为2500m.
　　2. 除了金属材料影响外，一般低频能够穿过任意材料的物品而不降低它的读取距离。
　　3. 工作在低频的读写器在全球没有任何特殊的许可限制。
　　4．低频产品有不同的封装形式。好的封装形式价格太贵，但是有10年以上的使用寿命。
　　5．虽然该频率的磁场区域下降很快，但是能够产生相对均匀的读写区域。
　　6．相对于其他频段的RFID产品，该频段数据传输速率比较慢。
　　7．感应器的价格相对与其他频段来说要贵。

　　二、高频（工作频率为13.56MHz）
　　特性：
　　1. 工作频率为13.56MHz，该频率的波长大概为22m。
　　2. 除了金属材料外，该频率的波长可以穿过大多数的材料，但是往往会降低读取距离。感应器需要离开金属一段距离。
　　3. 该频段在全球都得到认可并没有特殊的限制。
　　4. 感应器一般以电子标签的形式。
　　5. 虽然该频率的磁场区域下降很快，但是能够产生相对均匀的读写区域。
　　6. 该系统具有防冲撞特性，可以同时读取多个电子标签。
　　7. 可以把某些数据信息写入标签中。
　　8. 数据传输速率比低频要快，价格不是很贵。

　　三、超高频（工作频率为860MHz到960MHz之间）
　　特性：
　　1． 在该频段，全球的定义不是很相同－欧洲和部分亚洲定义的频率为868MHz，北美定义的频段为902到905MHz之间，在日本定义的频段为950到956之间。该频段的波长大概为30cm左右。
　　2． 目前，该频段功率输出目前统一的定义（美国定义为4W，欧洲定义为500mW）。 可能欧洲限制会上升到2W EIRP（有效全向辐射功率）。
　　3． 超高频频段的电波不能通过许多材料，特别是水，灰尘，雾等悬浮颗粒物质。相对于高频的电子标签来说，该频段的电子标签不需要和金属分开来。
　　4． 电子标签的天线一般是长条和标签状。天线有线性和圆极化两种设计，满足不同应用的需求。
　　5． 该频段有很好的读取距离，但是对读取区域很难进行定义。
　　6． 有很高的数据传输速率，在很短的时间可以读取大量的电子标签。
　　有源RFID技术（2.45GHz、5.8G）
　　有源RFID具备低发射功率、通信距离长、传输数据量大，可靠性高和兼容性好等特点，与无源RFID相比，在技术上的优势非常明显。被广泛地应用到公路收费、港口货运管理等应用中。

参考

（1）RFID的工作原理和RFID的工作频率http://www.elecfans.com/tongxin/rf/20170515516347.html
（2）一文了解NFC技术的原理、特点及应用
http://www.elecfans.com/news/wangluo/20161228464963.html

2.3.2.5 NFC - 近场通信

NFC（Near Field Communication）近场通信，又称近距离无线通信，是一种短距离的高频无线通信技术，允许电子设备之间进行非接触式点对点数据传输（在十厘米内）交换数据。这个技术由免接触式射频识别（RFID）演变而来，并向下兼容RFID。NFC通过在单一芯片上集成感应式读卡器、感应式卡片和点对点通信的功能，利用移动终端实现移动支付、电子票务、门禁、移动身份识别、防伪等应用。

NFC技术的起源却要从2003年说起。当时的飞利浦和索尼两家公司计划基于非接触式卡技术发展一种与之 兼容的无线通讯技术，是一种可兼容当前 ISO14443 非接触式卡协议的无线通讯技术。
NFC Forum在全球拥有数百个成员，包括：NOKIA、SONY、　Philips、LG、摩托罗拉、NXP、NEC、三星、atoam、Intel、其中 中国成员有魅族、步步高、vivo、OPPO、小米、中国移动、华为、中兴、上海同耀和台湾正隆等公司。

NFC原理及特点

与RFID一样，NFC信息也是通过频谱中无线频率部分的电磁感应耦合方式传递。NFC通过设备之间进行非接触式点对点数据传输（在十厘米内）交换数据。该模式和红外线差不多，可用于数据交换，只是传输距离较短，传输创建速度较快，传输速度也快些，并且功耗低。

NFC与蓝牙的功能非常相像，都是短程通信技术，而且都被集成到移动电话。但NFC不需要复杂的设置程序。因此，NFC也可以简化 版的蓝牙功能。但其速度却不如蓝牙。NFC的最大数据传输量 424 kbit/s 远小于 Bluetooth V2.1 （2.1 Mbit/s）。

NFC与RFID的区别

首先，NFC是一种提供轻松、安全、迅速的通信的无线连接技术，其传输范围比 RFID小，RFID的传输范围可以达到几米、甚至几十米，但由于NFC采取了独特的信号衰减技术，相对于RFID来说NFC具有距离近、带宽高、能耗低等特点。
其次，NFC与现有非接触智能卡技术兼容，目前已经成为得到越来越多主要厂商支持的正式标准。再次，NFC还是一种近距离连接协议，提供各种设备间轻松、安全、迅速而自动的通信。与无线世界中的其他连接方式相比，NFC是一种近距离的私密通信方式。
最后，RFID更多的被应用在生产、物流、跟踪、资产管理上，而NFC则在门禁、公交、手机支付等领域内发挥着巨大的作用。

NFC、红外和蓝牙同为非接触传输方式，它们具有各自不同的技术特征，可以用于各种不同的目的，其技术本身没有优劣差别。

NFC和RFID的价格

参考

（1）NFC-近场通信
https://baike.baidu.com/item/%E8%BF%91%E5%9C%BA%E9%80%9A%E4%BF%A1/9741433?fromtitle=nfc&fromid=5684&fr=aladdin

2.3.2.6 ZigBee

ZigBee，也称紫蜂，是一种低速短距离传输的无线网上协议，底层是采用IEEE 802.15.4标准规范的媒体访问层与物理层。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。传输范围一般介于10～100m之间，ZigBee的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需15ms，2.4G频段，提供20～250kbps的速率。
ZigBee的目标市场主要有PC外设(鼠标、键盘、游戏操控杆)、消费类电子设备(TV、VCR、CD、VCD、DVD等设备上的遥控装置)、家庭内智能控制(照明、煤气计量控制及报警等)、玩具(电子宠物)、医护(监视器和传感器)、工控(监视器、传感器和自动控制设备)等。

参考

2.3.2.7 GSM - 全球移动通信系统

全球移动通信系统(Global System for Mobile Communications) ，缩写为GSM，由欧洲电信标准组织ETSI制订的一个数字移动通信标准。它的空中接口采用时分多址技术，GSM被看作是第二代 (2G)移动电话系统，目前也用于物联网技术通信。

参考

2.3.2.8 LTE - 长期演进技术

LTE（Long Term Evolution，长期演进)是由3GPP（The 3rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴计划）组织制定的UMTS（Universal Mobile Telecommunications System，通用移动通信系统）技术标准的长期演进，LTE系统引入了OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用）和MIMO（Multi-Input & Multi-Output，多输入多输出）等关键技术，显著增加了频谱效率和数据传输速率（20M带宽2X2MIMO在64QAM情况下，理论下行最大传输速率为201Mbps。
LTE技术主要存在TDD和FDD两种主流模式，两种模式各具特色。其中，FDD-LTE在国际中应用广泛，而TD-LTE在我国较为常见。LTE（Long Term Evolution，长期演进）项目是3G 的演进，是3G与4G技术之间的一个过渡，是3.9G的全 球标准。它改进并增强了3G的空中接入技术，采用 OFDM和MIMO作为其无线网络演进的唯一标准。在 20MHz频谱带宽下提供下行100Mbit/s与上行50Mbit/s 的峰值速率，改善了小区边缘用户的性能，提高小区 容量和降低系统延迟。

参考

2.3.2.9 5G - 第五代移动通信技术

第五代移动通信技术（英语：5th generation mobile networks或5th generation wireless systems、5th-Generation，简称5G或5G技术）是最新一代蜂窝移动通信技术，也是即4G（LTE-A、WiMax）、3G（UMTS、LTE）和2G（GSM）系统之后的延伸。5G的性能目标是高数据速率、减少延迟、节省能源、降低成本、提高系统容量和大规模设备连接。Release-15中的5G规范的第一阶段是为了适应早期的商业部署。Release-16的第二阶段将于2020年4月完成。ITU IMT-2020规范要求速度高达20 Gbit/s，可以实现宽信道带宽和大容量MIMO。
网络特点：
峰值速率需要达到Gbit/s的标准，以满足高清视频，虚拟现实等大数据量传输。
空中接口时延水平需要在1ms左右，满足自动驾驶，远程医疗等实时应用。
超大网络容量，提供千亿设备的连接能力，满足物联网通信。
频谱效率要比LTE提升10倍以上。
连续广域覆盖和高移动性下，用户体验速率达到100Mbit/s。
流量密度和连接数密度大幅度提高。
系统协同化，智能化水平提升，表现为多用户，多点，多天线，多摄取的协同组网，以及网络间灵活地自动调整。

2.3.2.10 NB-IOT、LoRa、Zigbee、WIFI、蓝牙组网对比

3. 参考

（1）【汇总】物联网基础知识！物联网开发入门，看这篇文章就够了！
https://www.jianshu.com/p/32f0c51a6fc6

（2）物联网常见通信协议与通讯协议梳理【上】- 通讯协议
https://zhuanlan.zhihu.com/p/27988243

（3）物联网学习之系统架构
http://www.drzhang3.com/index.php/archives/5/
【评价】介绍架构和协议

（4）不是工程师也能轻松看懂、零基础看懂LoRa物联网、SRRC、CTA、CCC
https://www.pig66.com/2019/145_0327/17776956.html

（5）十大物联网通讯技术优缺点及应用场景对比分析
http://www.four-faith.com/2019/industry_1112/1019.html