物联网(IoT)设备有几十种不同的通信方式，使用数百种不同的协议。这是因为他们的交流方式取决于他们是什么，他们在哪里，他们需要与什么其他设备和系统交谈，以及他们必须要说什么。没有单一的最佳协议，它本质上是用于从一个物联网设备路由消息到另一个物联网设备的通用“语言”。正确的选择总是取决于应用程序的特定需求。
还有一些限制因素需要考虑。设备的电力预算是多少?成本限制是什么?对物理规模、安全性、上市时间、地理区域和远程维护有什么要求?在本文中，我们将了解物联网通信系统的嵌入式组件，并讨论不同的需求和上下文如何决定每个用例的最佳解决方案。
物联网设备通信组件
虽然物联网系统有许多不同的体系结构，但大多数包括以下组件:
- 物联网设备-从最小的温度传感器到巨大的工业机器人
- 本地通信——设备用来与相邻设备通信的方法
- 应用程序协议——定义如何传输信息内容的框架
- 网关——翻译和重新传输信息，通常将本地设备网络连接到Internet
- 网络服务器——管理物联网数据的接收和传输的系统，通常位于云数据中心内
- 云应用——将物联网数据处理成有用的信息，并展示给用户
- 用户界面-在这里人们可以看到物联网信息，操作它，并向物联网设备发出命令
物联网设备
当我们谈论物联网设备时，我们通常描述的是环境传感器、连接电器、车辆跟踪器，甚至是装配线机器。虽然物联网设备可以说是任何可以与互联网通信的电子设备，但我们通常不是指手机或一般使用的电脑。
通常情况下，我们专注于那些用途较窄的设备，比如控制家里的灯，或者跟踪生产化学品的储罐水平。作为一个例子，下图显示了一个工业坦克传感器之间的连接
Digi XBee®无线电模块，与一个网关通信，该网关包含一个
Digi ConnectCore®系统模块(SOM)。
连接无线设备
许多这类设备最初并不具备互联网功能，必须通过售后解决方案进行修改才能联网。然而，越来越多的物联网功能被设计到新设备中，它们可以大大降低成本并改善功能。
尽管物联网设备因其所满足的需求而异，但几乎总是包含一些基本组件。例如:
- 通常会有一个传感器来检测物理事件，比如运动或漏水。
- 也可能有执行器，创造物理变化，如打开一盏灯或关闭阀门。
- 这些传感器和执行器与一个或多个微处理器连接，运行驱动物联网功能的逻辑。
- 作为一个连接设备，它必须至少有一个通信组件，要么是某种类型的无线电，要么是像以太网这样的有线通信方法。
- 物联网设备通常由电池驱动，因此在选择设备、设计功能和创建通信策略时，电源管理是一个关键考虑因素。
所有这些组件将被安置在某种类型的外壳，通常是相当小的一个。根据环境的不同，这个外壳可能需要密封和防水，或者它可能需要大量通风来管理热量。由于物联网设备经常大量部署，因此合理的成本是至关重要的。当这些便士变成数百万的时候，每一分钱都很重要。
本地通信方法和协议
每个物联网设备都需要通信。有些设备只发送信息;许多其他的既发送又接收。虽然一些与对等设备的通信是直接的，但远程通信通常需要通过网关才能到达目的地。无论该设备的信息需要发送到哪里，每一段旅程都始于第一步。
下图说明了无线通信的一个模型，以及无线网络中的每个“节点”如何发挥既定的作用。正如您在这个被称为“星型网络”的示例中所看到的，一个智能无线模块将通信协调到充当路由器的设备，然后它们将通信移动到终端设备。
对于无线设备和协议的不同组合，场景会发生变化。在下面的图表中，您可以看到如何通过使用不同的无线协议来构建网络以各种方式运行。最佳协议取决于许多因素，例如网络上通信节点之间的距离。
物联网通信的第一步或“跳”将是有线或无线。有线连接可能使用简单的串行协议，但最常见的是使用像以太网这样的网络系统，允许“直接”Internet协议(TCP/IP)连接到网络服务器或云应用程序。通过互联网传递的消息经过许多不同的设备，然而作为物联网架构师，我们可以安全地将这一过程抽象出来。有线连接是快速和可靠的，然而，运行物理电缆往往太昂贵或不切实际。当然，对于任何移动的东西来说，电线是不可能的。
物联网的无线通信几乎都是通过无线电进行的，有数百种无线电协议可供选择。有几个很受欢迎。下面是一些流行通信协议的高级概述:
- 有些设备使用Wi-Fi，只要能满足电源需求，并且复杂的处理和配置需求不会造成障碍，Wi-Fi就有很多优势。Wi-Fi本机运行TCP/IP协议，因此一旦配置好，我们就可以将互联网本身的复杂性抽象化。
- 无线个域网和Z-wave都是家庭自动化网络领域的大牌，因为它们都针对低功耗、低带宽的通信进行了优化，并且都允许家里的设备直接彼此通话，以提高速度和安全性。两者都不直接支持Internet协议，因此本地以外的通信通常通过网关路由。
- LoRaWAN协议在低带宽物联网中也越来越受欢迎。它结合了远程和极低的带宽，支持只有非常小的内容的设备的几英里的视线范围。
- 蓝牙和它的低能耗姊妹BLE在简单的物联网设备中非常受欢迎。两者都不能远距离通信，所以另一种设备——通常是移动电话——将被用来促进远距离通信。
- 蜂窝网络现在可以很容易地容纳物联网设备。新的细胞协议Cat-M而且NB-IoT允许电池驱动的设备在不充电的情况下运行几个月，以换取非常有限的带宽。
- 其他协议如4 g LTE而且5克需要更大的功率，但也可以处理更重的数据，如数字视频。
- 也有许多专为特殊距离需求、特殊带宽需求、困难的无线电环境和成本优化而调整的专有和单一制造商协议。没有一种协议能统一所有的规则。每个项目都有自己的最佳解决方案。
计算机网络框架通常在虚拟层中构建。最低层处理物理部分，电线或无线电波。接下来是协调消息如何形成、寻址、路由和确认的层。这些中间层很吸引人，但超出了本文讨论的范围。
最高层管理有用的内容，通常称为“应用程序”，如
OSI组网模式OSI代表开放系统互连(Open Systems Interconnection)，该模型是描述网络功能的组件或层的概念框架。
应用层是物联网真正完成的工作，它可以以多种不同的方式发生。当来自许多不同制造商的设备需要合作完成工作时，有一个关于特定工作的标准沟通方式是非常有用的。一些无线协议对诸如灯光控制、安全或音频流等常见任务的消息传递进行了标准化。
Zigbee、蓝牙和Z-Wave都包含提供标准语言的应用协议，例如，一个公司生产的电灯开关可以打开其他公司生产的三盏不同的灯。
其他应用程序协议更为通用。MQTT和CoAP都是非常轻量级的应用程序协议，它们将不同设备之间的通信标准化，而不将消息传递限制为特定的任务。因为它们很轻，所以消耗的带宽和电能都非常少，是电池驱动设备的理想选择。
具有更大功率和带宽的设备可以通过HTTP (web背后的协议)使用RESTful通信。这个被广泛实施的框架也是任务无关的，但因为它的设计没有考虑到极高的效率，它会很快耗尽一个小型物联网设备的电池和带宽，应该谨慎实施。
网关
当一个设备不能直接运行Internet协议(TCP/IP)时，它通常会将消息传递给另一个称为网关的设备。这个网关将处理和转发来自因特网的消息。
网关帮助物联网设备保持小巧、电池供电和廉价，因为它们通常作为一个本地基站处理多个设备。例如，以下是一些现实生活中的场景:
- 运行蓝牙/BLE的可穿戴设备通常使用移动电话作为连接互联网的网关。只要手机和设备彼此靠近，这种方法就能很好地工作。
- 家庭自动化协议，如Zigbee, Z-Wave和LoRaWAN不能由手机直接处理，也没有意义，因为手机不停留在固定的位置。这些协议和私有协议通常使用接入墙壁电源和以太网、Wi-Fi或蜂窝网络的网关盒。他们使用自己的原生协议(如Zigbee)从设备接收信息，处理接收到的信息，然后通过互联网转发。
- 工业环境，如太阳能场和风力发电场，需要一个加固的工业网关来路由来自分布在远程设备网络上的设备的通信，如下图所示。
这种“多跳”网关过程允许能力有限的设备连接到遥远的位置，通常使用一系列不同的协议来完成任务。网关通常使用诸如MQTT、REST或CoAP等应用程序协议来连接网络服务器或云应用程序，这些应用程序通常位于某个远程数据中心中。
网络服务器和云应用程序
大多数物联网通信最初是由某种类型的网络服务器接受和处理的。某些协议需要它来完成低级别的工作，比如冗余消息的去重复和特殊协议格式的转换。即使在协议不需要额外处理的情况下，拥有一个不仅能管理通信，而且能在设备本身上进行配置、保护和报告的系统也是非常有用的。
数字远程管理器®是该职位的领导者，专注于为Digi的模块、网关和路由器的用户提供最佳的云体验。其他服务如AWS和Azure提供物联网数据处理和一些更通用的设备管理，这些系统可以一起协作，提供定制的解决方案。
一旦网络服务器完成了它的工作，数据通常会与云应用程序交换，后者将完成物联网数据转化为有用的信息，提供给人类用户，并存储它以供后续分析。云应用程序通常与AWS或Azure等平台上的其他网络服务一起运行。它们通常使用Node.js、Python或Java等语言创建，并绑定到SQL或NoSQL数据库，以管理来自物联网设备的雪崩数据。
并非每个系统都需要大数据中心。即使是像树莓派这样的小型业余电脑也能完成云巨头提供的大部分功能，尽管规模确实有限。一个活的网络有许多相互关联的组件在工作，以确保数据在需要的时间和地点被传输。
- 云服务器完成了将数据(关于世界的原始事实)转化为有用信息的过程。
- 电表发出的脉冲被转化为发电厂是否上线的决策。
- 温度数据被转化为天气预报。信息是双向流动的，因此云服务器还可以管理从红绿灯到鸡舍喂食器的各种传出命令。
即使有了所有这些技术，仍然需要人类的互动。因此，云服务器的一项关键任务是提供将人们带入循环的用户界面。
用户界面
用户界面是物联网通信链的最后一步。它们也是命令链的第一步，命令链将流经系统，供一个或多个物联网设备执行。有许多类型的用户界面，一个物联网解决方案通常支持不止一种。
人们可以通过网站、智能手机应用程序、特殊的桌面应用程序或间接通过与Salesforce等业务服务的API集成与系统进行交互。并非所有的交互都是远程进行的。一些物联网设备被设计为支持直接访问和配置，无论是通过板载触摸屏，甚至只是一些开关。无论采用何种方法，用户界面都是橡胶与道路的交汇处。它是人们释放物联网系统和他们创造的信息的全部价值的地方。
电灯开关示例
这里有一个简单的家庭自动化系统的例子，它使用了所有这些组件。房主想要用本地开关控制他们的餐厅灯，还能远程开关灯。他们选择了一个包括电池供电的物联网墙开关的系统。它使用Zigbee无线协议直接与灯通信。
该协议包括一种专门为照明设计的语言。由于Zigbee是一种低带宽协议，不需要太多的功率，因此它的范围也受到了限制。因此，对于远程访问，系统自带一个小型网关。网关将Zigbee消息转换为MQTT应用程序协议，并将其传递给运行家庭自动化系统应用程序的网络和云服务器。这个云应用程序与房主使用的移动应用程序进行通信。无论是在家里，还是在另一个完全不同的大陆，他们都可以看到餐厅灯光的当前状态，并立即控制它。
您可以了解更多关于Zigbee的
Zigbee网状组网页面。Zigbee是支持的众多协议之一
Digi XBee无线电模块．Digi生产全系列的无线电模块、物联网开发套件、网关、蜂窝路由器和远程物联网管理。当你准备好设计自己的系统时，Digi提供
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