物聯網通訊協定的全面分析

隨著物聯網設備數量的持續增長，設備間的通訊或連接已成為人們關注的重要議題。通訊對於物聯網至關重要，無論是短距離無線傳輸技術還是行動通訊技術，都對物聯網的發展產生深遠的影響。在通訊中，通訊協定尤為重要。它們是通信雙方必須遵循的規則和約定，以完成通信或服務。本文介紹了幾種可用的物聯網通訊協議，它們在效能、資料速率、覆蓋範圍、功耗和記憶體等方面各不相同，各有優缺點。其中一些通訊協定僅適用於小型家用電器，而有些則可用於大型智慧城市專案。物聯網通訊協定分為兩類：存取協定和通訊協定。存取協定通常負責子網路內設備間的聯網和通訊；通訊協定主要是基於傳統互聯網TCP/IP協定的設備間通訊協議，負責透過網際網路進行設備間的資料交換和通訊。

1. 物理層和資料鏈結層協議

1. 遠距離蜂窩通信

（1）2G/3G/4G 通訊協定分別指第二代、第三代和第四代行動通訊系統協定。

（2）窄頻物聯網

窄頻物聯網 (NB-IoT) 已成為萬物互聯 (IoT) 的重要分支。 NB-IoT 基於蜂窩網路構建，僅消耗約 180kHz 的頻寬。它可以直接部署在 GSM、UMTS 或 LTE 網路上，從而降低部署成本並實現平滑升級。 NB-IoT 專注於低功耗廣域 (LPWA) 物聯網市場，是一項可在全球廣泛應用的新興技術。它具有覆蓋範圍廣、多連接、速度快、成本低、功耗低、架構優等等特性。

應用情境：NB-IoT 網路帶來的應用情境包括智慧停車、智慧消防、智慧供水、智慧路燈、共享單車和智慧家電。

（3）5G

第五代行動通訊技術是最新一代蜂窩行動通訊技術。 5G 的效能目標是高資料速率、低延遲、節能、降低成本、提高系統容量和實現大規模設備連線。

Application scenarios: AR/VR, Internet of Vehicles, smart manufacturing, smart energy, wireless medical care, wireless home entertainment, connected drones, ultra-high definition/panoramic live broadcast, personal AI assistance, and smart cities.

2. 遠距離非蜂窩通信

（1）無線網路

由於家用WiFi路由器和智慧型手機在過去幾年迅速普及，WiFi協定也廣泛應用於智慧家庭領域。 WiFi協定最大的優勢在於可以直接連接到網路。與ZigBee相比，採用WiFi協定的智慧家庭解決方案無需額外的網關；與藍牙協定相比，它無需依賴手機等行動終端。

商業WiFi在城市公共交通和購物中心等公共場所的覆蓋無疑展現了商業WiFi在場景應用中的潛力。

（2）ZigBee

ZigBee是一種用於低速短距離傳輸的無線通訊協議，它是一種高可靠性的無線資料傳輸網路。其主要特點是低速、低功耗、低成本、支援大量線上節點、支援多種線上拓撲結構、低複雜度、快速、可靠且安全。 ZigBee技術是近年來出現的新技術，主要依靠無線網路進行傳輸，可在短距離內建立無線連接，是一種無線網路通訊技術。

ZigBee技術的固有優勢使其逐漸成為物聯網產業的主流技術，並已廣泛應用於工業、農業、智慧家居等領域。

（3）洛拉

LoRa（LongRange，遠距離）是一種調製技術，其通訊距離比同類技術更遠。 LoRa網關、煙霧感測器、水質監測、紅外線偵測、定位、電源插座等物聯網產品均有廣泛應用。作為一種窄頻無線技術，LoRa利用到達時間差（TDA）實現地理定位。 LoRa定位的應用情境包括：智慧城市與交通監控、計量物流、農業定位監測等。

3. 近場通信

（1）RFID

RFID是無線射頻辨識（Radio Frequency Identification）的縮寫。其原理是讀寫器與標籤之間進行非接觸式資料通信，從而實現目標識別。 RFID應用廣泛，典型應用包括動物晶片、汽車晶片警報器、門禁系統、停車場管理、生產線自動化和物料管理等。完整的RFID系統由三個部分組成：讀寫器（Reader）、電子標籤（Tag）和資料管理系統。

（2）NFC

NFC的中文全名為近場通訊技術（Near Field Communication Technology）。 NFC基於非接觸式無線射頻辨識（RFID）技術，並結合無線互聯技術發展而來，為日益普及的各種電子產品提供了一種安全且快速的通訊方式。 NFC中文名稱中的「近場」指的是無線電波接近電磁場的區域。

應用場景：可用於門禁、考勤、訪客登記、會議簽到、巡邏等領域。 NFC具備人機互動與機器互動等功能。

（3）藍牙

藍牙技術是一種開放的全球無線數據和語音通訊規範。它是一種特殊的短距離無線連接技術，基於低成本的短距離無線連接，為固定和行動裝置建立通訊環境。

藍牙技術可在包括手機、PDA、無線耳機、筆記型電腦、相關週邊設備等在內的多種裝置之間進行無線資訊交換。使用「藍牙」技術可以有效簡化行動通訊終端設備之間的通信，也可以成功簡化設備與互聯網之間的通信，從而使數據傳輸更快、更高效，拓寬無線通信的途徑。


4. 有線通訊

（1）優盤

USB，全名為通用序列匯流排（Universal Serial Bus），是一種用於規範電腦與外部裝置之間連接和通訊的外部匯流排標準。它是一種應用於個人電腦領域的介面技術。

(2) 串行通訊協議

串列通訊協定是指規定資料包內容的規範，資料包包含起始位元、主資料、校驗位元和停止位元。通訊雙方需要就一致的資料包格式達成一致，才能正常地傳送和接收資料。串列通訊中常用的協定包括RS-232、RS-422和RS-485。

串行通訊是指透過數據線在電腦和周邊設備之間逐位傳輸數據的通訊方式。這種通訊方式使用的數據線較少，可以節省長距離通訊的成本，但其傳輸速度低於並行傳輸。大多數電腦（不包括筆記型電腦）都配備兩個RS-232序列埠。串行通訊也是儀器儀表中常用的通訊協定。

(3) 以太網

乙太網路是一種電腦區域網路技術。 IEEE 組織的 IEEE 802.3 標準制定了乙太網路的技術標準，其中規定了包括實體層佈線、電子訊號和介質存取層協定在內的內容。

（4）MBus

MBus遠端抄表系統（symphonic mbus）是符合歐洲標準的2線匯流排，主要用於熱量表和水錶等消耗測量儀器。

2. 網路層和傳輸協議

1、IPv4

網際網路通訊協定版本4（IPv4）是網際網路協定發展過程中的第四次修訂，也是該協定第一個廣泛部署的版本。 IPv4是網際網路的核心，也是目前使用最廣泛的網際網路協定版本。

2、IPv6

網際網路協定版本6之所以被採用，是因為IPv4最大的問題是網路位址資源有限，嚴重限制了網際網路的應用與發展。 IPv6的使用不僅解決了網路位址資源數量不足的問題，也解決了多設備接取網路的障礙。

3.TCP協議

傳輸控制協定 (TCP) 是一種面向連接的、可靠的、基於位元組流的傳輸層通訊協定。 TCP 旨在適應支援多種網路應用的分層協定層次結構。 TCP 用於在連接到不同但相互連接的電腦通訊網路的同一台主機上的進程對之間提供可靠的通訊服務。 TCP 假定它可以從底層協定取得簡單但可能不可靠的資料封包服務。

4、6LoWPAN

6LoWPAN 是一種基於 IPv6 的低速無線個域網路標準，即基於 IEEE 802.15.4 的 IPv6。

3. Application layer protocol

1、MQTT協議

MQTT（訊息佇列遙測傳輸協定）是一種遙測傳輸協議，主要提供訂閱和發布兩種訊息模式。它簡單、輕量且易於使用，尤其適用於頻寬受限、網路延遲高、網路通訊不穩定等環境下的訊息分發。 MQTT是物聯網（IoT）的標準傳輸協定之一。

In many cases, including in constrained environments such as machine-to-machine (M2M) communications and the Internet of Things (IoT). It has been widely used in communication sensors through satellite links, medical equipment for occasional dialing, smart homes, and some miniaturized devices.

2、CoAP協議

CoAP (Constrained Application Protocol) is a Web-like protocol in the Internet of Things world. It is suitable for small low-power sensors, switches, valves and similar components that need to be remotely controlled or monitored through a standard Internet network. The server does not need to respond to unsupported types.

3、REST/HTTP協議

RESTful is a resource-based software architecture style. The so-called resource is an entity on the network, or a specific information on the network. A picture or a song is a resource. RESTful API is an implementation based on HTTP protocol. (HTTP is an application layer protocol, which is simple and fast).

符合 REST 規範的應用程式或設計稱為 RESTful，而根據 REST 規格設計的 API 稱為 RESTful API。

4.DDS協議

DDS（資料分發服務）是一種分散式即時資料分發服務中間件協議，相當於分散式即時網路中的“TCP/IP”，用於解決即時網路中的網路協議互連問題，其功能相當於「總線上的匯流排」。

5、AMQP協議

AMQP, or Advanced Message Queuing Protocol, is an application layer standard advanced message queuing protocol that provides unified messaging services. It is an open standard for application layer protocols and is designed for message-oriented middleware. Clients and message middleware based on this protocol can transmit messages and are not restricted by different client/middleware products, different development languages, etc. Implementations in Erlang include RabbitMQ, etc.

6、XMPP協議

XMPP 是一種基於 XML 的協議，XML 是標準通用標記語言 (SUL) 的子集，因此繼承了 XML 環境下開發的靈活性。正因如此，基於 XMPP 的應用具有高度可擴展性。擴展後，XMPP 可以透過發送更多資訊來滿足用戶需求，內容發布系統和基於地址的服務等應用程式都可以建立在 XMPP 之上。

4. 幾種通訊協定的比較

1. Comparison between NB-IoT protocol and LoRa protocol

首先是頻段。 LoRa 工作在 1GHz 以下的免許可頻段，無需額外費用即可申請。 NB-IoT 和蜂窩通訊使用 1GHz 以下的頻段，這些頻段已獲得 2113 號法規授權，因此需要付費。

其次是電池續航力。 LoRa模組在抗干擾、網路重疊、可擴展性等方面具有獨特的優勢，但無法提供與蜂窩協議相同的服務品質。由於服務品質的限制，NB-IoT的電池續航力無法與LoRa相媲美。

第三，設備成本。對於終端節點而言，LoRa協定比NB-IoT更簡單，更容易開發，也更適用於微處理器，相容性更強。同時，市面上已經可以買到低成本、技術相對成熟的LoRa模組，而且升級版本也會陸續推出。

Fourth, network coverage and deployment schedule. The NB-IoT standard was announced in 2016. In addition to network deployment, the corresponding commercialization and establishment of the industry chain will take longer and more effort to explore. LoRa's entire industry chain is relatively mature, and its products are "ready for launch". At the same time, many countries around the world are undergoing or have completed nationwide network deployment.

2. Comparison of Bluetooth, WiFi and ZigBee protocols

目前，WiFi的優勢在於其應用廣泛，已普及到成千上萬的家庭；ZigBee的優勢在於低功耗和自組織網路；UWB​​無載波無線通訊技術的優點在於傳輸速率；藍牙的優點在於組網簡單。然而，這三種技術也各有不足，沒有一種技術能完全滿足智慧家庭的所有需求。

藍牙技術的出現使短距離無線通訊成為可能，但其複雜的協定、高功耗和高成本使其不適用於對成本和功耗要求較高的工業控制和家庭網路。特別是，藍牙最大的障礙在於其傳輸距離有限，通常有效範圍約10公尺。此外，抗干擾能力弱、資訊安全問題等也是限制其進一步發展和大規模應用的主要因素。

WiFi也是一種短距離無線傳輸技術，可以隨時存取無線訊號。它具有高度移動性，更適合在辦公室和家庭環境中使用。當然，WiFi也有一個致命的缺點。由於WiFi使用射頻技術，透過無線電波在空中發送和接收數據，因此更容易受到外部幹擾。

ZigBee 是一種國際認可的無線通訊技術。它的每個網路端口最多可連接超過 65,000 個端口，適用於家庭、工業、農業等領域。而藍牙和 WiFi 網路終端只能接入 10 個端口，顯然無法滿足家庭用戶的需求。此外，ZigBee 還具有低功耗和低成本的優勢。

3. MQTT協定與CoAP協定的比較

MQTT 是一種多對多通訊協議，用於透過中間代理在不同客戶端之間傳輸訊息，它將生產者和消費者解耦，並允許客戶端發布訊息，而由代理決定訊息的路由和複製。儘管 MQTT 支援一定的持久性，但它最適合用作即時數據通訊總線。

CoAP 主要是一種點對點協議，用於在客戶端和伺服器之間傳輸有狀態資訊。雖然 CoAP 支援資源觀察，但它最適合有狀態傳輸模型，並非完全基於事件。

MQTT 用戶端會建立一個長期有效的 TCP 連線。這通常意味著沒有問題。 CoAP 用戶端和伺服器都在傳送和接收 UDP 封包。在 NAT 環境中，可以使用隧道或連接埠轉送來允許 CoAP 通信，或者像 LWM2M 一樣，設備可以先初始化前端連接。

MQTT 不支援訊息類型標籤或其他元資料來幫助客戶端理解訊息內容。 MQTT 訊息可以用於任何用途，但所有用戶端都必須了解上行資料格式才能進行通訊。而 CoAP 則內建了內容協商和發現功能，讓設備可以相互偵測並找到交換資料的方法。

兩種協定各有優缺點，選擇哪種協定取決於您的應用場景。

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