物聯網技術協議應用展望

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

關鍵詞：物聯網;協議；應用

中圖分類號：TP391.7; TN919.7 文獻標志碼：A

0 引言

物聯網（Internet of Things，IoT）是指通過某種通信方式將萬事萬物連接到互聯網。隨著智能手機的普及和5G網絡的普遍應用，物聯網同樣得到了迅速的發展，萬物互聯也具備了可行性條件。物聯網的應用場景也從工業領域逐步向交通、物流以及家居行業拓展，眾多的家居物聯網產品、智能控制產品相繼面世，逐步形成了城市、小區、家居等各個級別的智能物聯生態圈。物聯網的概念和應用逐步進入大眾視野。

1 物聯網協議概述

1.1 物聯網協議演變

常見的物聯網協議主要分為傳統網絡協議和專門針對物聯網設計的協議2大類。

傳統的網絡協議包括HTTP、TCP/IP、UDP等，這些通信協議在傳統行業內應用廣泛，在物聯網中同樣有所涉及。但是，傳統形式的通信協議并未針對物聯網設備的特點進行優化和適配，而是直接將其應用到物聯網設備上，這會造成設備運行異常、待機時間短等故障。鑒于此，催生了部分專門適用于物聯網設備的協議，如MQTT、CoAP協議等［1］。物聯網協議匯總如圖1所示。

1.2 物聯網協議技術特點

由于物聯網場景中的各類設備配置不同、所處地域不同、樣式不同，物聯網系統內部各設備搭載的通信協議要具備靈活性、安全性、互操作性和低功耗的特點［2］。

為實現上述特點，首先要對物聯網協議的結構、通信機制進行精簡優化，使其達到靈巧的狀態，具備靈活應用和動態加載的條件，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，針對數據的上報、獲取和下載環節，不同廠家、不同設備的物聯網協議應從設備的控制方式、控制手段等命令入手，進行互通和協作的約定，實現各方無縫銜接。

最后，豐富多種休眠和喚醒設計，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備喚醒，達到低功耗的目的。

1.3 應用場景

物聯網協議由于其安全性、可擴展性和低功耗的技術特點，在多個行業具有廣泛的適用性。

隨著智能家居設備的普及，各種智能家居設備需要通過互聯互通來實現整體聯動。物聯網協議能夠協助智能燈具、智能空調、智能門鎖等設備完成遠程控制和數據交換，全面展現智能家居系統的智能化和便利化。

在工業生產過程控制中，各類傳感器、執行器、控制器需要通過數據交換和控制指令的傳輸，實現工業生產過程的自動化和智能化。依托物聯網協議，可以實現工業設備的遠程監控和遠程操作，提高制造車間的生產效率，降低人工成本。

在智能醫療領域，物聯網協議也能夠為醫療設備和醫療信息系統間的數據實時監測和遠程診斷提供幫助，提高醫療服務質量和檢測效率。在智能農業領域，通過物聯網協議能完成農田狀態的遠程監測和智能灌溉控制，提高農作物的產量和質量。

物聯網協議因其應用領域和場景的特殊性，經過長時間的技術演進，技術特點逐漸明晰。雖然不同的物聯網協議之間有所區別，但是都在各自適用的領域內快速發展，不斷擴展應用場景，迅速占領了極大的市場范圍。

2 RFID技術應用展望

2.1 RFID技術簡述

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

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

2.2 RFID技術特點

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

（1）RFID標簽自帶天線，只須處于讀寫器的范圍內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標簽內部集成的芯片具有多個數據分區，能夠存儲大量的數據信息，并且數據不易失，有利于長期存儲。

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

（4）RFID技術因其無線通信的特性，信號頻率受到統一調配使用，具有抗干擾能力強、數據安全性高、通信可靠性好的特點，可以在高頻和超高頻等頻段使用，具備不同復雜環境和場景下的應用條件。

2.3 RFID技術應用前景

RFID技術通過無線射頻信號實現對物體的識別和跟蹤。隨著物聯網和智能制造技術的快速發展，RFID技術在各個領域的應用也越來越廣泛。

在物流和供應鏈管理方面，通過在產品或包裹上嵌入RFID標簽，企業可以實現貨物的實時跟蹤，實時掌握商品流轉或出入庫狀態，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、家用電器等產品上植入RFID標簽，零售商或商超管理員可以實現對商品的精準管理和盤點，減少商品丟失和盜竊現象。商超收銀系統也可以錄入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賬，提高店鋪的運營效率。

在制造業的生產過程中，各工藝檢測環節加裝RFID系統后，只須識讀RFID數據即可實現過程狀態的監控和管理，提高生產效率和產品質量。在農業、畜牧業領域中，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量統計，提高了養殖農場的信息化管理水平，降低了家畜丟失的概率，從而提高了養殖收益。

RFID技術發展周期長久，技術迭代版本多樣，技術特點鮮明，應用場景明晰。以RFID系統的天線為核心，修改輻射方式和天線結構，結合不同的功率和頻率控制，對開放式環境和封閉式環境都能實現較好的兼容，完成物品的精準查找和盤點業務，具有廣闊的市場應用前景。

3 Matter協議應用展望

3.1 Matter協議的起源

Matter協議是一種用于在區塊鏈網絡上進行交易和通信的協議。區塊鏈技術最初是作為比特幣的底層技術而被引入，隨著時間的推移，Matter協議在金融、供應鏈管理、智能合約等領域逐漸被推廣應用。

隨著區塊鏈網絡交易和通信需求的不斷增長，Matter協議經過不斷探索和創新，能夠為網絡交易和通信提供更加便捷和可靠的解決方案。

3.2 Matter協議的技術架構

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

Matter協議的核心架構首先包括一個分布式賬本，用于記錄所有的交易和狀態變化［4］。這個分布式賬本是基于區塊鏈技術構建的，能確保所有的交易都是不可篡改的，并且可以被全網節點共享和驗證。它是Matter協議的基礎，也是其安全性和可靠性的保障。

Matter協議還包括一套智能合約系統，用于執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和邏輯，保證所有的操作都是不可逆轉的。

Matter協議的核心架構設計確保了其具有協議的安全性、可擴展性和去中心化的特點。隨著區塊鏈和去中心化技術的不斷發展，Matter協議的核心架構也將不斷演進，滿足不斷變化的應用程序需求。

3.3 Matter協議的行業應用

隨著科技的不斷發展，智能家居行業正在迅速崛起。在這一行業中，Matter協議由于其開放式和互操作性的標準特點，能夠為智能家居設備提供通信和連接的統一解決方案，正在逐漸成為關鍵所在，不同廠商生產的智能家居設備可以更加容易地實現連接和通信。

在工業互聯網、智能倉儲領域，支持Matter協議的產品種類陸續面世，并呈現快速發展的趨勢。Matter協議的標準化和統一性特點，促使廠商更加專注于設備創新和功能提升，無須過多關注設備的兼容性因素，激發更多的創新和競爭，推動整個行業的進步和發展，更好地擴展業務和增加收入。

Matter協議的技術架構先進，協議特點鮮明，完美解決了物聯網世界的連通痛點，因此在行業應用中具有巨大的成長空間。隨著智能家居、工業領域的發展和深入，在新能源、智慧物流、智慧農業、智慧城市等領域也逐漸能看到搭載Matter協議的產品。

Matter協議帶著兼容世界、萬物互聯的使命面世，迅速形成了一套完整成熟的智能互聯生態，打破了廠家、品牌、設備種類之間的聯通壁壘，為用戶消除了使用障礙，提高了通用控制的便利性，極大地推動了物聯網產業的快速發展。

4 CoAP協議應用展望

4.1 CoAP協議簡述

受限應用協議（Constrained Application Protocol，CoAP）是一種專為物聯網設備和資源受限的網絡而設計的應用層協議。對于物聯網中的部分設備而言，想要直接使用現有網絡的TCP或HTTP協議來實現設備信息交換不太現實，為了讓這部分設備能夠順利接入網絡，誕生了CoAP 協議。這樣的輕量級協議為資源受限的設備提供了一個良好的技術協議選擇。

4.2 CoAP協議特點

CoAP協議的設計非常簡單，它對協議中的頭部和選項字段進行了簡化，使得對網絡帶寬和資源的占用達到了最小化程度。CoAP協議的運行基礎是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協議還可以與DTLS（Datagram Transport Layer Security）結合使用，提供端到端的安全性。

CoAP協議的架構采用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協議與MQTT協議的區別

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

在整體組網架構方面，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議，即消息并不直接從客戶端發送到客戶端，而是由客戶端發布到存儲在 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協議基本上就是一個在Server和Client之間傳遞狀態信息的單對單協議。這是二者之間最關鍵的區別之處。

在通信連接方面，MQTT是長連接，而CoAP是短連接。基于此區別，在不同的網絡環境配置中，MQTT和CoAP協議需要采取不同的配置策略，也會帶來不同的數據流量消耗。

在數據交互方面，MQTT協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協議則恰恰相反，CoAP內置發現支持和內容協商，允許設備相互窺測以找到數據交換的方式。

物聯網設備的資源往往受電池、體積、成本等多個因素制約，普通通信協議標準制定歷史悠久，不能滿足如今物聯網設備的發展需求，需要在以往通信協議的基礎上完成應用層的精簡和創新，滿足新的技術要求。CoAP協議深入挖掘輕量化的特點，重點向低功耗方向邁進，為資源受限的物聯網設備提供了一個數據通信的額外選擇。

5 結語

本文對常見的物聯網協議進行了分析，分別針對RFID、Matter、CoAP 3種不同類型協議的特點、應用場景展開了討論。隨著物聯網行業的發展和成熟，具有不同技術特點的通信協議如雨后春筍般涌現，這些協議的特點更加鮮明，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，選擇適合的物聯網協議。

參考文獻

［1］拓星.嵌入式系統中的物聯網通信協議研究［J］.電腦編程技巧與維護，2024（1）：174-176.

［2］汪世琳.基于物聯網平臺的通信協議設計及應用研究［D］.淮南：安徽理工大學，2022.

［3］李俊.基于RFID的室內定位系統的研究與設計［D］成都：電子科技大學，2009.

［4］吳玫，張婭玲.物聯網安全協議及應用研究［J］.軟件，2023（12）：123-125.

［5］刑鵬，張猛.信息安全在物聯網時代面臨的挑戰［J］.計算機安全，2012（6）：72-75.

（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