物联网技术协议应用展望

摘要：文章从物联网的定义入手，对物联网涉及的行业、应用场景进行了描述。对当前的各种物联网协议进行了分析和整理，从整体层面对物联网协议的种类、特点和应用场景进行了概括性介绍。分别针对RFID协议、Matter协议、CoAP协议，对其起源、定义进行了简述，分析其技术架构、核心技术特点，从而对该协议所应用的场景和行业进行了定位。通过对典型物联网协议的分析和介绍，了解典型物联网协议的特性。在不同场景和需求下，为合适的物联网协议选型提供参考依据。

关键词：物联网;协议；应用

中图分类号：TP391.7; TN919.7 文献标志码：A

0 引言

物联网（Internet of Things，IoT）是指通过某种通信方式将万事万物连接到互联网。随着智能手机的普及和5G网络的普遍应用，物联网同样得到了迅速的发展，万物互联也具备了可行性条件。物联网的应用场景也从工业领域逐步向交通、物流以及家居行业拓展，众多的家居物联网产品、智能控制产品相继面世，逐步形成了城市、小区、家居等各个级别的智能物联生态圈。物联网的概念和应用逐步进入大众视野。

1 物联网协议概述

1.1 物联网协议演变

常见的物联网协议主要分为传统网络协议和专门针对物联网设计的协议2大类。

传统的网络协议包括HTTP、TCP/IP、UDP等，这些通信协议在传统行业内应用广泛，在物联网中同样有所涉及。但是，传统形式的通信协议并未针对物联网设备的特点进行优化和适配，而是直接将其应用到物联网设备上，这会造成设备运行异常、待机时间短等故障。鉴于此，催生了部分专门适用于物联网设备的协议，如MQTT、CoAP协议等［1］。物联网协议汇总如图1所示。

1.2 物联网协议技术特点

由于物联网场景中的各类设备配置不同、所处地域不同、样式不同，物联网系统内部各设备搭载的通信协议要具备灵活性、安全性、互操作性和低功耗的特点［2］。

为实现上述特点，首先要对物联网协议的结构、通信机制进行精简优化，使其达到灵巧的状态，具备灵活应用和动态加载的条件，同时去掉繁杂冗余的额外校验机制，满足大范围拓展应用的条件。

其次，针对数据的上报、获取和下载环节，不同厂家、不同设备的物联网协议应从设备的控制方式、控制手段等命令入手，进行互通和协作的约定，实现各方无缝衔接。

最后，丰富多种休眠和唤醒设计，提供初级休眠、深度休眠等不同程度的低功耗休眠模式，也可以通过软中断和硬中断的方式完成设备唤醒，达到低功耗的目的。

1.3 应用场景

物联网协议由于其安全性、可扩展性和低功耗的技术特点，在多个行业具有广泛的适用性。

随着智能家居设备的普及，各种智能家居设备需要通过互联互通来实现整体联动。物联网协议能够协助智能灯具、智能空调、智能门锁等设备完成远程控制和数据交换，全面展现智能家居系统的智能化和便利化。

在工业生产过程控制中，各类传感器、执行器、控制器需要通过数据交换和控制指令的传输，实现工业生产过程的自动化和智能化。依托物联网协议，可以实现工业设备的远程监控和远程操作，提高制造车间的生产效率，降低人工成本。

在智能医疗领域，物联网协议也能够为医疗设备和医疗信息系统间的数据实时监测和远程诊断提供帮助，提高医疗服务质量和检测效率。在智能农业领域，通过物联网协议能完成农田状态的远程监测和智能灌溉控制，提高农作物的产量和质量。

物联网协议因其应用领域和场景的特殊性，经过长时间的技术演进，技术特点逐渐明晰。虽然不同的物联网协议之间有所区别，但是都在各自适用的领域内快速发展，不断扩展应用场景，迅速占领了极大的市场范围。

2 RFID技术应用展望

2.1 RFID技术简述

射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）技术是一种无线通信技术，通过无线电信号识别特定目标并读写相关数据，属于近场通信的一种。

RFID分别在物理层、数据链路层和应用层对无线电信号的频率、功率和调制方式进行了约定，对数据的帧格式、错误检测、纠正机制以及标签和读写器之间的数据交换格式和命令集都进行了详细的规定，以满足特定的应用需求。

2.2 RFID技术特点

RFID通信协议属于一种近距离无线通信技术，它利用无线射频信号实现对物体的识别和跟踪，其核心特点主要体现在以下方面。

（1）RFID标签自带天线，只须处于读写器的范围内就能够完成信息的读写，具有极高的识别效率和便利性［3］。

（2）RFID标签内部集成的芯片具有多个数据分区，能够存储大量的数据信息，并且数据不易失，有利于长期存储。

（3）利用手持式读写设备，可以针对范围内的全部RFID标签进行批量快速识别，每个RFID标签都可以独立响应，快速上报数据，达到快速盘点的效果。

（4）RFID技术因其无线通信的特性，信号频率受到统一调配使用，具有抗干扰能力强、数据安全性高、通信可靠性好的特点，可以在高频和超高频等频段使用，具备不同复杂环境和场景下的应用条件。

2.3 RFID技术应用前景

RFID技术通过无线射频信号实现对物体的识别和跟踪。随着物联网和智能制造技术的快速发展，RFID技术在各个领域的应用也越来越广泛。

在物流和供应链管理方面，通过在产品或包裹上嵌入RFID标签，企业可以实现货物的实时跟踪，实时掌握商品流转或出入库状态，提高物流效率，减少库存损耗，降低管理成本。

在衣物、鞋品、日杂商品、家用电器等产品上植入RFID标签，零售商或商超管理员可以实现对商品的精准管理和盘点，减少商品丢失和盗窃现象。商超收银系统也可以录入RFID台账信息，自动识别顾客购买商品的价值，帮助顾客自助快速结账，提高店铺的运营效率。

在制造业的生产过程中，各工艺检测环节加装RFID系统后，只须识读RFID数据即可实现过程状态的监控和管理，提高生产效率和产品质量。在农业、畜牧业领域中，RFID标签可以戴在家畜耳朵上，只要对耳签进行盘点即可完成数量统计，提高了养殖农场的信息化管理水平，降低了家畜丢失的概率，从而提高了养殖收益。

RFID技术发展周期长久，技术迭代版本多样，技术特点鲜明，应用场景明晰。以RFID系统的天线为核心，修改辐射方式和天线结构，结合不同的功率和频率控制，对开放式环境和封闭式环境都能实现较好的兼容，完成物品的精准查找和盘点业务，具有广阔的市场应用前景。

3 Matter协议应用展望

3.1 Matter协议的起源

Matter协议是一种用于在区块链网络上进行交易和通信的协议。区块链技术最初是作为比特币的底层技术而被引入，随着时间的推移，Matter协议在金融、供应链管理、智能合约等领域逐渐被推广应用。

随着区块链网络交易和通信需求的不断增长，Matter协议经过不断探索和创新，能够为网络交易和通信提供更加便捷和可靠的解决方案。

3.2 Matter协议的技术架构

Matter协议是一种用于构建去中心化应用程序的开源协议，它的核心架构包括几个关键的组件，这些组件共同工作以实现协议的主要目标，即安全、可扩展和去中心化。

Matter协议的核心架构首先包括一个分布式账本，用于记录所有的交易和状态变化［4］。这个分布式账本是基于区块链技术构建的，能确保所有的交易都是不可篡改的，并且可以被全网节点共享和验证。它是Matter协议的基础，也是其安全性和可靠性的保障。

Matter协议还包括一套智能合约系统，用于执行和管理应用程序的逻辑。这些智能合约被部署到分布式账本上，可以被程序员编写和调用，同时提供了一种安全且可靠的方式来管理应用程序的状态和逻辑，保证所有的操作都是不可逆转的。

Matter协议的核心架构设计确保了其具有协议的安全性、可扩展性和去中心化的特点。随着区块链和去中心化技术的不断发展，Matter协议的核心架构也将不断演进，满足不断变化的应用程序需求。

3.3 Matter协议的行业应用

随着科技的不断发展，智能家居行业正在迅速崛起。在这一行业中，Matter协议由于其开放式和互操作性的标准特点，能够为智能家居设备提供通信和连接的统一解决方案，正在逐渐成为关键所在，不同厂商生产的智能家居设备可以更加容易地实现连接和通信。

在工业互联网、智能仓储领域，支持Matter协议的产品种类陆续面世，并呈现快速发展的趋势。Matter协议的标准化和统一性特点，促使厂商更加专注于设备创新和功能提升，无须过多关注设备的兼容性因素，激发更多的创新和竞争，推动整个行业的进步和发展，更好地扩展业务和增加收入。

Matter协议的技术架构先进，协议特点鲜明，完美解决了物联网世界的连通痛点，因此在行业应用中具有巨大的成长空间。随着智能家居、工业领域的发展和深入，在新能源、智慧物流、智慧农业、智慧城市等领域也逐渐能看到搭载Matter协议的产品。

Matter协议带着兼容世界、万物互联的使命面世，迅速形成了一套完整成熟的智能互联生态，打破了厂家、品牌、设备种类之间的联通壁垒，为用户消除了使用障碍，提高了通用控制的便利性，极大地推动了物联网产业的快速发展。

4 CoAP协议应用展望

4.1 CoAP协议简述

受限应用协议（Constrained Application Protocol，CoAP）是一种专为物联网设备和资源受限的网络而设计的应用层协议。对于物联网中的部分设备而言，想要直接使用现有网络的TCP或HTTP协议来实现设备信息交换不太现实，为了让这部分设备能够顺利接入网络，诞生了CoAP 协议。这样的轻量级协议为资源受限的设备提供了一个良好的技术协议选择。

4.2 CoAP协议特点

CoAP协议的设计非常简单，它对协议中的头部和选项字段进行了简化，使得对网络带宽和资源的占用达到了最小化程度。CoAP协议的运行基础是UDP，去除了TCP的部分连接、校验特性，形成了无连接、低延迟和高效率的特点。与此同时，CoAP依然保留了CON（Confirmable）和ACK（Acknowledgment）消息，能够保证消息的可靠性传输［5］。并且，CoAP协议还可以与DTLS（Datagram Transport Layer Security）结合使用，提供端到端的安全性。

CoAP协议的架构采用RESTful风格，使用类似HTTP的请求-响应模型，支持GET、POST、PUT和DELETE等常用的HTTP方法。CoAP同样采用统一资源标识符（URI）来标识资源，这样客户端可以通过URI来定位和操作特定资源。

4.3 CoAP协议与MQTT协议的区别

CoAP和消息队列遥测传输（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）都属于轻量级协议，二者都比较适合嵌入式设备，但是二者之间又存在着明显的区别，如图2所示。

在整体组网架构方面，MQTT是多个客户端通过中央代理（Broker）进行消息传递的多对多协议，即消息并不直接从客户端发送到客户端，而是由客户端发布到存储在 MQTT 代理中的主题，客户端可以通过订阅一个或多个主题来接收消息；CoAP协议基本上就是一个在Server和Client之间传递状态信息的单对单协议。这是二者之间最关键的区别之处。

在通信连接方面，MQTT是长连接，而CoAP是短连接。基于此区别，在不同的网络环境配置中，MQTT和CoAP协议需要采取不同的配置策略，也会带来不同的数据流量消耗。

在数据交互方面，MQTT协议不支持带有类型或者其他帮助Client理解的标签信息，所有的MQTT Client都需要知道消息格式。而CoAP协议则恰恰相反，CoAP内置发现支持和内容协商，允许设备相互窥测以找到数据交换的方式。

物联网设备的资源往往受电池、体积、成本等多个因素制约，普通通信协议标准制定历史悠久，不能满足如今物联网设备的发展需求，需要在以往通信协议的基础上完成应用层的精简和创新，满足新的技术要求。CoAP协议深入挖掘轻量化的特点，重点向低功耗方向迈进，为资源受限的物联网设备提供了一个数据通信的额外选择。

5 结语

本文对常见的物联网协议进行了分析，分别针对RFID、Matter、CoAP 3种不同类型协议的特点、应用场景展开了讨论。随着物联网行业的发展和成熟，具有不同技术特点的通信协议如雨后春笋般涌现，这些协议的特点更加鲜明，所解决问题更加具象，应用场景更加明确、细分。因此在协议选型时，可以针对不同的需求特点和场景，选择适合的物联网协议。

参考文献

［1］拓星.嵌入式系统中的物联网通信协议研究［J］.电脑编程技巧与维护，2024（1）：174-176.

［2］汪世琳.基于物联网平台的通信协议设计及应用研究［D］.淮南：安徽理工大学，2022.

［3］李俊.基于RFID的室内定位系统的研究与设计［D］成都：电子科技大学，2009.

［4］吴玫，张娅玲.物联网安全协议及应用研究［J］.软件，2023（12）：123-125.

［5］刑鹏，张猛.信息安全在物联网时代面临的挑战［J］.计算机安全，2012（6）：72-75.

（编辑 沈 强）

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