通信协议

6 minIntermediate2026/6/14

MQTT、CoAP、LoRa/LoRaWAN、NB-IoT、Zigbee、BLE 等协议原理与选型。

1. MQTT

1.1 协议概述

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）是 IoT 最广泛使用的发布/订阅消息协议，轻量、可靠、支持弱网络。

特性	描述
协议层级	应用层（基于 TCP）
消息模型	发布/订阅（Pub/Sub）
最小报文	2 字节
QoS 等级	0（最多一次）/ 1（至少一次）/ 2（恰好一次）
适用场景	设备上报、命令下发、状态同步

1.2 核心概念

┌──────────┐  publish   ┌──────────┐  push    ┌──────────┐
│ Publisher │ ─────────→ │  Broker  │ ────────→│Subscriber│
│ (传感器)  │            │ (服务器)  │          │ (应用)   │
└──────────┘            └──────────┘          └──────────┘
                        Topic: iot/sensor/temp

概念	描述
Broker	消息代理服务器
Topic	消息主题（层级结构）
Client	发布者或订阅者
QoS	服务质量等级
Retain	保留最后一条消息
Will	遗嘱消息（异常断开时发送）

1.3 Topic 设计

# 推荐的 Topic 层级结构
iot/{product_id}/{device_id}/event/{event_type}    # 设备事件上报
iot/{product_id}/{device_id}/property/{prop_name}  # 属性上报
iot/{product_id}/{device_id}/command/{cmd_type}    # 命令下发
iot/{product_id}/{device_id}/status                # 设备状态

# 示例
iot/sensor-hub/device-001/event/temperature        # 温度事件
iot/sensor-hub/device-001/property/humidity         # 湿度属性
iot/sensor-hub/device-001/command/reboot            # 重启命令
iot/sensor-hub/device-001/status                    # 在线状态

# 通配符
iot/sensor-hub/+/event/temperature    # + 匹配单层
iot/sensor-hub/device-001/#           # # 匹配多层

1.4 Python MQTT 客户端

import paho.mqtt.client as mqtt
import json
import time

class IoTSensor:
    def __init__(self, device_id, broker="broker.emqx.io", port=1883):
        self.device_id = device_id
        self.client = mqtt.Client(client_id=device_id)
        self.client.on_connect = self._on_connect
        self.client.on_message = self._on_message

        # 遗嘱消息
        self.client.will_set(
            f"iot/sensor/{device_id}/status",
            payload=json.dumps({"status": "offline"}),
            qos=1,
            retain=True
        )

        self.client.connect(broker, port, 60)
        self.client.loop_start()

    def _on_connect(self, client, userdata, flags, rc):
        print(f"Connected with code {rc}")
        # 上报在线状态
        client.publish(
            f"iot/sensor/{self.device_id}/status",
            json.dumps({"status": "online"}),
            qos=1, retain=True
        )
        # 订阅命令 Topic
        client.subscribe(f"iot/sensor/{self.device_id}/command/#", qos=1)

    def _on_message(self, client, userdata, msg):
        topic = msg.topic
        payload = json.loads(msg.payload.decode())
        print(f"Command: {topic} -> {payload}")

        if "reboot" in topic:
            self._handle_reboot(payload)
        elif "config" in topic:
            self._handle_config(payload)

    def publish_data(self, data: dict, qos=1):
        """上报传感器数据"""
        topic = f"iot/sensor/{self.device_id}/event/data"
        self.client.publish(topic, json.dumps(data), qos=qos)

    def _handle_reboot(self, payload):
        print(f"Rebooting... {payload}")

    def _handle_config(self, payload):
        print(f"Updating config: {payload}")

# 使用
sensor = IoTSensor("sensor-001")
while True:
    data = {
        "temperature": 25.5,
        "humidity": 60.2,
        "timestamp": int(time.time())
    }
    sensor.publish_data(data)
    time.sleep(5)

1.5 MQTT 5.0 新特性

特性	描述
Reason Code	更详细的错误码
Session/Message Expiry	会话和消息过期
Shared Subscription	负载均衡订阅
Topic Alias	减少 Topic 名称传输
User Property	自定义键值对
Flow Control	流控（Receive Maximum）

2. CoAP

2.1 协议概述

CoAP（Constrained Application Protocol）是专为资源受限设备设计的 Web 协议，基于 UDP。

特性	MQTT	CoAP
传输层	TCP	UDP
模型	Pub/Sub	Request/Response
最小报文	2B	4B
发现	无	支持
适用	事件驱动	资源访问

2.2 CoAP 请求

# aiocoap 客户端
import asyncio
from aiocoap import *

async def coap_get():
    protocol = await Context.create_client_context()
    request = Message(code=GET, uri='coap://[::1]/sensors/temperature')
    response = await protocol.request(request).response
    print(f"Temperature: {response.payload.decode()}")

async def coap_observe():
    """观察模式（类似订阅）"""
    protocol = await Context.create_client_context()
    request = Message(code=GET, uri='coap://[::1]/sensors/temperature', observe=0)
    observation = await protocol.request(request).observation
    async for response in observation:
        print(f"Update: {response.payload.decode()}")

asyncio.run(coap_get())

3. LoRa / LoRaWAN

3.1 LoRa 物理层

参数	描述
频段	470MHz（中国）/ 868MHz（欧洲）/ 915MHz（美国）
速率	0.3-50 kbps
距离	城区 2-5km，郊区 15km
功耗	发射 ~45mA，睡眠 ~1μA

3.2 LoRaWAN 架构

┌──────┐    LoRa    ┌──────────┐   IP    ┌──────────┐
│ 终端  │ ────────→ │  网关     │ ──────→ │ 网络服务器│
│ 设备  │           │ (Gateway) │         │ (NS)     │
└──────┘           └──────────┘         └──────────┘
                                              │
                                        ┌─────┴─────┐
                                        ↓           ↓
                                   ┌────────┐  ┌────────┐
                                   │应用服务器│  │加入服务器│
                                   │ (AS)   │  │ (JS)   │
                                   └────────┘  └────────┘

3.3 LoRaWAN 设备类别

类别	接收窗口	功耗	适用场景
Class A	上行后开启	最低	电池供电传感器
Class B	定时开启	中	需要定时下发
Class C	持续开启	最高	常电设备

3.4 LoRaWAN 数据上报

// LMIC LoRaWAN 上报示例（Arduino）
#include <lmic.h>
#include <hal/hal.h>

void onEvent(ev_t ev) {
    switch (ev) {
        case EV_TXCOMPLETE:
            Serial.println("TX complete");
            // 进入低功耗
            break;
        case EV_JOINING:
            Serial.println("Joining...");
            break;
        case EV_JOINED:
            Serial.println("Joined!");
            break;
    }
}

void do_send(osjob_t* j) {
    uint8_t payload[4];
    int16_t temp = (int16_t)(read_temperature() * 100);
    payload[0] = temp >> 8;
    payload[1] = temp & 0xFF;
    // ... 其他数据

    LMIC_setTxData2(1, payload, sizeof(payload), 0);
}

void setup() {
    os_init();
    LMIC_reset();
    LMIC_startJoining();
    do_send(&sendjob);
}

void loop() {
    os_runloop_once();
}

4. NB-IoT

4.1 特性

特性	描述
技术	蜂窝网络（LTE 简化版）
速率	上行 ~60kbps，下行 ~30kbps
覆盖	比 GSM 增强 20dB
连接数	单小区 10 万+
功耗	PSM 模式 ~5μA
运营商	中国电信/移动/联通

4.2 NB-IoT AT 命令

// NB-IoT 模组 AT 命令操作
// 1. 检查模块
AT                           // → OK
AT+CGMI                      // → 厂商信息
AT+CSQ                       // → 信号质量

// 2. 网络注册
AT+CGATT=1                   // 附着网络
AT+CGDCONT=1,"IP","CTNB"     // 设置 APN
AT+CEREG?                    // 查询注册状态

// 3. 创建连接
AT+NSOCR="STREAM",6,8883,1   // 创建 TCP socket

// 4. 发送数据
AT+NSOSD=1,12,"48656C6C6F"   // 发送十六进制数据

// 5. PSM 低功耗
AT+CPSMS=1,"","00000100","00000001"  // 进入 PSM

5. Zigbee

5.1 特性

特性	描述
频段	2.4GHz
速率	250kbps
距离	10-100m
节点数	理论 65535
拓扑	星型/树型/网状
功耗	极低（纽扣电池数年）

5.2 Zigbee 设备类型

类型	描述	供电
Coordinator	网络协调者	常电
Router	路由节点，转发数据	常电
End Device	终端设备	电池

5.3 Zigbee2MQTT

# Zigbee2MQTT 配置
mqtt:
  base_topic: zigbee2mqtt
  server: mqtt://localhost:1883

serial:
  port: /dev/ttyUSB0

devices:
  '0x00158d0004567890':
    friendly_name: living_room_temp
  '0x00158d0004567891':
    friendly_name: bedroom_light

advanced:
  network_key: GENERATE
  channel: 25

6. BLE（低功耗蓝牙）

6.1 BLE 版本

版本	速率	特点
BLE 4.0	1Mbps	基础版
BLE 4.2	1Mbps	数据长度扩展
BLE 5.0	2Mbps	2倍速率、4倍距离
BLE 5.3	2Mbps	周期广播、信道分类

6.2 BLE GATT 服务

// ESP32 BLE 传感器服务
#include <BLEDevice.h>
#include <BLEServer.h>
#include <BLEUtils.h>

#define SERVICE_UUID        "181A"  // Environmental Sensing
#define TEMP_CHAR_UUID      "2A6E"  // Temperature
#define HUMI_CHAR_UUID      "2A6F"  // Humidity

BLEServer* pServer = NULL;
BLECharacteristic* pTempChar = NULL;
BLECharacteristic* pHumiChar = NULL;

void setup() {
    BLEDevice::init("ESP32-Sensor");
    pServer = BLEDevice::createServer();

    BLEService* pService = pServer->createService(SERVICE_UUID);

    pTempChar = pService->createCharacteristic(
        TEMP_CHAR_UUID,
        BLECharacteristic::PROPERTY_READ | BLECharacteristic::PROPERTY_NOTIFY
    );

    pHumiChar = pService->createCharacteristic(
        HUMI_CHAR_UUID,
        BLECharacteristic::PROPERTY_READ | BLECharacteristic::PROPERTY_NOTIFY
    );

    pService->start();
    BLEAdvertising* pAdvertising = BLEDevice::getAdvertising();
    pAdvertising->addServiceUUID(SERVICE_UUID);
    BLEDevice::startAdvertising();
}

void loop() {
    float temp = read_temperature();
    float humi = read_humidity();

    pTempChar->setValue((uint8_t*)&temp, sizeof(temp));
    pTempChar->notify();

    pHumiChar->setValue((uint8_t*)&humi, sizeof(humi));
    pHumiChar->notify();

    delay(1000);
}

7. 协议选型对比

维度	MQTT	CoAP	LoRaWAN	NB-IoT	Zigbee	BLE
层级	应用	应用	网络	网络	网络	网络
传输	TCP	UDP	LoRa	蜂窝	802.15.4	2.4GHz
距离	不限	不限	15km	全国	100m	100m
功耗	中	低	极低	低	极低	低
速率	高	中	极低	低	低	中
成本	低	低	中	中	低	低
场景	通用	受限设备	远距离	广覆盖	智能家居	可穿戴

8. 小结

通信协议是 IoT 的神经网络：

MQTT 是 IoT 通信的事实标准，适合设备-云通信
CoAP 适合资源极度受限的设备，基于 UDP
LoRaWAN 适合远距离低功耗场景，但速率极低
NB-IoT 利用运营商网络，覆盖好但需资费
Zigbee 适合智能家居网状网络，通过 Zigbee2MQTT 桥接
BLE 适合近距离可穿戴和手机交互场景
实际项目通常组合使用多种协议，如 LoRa + MQTT、BLE + Wi-Fi