第 6 章：嵌入式网络与物联网 —— 让设备"上网"¶
场景： 智能家居中控需要连接手机 App——你在办公室就能查看家里温度、远程开关空调。这需要中控接入网络。Wi-Fi、蓝牙、Zigbee、MQTT——嵌入式设备如何联网通信？
6.1 嵌入式无线通信技术¶
核心比喻：不同无线技术就像不同的"通信方式"
- Wi-Fi ：固定电话——速度快、距离远，但费电
- 蓝牙/BLE ：对讲机——短距离、低功耗，适合个人设备
- Zigbee ：传呼机——极低功耗、自组网，适合传感器网络
- LoRa ：短波电台——超远距离、极低速率，适合野外监测
- NFC ：碰一下交换名片——极短距离，适合支付和门禁
无线技术对比¶
| 技术 | 频段 | 速率 | 距离 | 功耗 | 典型应用 |
|---|---|---|---|---|---|
| Wi-Fi | 2.⅘ GHz | 数十~数百 Mbps | ~100m | 高 | 智能家居中控、摄像头 |
| 蓝牙经典 | 2.4 GHz | 1~3 Mbps | ~10m | 中 | 音频设备、车载 |
| BLE（低功耗蓝牙） | 2.4 GHz | 125k~2Mbps | ~50m | 极低 | 手环、传感器、信标 |
| Zigbee | 2.4 GHz | 250kbps | ~100m | 极低 | 智能家居传感器网络 |
| LoRa | Sub-GHz | 0.3~50kbps | ~15km | 极低 | 农业监测、智慧城市 |
| NB-IoT | 授权频段 | ~250kbps | ~15km | 极低 | 智能水表、路灯 |
| NFC | 13.56 MHz | 106~424kbps | ~10cm | 极低 | 支付、门禁、配对 |
6.2 物联网协议栈¶
┌─────────────────────────────────────┐
│ 应用层协议 │
│ MQTT / CoAP / HTTP / LwM2M │
├─────────────────────────────────────┤
│ 传输层协议 │
│ TCP / UDP + TLS/DTLS │
├─────────────────────────────────────┤
│ 网络层协议 │
│ IPv4 / IPv6 / 6LoWPAN │
├─────────────────────────────────────┤
│ 链路层/物理层 │
│ Wi-Fi / BLE / Zigbee / LoRa │
└─────────────────────────────────────┘
6.3 MQTT —— 物联网消息协议¶
核心比喻：MQTT 就是"新闻订阅"模式
你订阅了"天气预报"频道（Topic）。气象局（发布者）每天发布天气预报——你不用主动去问，有新消息时自动推送给你。
MQTT 采用发布/订阅模式，通过 Broker（消息代理）中转——设备只和 Broker 通信，不直接互连。
MQTT 架构¶
┌──────────────┐
│ Broker │ ← 消息代理（如 EMQX、Mosquitto）
│ (消息中转) │
└──┬───────┬───┘
│ │
┌───────┴─┐ ┌───┴───────┐
│ Publisher│ │ Subscriber│
│ (发布者) │ │ (订阅者) │
│ 温度传感器 │ │ 手机 App │
└─────────┘ └───────────┘
温度传感器 ──→ publish("home/temp", "25°C") ──→ Broker
Broker ──→ push("home/temp", "25°C") ──→ 手机 App
MQTT 特点¶
| 特点 | 说明 |
|---|---|
| 轻量级 | 最小报文仅 2 字节，适合资源受限设备 |
| 发布/订阅 | 解耦发送方和接收方 |
| QoS 三级 | QoS 0（最多一次）、QoS 1（至少一次）、QoS 2（恰好一次） |
| 遗嘱消息 | 设备异常断开时自动发送通知 |
| 持久会话 | 设备重连后恢复之前的订阅 |
6.4 常见物联网通信模式¶
| 模式 | 说明 | 典型场景 |
|---|---|---|
| 设备→云 | 设备上报数据到云平台 | 传感器数据上报 |
| 云→设备 | 云平台下发指令到设备 | 远程开关灯 |
| 设备→设备 | 设备间直接或通过云通信 | 门磁触发→摄像头拍照 |
| 边缘计算 | 数据在本地网关处理后再上报 | 工业现场实时控制 |
6.5 常见考试题型¶
例题 1： 以下无线技术中，功耗最低的是（ ）。
A. Wi-Fi B. 蓝牙经典 C. BLE D. NFC
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答案：C
BLE（低功耗蓝牙）专为低功耗设计，一颗纽扣电池可工作数月到数年。Wi-Fi 功耗最高，蓝牙经典次之，NFC 功耗也低但通信距离极短。
例题 2： MQTT 协议采用的通信模式是（ ）。
A. 请求/响应 B. 发布/订阅 C. 点对点 D. 广播
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答案：B
MQTT 采用发布/订阅（Publish/Subscribe）模式。设备向 Broker 发布消息到特定 Topic，订阅了该 Topic 的设备从 Broker 接收消息。这种模式解耦了发送方和接收方。
例题 3： 以下关于 Zigbee 的描述，正确的是（ ）。
A. 传输速率高 B. 功耗高 C. 支持自组网 D. 通信距离远
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答案：C
Zigbee 的核心优势是支持自组网（Mesh 网络）、极低功耗。但传输速率低（250kbps）、通信距离中等（~100m）。
要点总结¶
- Wi-Fi（高速高功耗）、BLE（低功耗）、Zigbee（自组网）、LoRa（远距离）
- MQTT：轻量级发布/订阅协议，QoS 三级，适合物联网
- 物联网协议栈：应用层（MQTT/CoAP）→ 传输层（TCP/UDP）→ 网络层（IP）→ 链路层
- 通信模式：设备→云、云→设备、设备→设备、边缘计算
课后练习¶
-
技术选型 ：以下场景分别适合使用哪种无线技术？为什么？
- 智能手环与手机通信
- 农田土壤湿度监测（范围 5km）
- 智能家居摄像头视频传输
-
MQTT 分析 ：解释 MQTT 的 QoS 三级分别保证什么，各适用于什么场景。
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真题演练 ：MQTT 协议中，负责消息中转的服务器称为（ ）。
下一章预告： 设备联网了，但电池供电的设备怎么省电？系统死机了怎么自动恢复？第 7 章见。