《物聯網應用技術導論》課件

第3章物聯網通信與網絡技術

第3章物聯網通信與網絡技術本章主要內容3.1物聯網通信與網絡技術概述3.2無線個域網絡技術3.3無線局域網絡技術3.4無線城域網絡技術3.5無線廣域網絡技術3.6物聯網的接入技術3.7物聯網其他網絡技術

物聯網要實現物物相連，需要網絡作為連接的橋梁。物聯網的通信與組網技術主要完成感知信息的可靠傳輸。由于物聯網連接的物體多種多樣，物聯網涉及的網絡技術也有多種，如可以是有線網絡、無線網絡；可以是短距離網絡和長距離網絡；可以是企業專用網絡、公用網絡；還可以是局域網、互聯網等等。3.1物聯網通信與網絡技術概述

通信技術簡單地說是指將信息從一個地點傳送到另一個地點所采取的方法和措施。按照歷史發展的順序，通信技術先后由人體傳遞信息通信到簡易信號通信，再發展到有線通信和無線通信。近年來發展最快、應用最廣的就是無線通信技術。3.1.1無線通信及網絡技術

1、

無線通信技術

無線通信技術主要包括無線電通信、微波通信、紅外通信和光通信等多種形式。其中無線電通信最為廣泛，它是利用電磁波信號在自由空間傳播的特性進行信息交換的一種通信方式。目前無線通信主要使用數字化通信技術。數字化通信是一種用數字信號0和1進行數字編碼傳輸信息的通信方式。數字化通信可以傳輸電報、數據等數字信號，也可傳輸經過數字化處理的語音和圖像等模擬信號。2023/2/462、無線通信網絡及分類

無線通信網絡是利用無線通信技術、通信設備、通信標準和協議等組成的通信網絡，在該網絡中通信終端能夠接入網絡并且依賴該網絡進行相互通信。根據接入網絡的方式不同可以分為集中式和自組織兩種。集中式終端根據其位置是否固定又可分為固定式和移動式，如固定或移動基站、固定骨干節點等。典型的集中式包括各類蜂窩網絡，通過安裝多個固定的基站把較大通信區域覆蓋，而每個基站可以管理成百上千個移動接入節點。在無線局域網絡中可以利用集中式接入一個相對小的區域內，并形成星狀網絡。

自組織網絡（AdHocNetworks）是與集中式網絡完全不同的一種網絡，在這種網絡中，沒有固定集中的控制中心，所有在網絡中的節點通過一定的自組織協議加入網絡，節點間的通信通過鄰居節點的多跳來實現。自組織網絡屬于對等網絡（又稱工作組，網上各臺計算機有相同的功能，無主從之分），不會因為其中一個節點的損壞而失去功能，而集中式網絡如果基站損壞，將會破壞網絡的通信功能。3、無線通信技術的發展無線通信技術是社會信息化的重要支撐，隨著信息化社會的到來以及IP技術的興起，未來無線通信技術將得到快速發展，其發展的主要趨勢是寬帶化、接入多樣化、信息個人化和IP網絡化等幾個方面：寬帶化IP網絡化信息個人化核心網絡綜合化，接入網絡多樣化3.1.2物聯網網絡技術物聯網的網絡是連接物體的信息通道，在物聯網中的網絡有多種形式，如有線網絡、無線網絡，局域網絡、互聯網，企業網絡、專用網絡等等。對于物聯網來說無線網絡具有特別的吸引力，不僅可以擺脫布線的麻煩和費用，而且對于移動物體可能是唯一的連網選擇。無線網絡技術豐富多樣，根據距離不同，可以組成無線個域網、無線局域網、無線城域網和無線廣域網。其中近距離的無線技術是物聯網最為活躍的部分，因為物聯網被稱作是互聯網的最后一公里，也稱為末梢網絡。根據應用的不同，其通信距離可能是幾厘米到幾百米之間，目前常用的技術主要有藍牙、ZigBee、Z-wave、RFID、NFC、UWB、WI-FI等。3.2無線個域網絡技術無線個域網(WirelessPersonalAreaNetwork，WPAN)是為了實現活動半徑小、業務類型豐富、面向特定群體、無縫連接而提出的新興無線通信網絡技術。無線個域網主要解決最后幾十米的通信問題，目前主要包括藍牙技術、ZigBee技術、UWB技術、Z-wave技術、NFC（近距離通信）和紅外通信等技術，具有低成本、低功耗、通信距離短等特點。3.2.1藍牙技術1、藍牙技術簡介藍牙（Bluetooth）是一種低成本、低功率、近距離無線連接技術標準，是實現數據與話音無線傳輸的開放性規范。2、藍牙的主要技術特點藍牙技術使用的工作頻率為2.4G-2.5G之間，屬于免費的ISM（IndustryScienceMedicine）頻段，此頻段主要是開放給工業、科學、醫學三個主要機構使用，無需授權許可，只需要遵守一定的發射功率(一般低于1W)，并且不要對其它頻段造成干擾即可。ISM頻段各國并統一，美國分為工業（902-928MHz）,科學研究（2.42-2.4835GHz）和醫療（5.725-5.850GHz）三個頻段。

2、藍牙的主要技術特點

藍牙技術可以實現語音、視頻和數據的傳輸，其最高的通信速率為1Mb/s，采用時分方式的全雙工通信，通信距離為10m左右（如果配置功率放大器可以使通信距離達到100m）。表3-1藍牙技術指標和系統參數工作頻段ISM頻段，2.402GHz-2.480GHz雙工方式全雙工，TDD時分雙工業務類型支持電路交換和分組交換業務數據速率1Mbps非同步信道速率非對稱連接721Kbps/57.6Kbps，對稱連接432.6Kbps同步信道速率64Kbps功率美國FCC要求<0dbm(1mw)，其他國家可擴展為100mw跳頻頻率數79個頻點/1MHz工作模式PARK/HOLD/SNIFF數據連接方式面向連接業務SCO，無連接業務ACL糾錯方式1/3FEC,2/3標FEC，ARQ鑒權采用反應邏輯算術信道加密采用0位、40位、60位加密語音編碼方式連續可變斜率調制CVSD發射距離一般可達10cm-10m，增加功率的情況下可達100m3、藍牙組網方式

藍牙系統采用無基站的靈活組網方式，支持點對點或點對多點的通信方式，在藍牙2.0標準中一個藍牙設備可同時與7個其他的藍牙設備相連接。如圖3-1所示：圖3-1藍牙的組網方式示意圖基于藍牙技術的無線接入簡稱為BLUEPAC（BluetoothPublicAccess），藍牙系統的網絡拓撲結構有兩種形式：微微網（piconet）和分布式網絡（Scatternet）。

微微網（piconet）：通過藍牙技術以特定方式連接起來的一種微型網絡，一個微微網可以只是兩臺相連的設備，比如一臺便攜式電腦和一部移動電話，也可以是8臺連在一起的設備。藍牙分布式網絡是自組網（adhocnetworks）的一種特例，其最大特點是無基站支持，每個移動終端的地位是平等的，并可獨立進行分組轉發的決策。其建網的靈活性，多跳性、拓撲結構動態變化和分布式控制等特點是構建藍牙分布式網絡的基礎。4、藍牙技術的主要應用設備藍牙無線接入技術具有規模小、成本低、短距離連接等特點，能夠有效地簡化掌上電腦、筆記本電腦和移動電話、手機等移動通信終端設備之間的通信，也能夠成功地簡化以上這些設備與Internet之間的通信，從而使這些現代通信設備與因特網之間的數據傳輸變得更加迅速高效，也為無線通信拓寬了道路。藍牙技術的主要缺點是傳輸距離短、傳輸速率慢。但由于藍牙技術能耗低，在物聯網中，低功耗藍牙主要應用于醫療和健康傳感器網絡等電源供給有限的場合，如應用的領域包括：血氧計、血壓計、體溫計、體重秤、血糖儀、心血管活動監控儀、便攜式心電圖儀等等。藍牙技術已經得到非常普遍的應用，全球大約80%以上的手機都使用了藍牙技術，其中將近100%的智能手機都已經使用了藍牙技術。利用每個人都擁有手機的優勢，藍牙技術可以用在更加廣闊的領域，如車載網的應用、手機、電玩、電腦、手表、運動及健體、保健、汽車工業、家居電器、遠程控制、自動化工業等等。3.2.2ZigBee網絡技術ZigBee技術是一種新興的短距離無線通信技術，主要面向低速率無線個人區域網（LRWPAN，LowRateWirelessPersonalAreaNetwork），典型特征是近距離、低功耗、低成本、低傳輸速率，主要適用于工業監控、傳感器網絡、家庭監控、安全系統和玩具等領域，目的是為了滿足小型廉價設備的無線聯網和控制。Zigbee技術采用三種頻段：2.4GHz、868MHz和915MHz。2.4GHz頻段是全球通用頻段，868MHz和915MHz則是用于美國和歐洲的ISM頻段，這兩個頻段的引入避免了2.4GHz附近各種無線通信設備的相互干擾。1、ZigBee與IEEE802.15.4協議

ZigBee和IEEE802.15.4并不是完全一回事。IEEE802.15.4是IEEE無線個人區域網(PersonalAreaNetwork，PAN)工作組的一項標準，被稱作IEEE802.15.4技術標準，IEEE僅處理低級MAC(媒體介入控制)層和物理層協議。ZigBee聯盟在802.15.4的基礎上，對其網絡層協議和API(應用程序編程接口)進行了標準化。另外ZigBee聯盟還開發了安全層，以保證使用ZigBee協議標準的物聯網設備不會意外泄漏其標識，而且這種利用網絡的遠距離傳輸的信息不會被其他節點獲得。Zigbee網絡體系架構ZigBee聯盟成立于2001年8月。2002年下半年ZigBee聯盟得以擴大，英國Invensys公司、日本三菱電氣公司、美國摩托羅拉公司以及荷蘭飛利浦半導體公司四大巨頭共同宣布加入“ZigBee聯盟”，研發名為“ZigBee”的下一代無線通信標準。目前ZigBee聯盟全球約有400多家成員，包括國際著名半導體生產商、技術提供者、代工生產商以及最終使用者，其總營業額突破1萬億美元。2011年6月，ZigBee聯盟分別在北京和無錫設立了辦事處，作為在中國開展物聯網產業技術交流與合作的平臺。截至目前為止，ZigBee共公布了三個協議標準，分別稱為ZigBee2004，ZigBee2006，Zigbee2007。ZigBee2007規范了兩套功能指令集，分別是ZigBee功能命令集和ZigBeePro功能命令集。ZigBee各個版本的比較如表3-2所示。表3-2ZigBee各版本的比較版本號ZigBee04ZigBee06ZigBee07ZigBee07指令集無無ZigbeeZigbeePro無線射頻標準802.15.4802.15.4802.15.4802.15.4地址分配無CSKIPCSKIP隨機拓撲星狀樹狀、網狀樹狀、網狀網狀大網絡不支持不支持不支持支持自動跳頻是，3信道否否是PANID沖突決策支持否可選支持數據分割支持否可選可選多對一路由否否否支持高安全支持支持，1密鑰支持，1密鑰支持，多密鑰支持節點數目少量節點300個以下300個以下1000個以上應用領域消費電子住宅住宅商業2、ZigBee主要技術特點（1）低功耗（2）低成本（3）時延短（4）傳輸范圍小（5）數據傳輸速率低（6）數據傳輸的可靠性（7）安全性好3、ZigBee網絡結構在ZigBee網絡中節點按照不同的功能，可以分為協調器節點、路由器節點和終端節點3種。一個ZigBee網絡由一個協調器節點、多個路由器和多個終端設備節點組成。ZigBee的網絡結構具有星狀（STAR），樹狀（TREE），網狀（MESH）3種網絡拓撲，如圖3-2所示。圖3-2ZigBee組網示意圖工業、農業、商業消費電子、汽車自動化監視傳感器自動化控制TVVCRDVD、CD低速無線設備個人健康監護PC機的外圍設備鼠標、鍵盤、操作桿玩具和游戲家庭自動化監視診斷傳感器玩具游戲器具保安HVAC照明門禁4．ZigBee應用場景（圖3-3）圖3-3ZigBee應用場景ZigBee主要應用范圍很廣，這得益于ZigBee具有的低速率、低成本和低功耗的特點。如上圖所示，ZigBee可以廣泛應用的領域包括工業、農業控制、商業領域、消費性電子、PC機的外圍設備、家庭自動化、玩具和游戲、個人健康監護、醫用設備控制、汽車自動化等領域。具體地講，ZigBee技術可以應用到消費性電子設備、家庭和建筑自動化設備，智能家居（照明控制、各類窗簾控制、家庭安防、暖氣控制、內置