物联网技术概论_5_物联网通信技术

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1、桂小林1 桂小林1 1 物联网技术概论 第5章 桂小林2 物联网通信技术 物联网通信技术包含近距离无线通信技术 有线传输技术 远距离无线通信技术 Internet技术等 如图5 1所示 利用近距离无线通信技术 有线传输技术组成局域网 实现感知数据的汇聚 利用Internet技术实现感知数据的共享 利用远距离无线通信技术弥补有线无法涉及的区域 这些技术集合在一起 成为实现物联网数据传输的关键通信技术 桂小林3 物联网通信技术 5 1近距离无线通信技术近距离无线通信技术是实现无线局域网 无线个人局域网中节点 设备组网的常用通信技术 用于将传感器 RFID 以及手机等移动感知设备的感知数据进行数据汇

2、聚 并通过网关传输到上层网络中 近距离无线通信技术通常有Wi Fi技术 蓝牙技术 ZigBee技术 桂小林4 5 1 1Wi Fi技术 5 1 1Wi Fi技术Wi Fi wirelessfidelity 无线保真 技术 是一种将PC机 笔记本 移动手持设备 如PDA 手机 等终端以无线方式互相连接的短距离无线电通信技术 由Wi Fi联盟于1999发布 Wi Fi联盟最初为无线以太网相容联盟 WirelessEthernetCompatibilityAlliance WECA 因此 Wi Fi技术又称无线相容性认证技术 5 1 1Wi Fi技术 Wi Fi联盟主要针对移动设备 规范了基于IEE

3、E802 11协议的数据连接技术 用以支持包括本地无线局域网 WirelessLocalAreaNetworks WLAN 个人局域网 PersonalAreaNetworks PAN 在内的网络 1 Wi Fi常用的协议标准1 工作于2 4GHz频段 数据传输率最高可达11Mbps的IEEE802 11b标准 2 工作于5GHz频段 数据传输率最高可达54Mbps的IEEE802 11a标准 3 工作于2 4GHz频段 数据传输率最高可达54Mbps的IEEE802 11g标准 4 工作于2 4GHz 5GHz频段 数据传输率最高可达300Mbps的IEEE802 11n标准 Wi Fi常用

4、协议标准 桂小林8 5 1 1Wi Fi技术 2 Wi Fi特点 覆盖范围广 开放性区域的通信距离通常可达305米 封闭性区域的通信距离通常在76米到122米之间 特别是基于智能天线技术的802 11n标准 可将覆盖范围扩大到几平方公里 传输速度快 基于不同的802 11标准 传输速度可从11Mbps到450Mbps 建网成本低 使用便捷 通过在机场 车站 咖啡店 图书馆等人员较密集的地方设置 热点 HotSpot 即无线接入点 AccessPoint AP 任意具备无线接入网卡的设备均可利用Wi Fi技术实现网络访问 更健康更安全 Wi Fi技术采用IEEE802 11标准 实际发射功率约为

5、60 70毫瓦 与在200毫瓦至1瓦间的手机发射功率相比 更加安全 5 1 1Wi Fi技术 3 Wi Fi组网技术利用Wi Fi技术实现组网 称为无线LAN 无线LAN有两种模式一种是没有接入点的Ad hoc模式 利用Wi Fi技术实现设备间的之间连接 通常用在掌上游戏机 数字相机和其它电子设备 实现数据的之间传输 另一种是接入点模式 利用无线路由器作为访问接入点 具有无线网卡的台式机 笔记本 以及具有Wi fi接口的手机均可作为无线终端接入 形成一个由无线终端与接入点组成的的无线局域网络 在接入点模式中 Wi Fi的设置至少需要一个接入点和一个或一个以上的终端 接入点每100ms将服务集标

6、示 ServiceSetIdentifier SSID 经由信号台 beacons 分组广播一次 分组的传输速率是1Mbit s 并且长度短 所以这个广播动作对网络性能的影响不大 因为Wi Fi规定的最低传输速率是1Mbit s 所以确保所有的Wi Fi终端都能收到这个SSID广播分组 图5 1基于接入点模式的Wi Fi组网示意图 5 1 1Wi Fi技术 4 Wi Fi接入基于Wi Fi技术的无线网络使用方便 快捷高效 使得无线接入点数量迅猛增长 Wi Fi的流行接入模式IEEE802 11n IEEE802 11n Wi Fi安全技术 由于Wi Fi是采用射频技术进行网络连接及传输的开放式

7、物理系统 其安全性主要表现在物理层 链路层和网络层 核心是数据链路层安全 WEP WiredEquivalentPrivacy WEP IEEE802 11b标准规定了一种称为有线等价保密协议WEP的加密方案 提供了确保无线局域网数据流的安全机制 WEP采用的加密算法是由RonRivetsofRSADataSecurityInc在1987年设计的40位的RC4加密算法 RC4算法属于对称流密码 支持可变长度密钥 WEP支持64位和128位加密 对于64位加密 加密密钥为10个十六进制字符 0 9和A F 或5个ASCII字符 对于128位加密 加密密钥为26个十六进制字符或13个ASCII字符

8、 64位加密又称40位加密 128位加密又称104位加密 WPA 无线保护访问 WirelessProtectedAccess WPA 是由Wi Fi联盟提出的一个无线安全访问保护协议 WPA协议的提出旨在克服所有WEP协议的安全缺陷 WPA协议大大改进了之前的无线网络安全保护能力和访问控制技术 使无线网络数据的安全级别提高 WPA主要解决了WEP中在客户端与缺乏身份认证的访问点之间使用相同静态密钥和网络接入时身份认证方面存在的缺陷问题 表7 2WEP和WPA的比较 WPA2加密技术WPA2除了使用802 1x EAP框架以确保身份验证外 四次握手 是另一个重要的WPA2的身份验证过程 预先共

9、享密钥 PSK 高级加密标准 AdvancedEncryptionStandard AES 桂小林21 5 1 2蓝牙技术 蓝牙 Bluetooth 是一种支持设备短距离通信 10cm到10m之间 的无线电技术 能在包括移动电话 PDA 无线耳机 笔记本计算机 相关外设等众多设备之间进行无线信息交换 利用蓝牙技术 能够有效地简化移动通信终端设备之间的通信 也能够成功地简化设备与因特网Internet之间的通信 从而数据传输变得更加迅速高效 蓝牙技术最初由爱立信公司创制 1 蓝牙协议栈蓝牙联盟针对蓝牙技术制定了相应的协议结构 IEEE802 15委员会对物理层和数据链路层进行了标准化 于2002

10、年批准了第一个PAN标准802 15 1 1 协议栈最底层是物理无线电层 处理与无线电传送和调制有关的问题 蓝牙是一个低功率系统 通信范围在10米以内 运行在2 4GHz频段上 该频段分为79个信道 每个信道1MHz 总数据率为1Mbps 采用时分双工传输方案实现全双工传输 2 蓝牙基带层将原始位流转变成帧 每一帧都是在一个逻辑信道上进行传输的 该逻辑信道位于主节点与某一个从节点之间 称为链路 蓝牙标准中共有两种链路 第一种是ACL链路 异步无连接链路 AsynchronousConnection Less 另一种是SCO链路 面向连接的同步链路 SynchronousConnectionOr

11、iented 用于实时数据传输 例如电话 3 链路管理器负责在设备之间建立逻辑信道 包括电源管理 认证和服务质量 逻辑链路控制适应协议 LogicalLinkControladaptationProtocol L2CAP 为上面各层屏蔽传输细节 主要包含三个功能 第一 在发送方 接收来自上面各层的分组 分组最大为64KB 将其拆散到帧中 在接收方 重组为对应分组 第二 处理多个分组源的多路复用和解复用 当一个分组被重组时 决定由哪一个上层协议来处理它 例如 由RFcomm或者电话协议来处理 第三 处理与服务质量有关的需求 此外 音频协议和控制协议分别处理音频和控制相关的事宜 上层应用可略过L2

12、CAP直接调用这两个协议 4 中间件层由许多不同的协议混合组成 RFcomm 无线电频率通信 射频通信 RadioFrequencyCommunication 是指模拟连接键盘 鼠标 modem等设备的串口通信 5 应用层包含特定应用的协议子集 桂小林27 5 1 3ZigBee技术 ZigBee技术是新兴的可以实现短距离内双向无线通信的技术 以其复杂程度低 能耗低 成本低取胜于其余的短距离无线通信技术 它因模拟蜜蜂的通信方式而得名 过去又称 HomeRFLite RF Easylink 或 FireFly 目前统一称为Zigbee 是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案 主要应用于短距离

13、内 传输速度要求不高的电子通信设备之间的数据传输和典型的有周期性 间歇性反应时间的数据传输 ZigBee技术主要被作为短距离无线传感器网络的通信标准 广泛应用于家庭居住控制 商业建筑自动化和工厂车间管理等领域 桂小林28 Zigbee处理器 桂小林29 Zigbee节点 CC2530 CC2530是用于2 4 GHzIEEE802 15 4 ZigBee和RF4CE应用的一个真正的片上系统 SoC 解决方案 它能够以非常低的总的材料成本建立强大的网络节点 CC2530结合了领先的RF收发器的优良性能 业界标准的增强型8051CPU 系统内可编程闪存 8 KBRAM和许多其它强大的功能 CC25

14、30有四种不同的闪存版本 CC2530F32 64 128 256 分别具有32 64 128 256KB的闪存 CC2530F256结合了德州仪器的业界领先的黄金单元ZigBee协议栈 Z Stack 提供了一个强大和完整的ZigBee解决方案 CC2530F64结合了德州仪器的黄金单元RemoTI 更好地提供了一个强大和完整的ZigBeeRF4CE远程控制解决方案 Zigbee网关 ZigBee协议标准 ZigBee针对低速率无线个人局域网 基于IEEE802 15 4介质访问控制层和物理层标准 ZigBee的协议框架主要由IEEE802 15 4小组和ZigBee联盟两个组织负责标准规范

15、的制定 ZigBee建立在802 15 4标准之上 它确定了可在不同制造商之间共享的应用纲要 IEEE802 15 4只定义了物理层 PHY 和数据链路层 ZigBee协议标准 ZigBee传输距离 ZigBee兼容的产品工作在IEEE802 15 4的物理层上 可工作在2 4GHz 全球通用标准 868MHz 欧洲标准 和915MHz 美国标准 三个频段上 并且在这三个频段上分别具有250kbps 16个信道 20kbps 1个信道 和40kbps 10个信道 的最高数据传输速率 在使用2 4GHz频段时 ZigBee技术室内传输距离为10米 室外传输距离则能达到200米 使用其它频段时 室

16、内传输距离为30米 室外传输距离则能达到1000米 实际传输中 其传输距离根据发射功率确定 可变化调整 ZigBee组网技术 ZigBee可以采用星形 树状 网状拓扑 也允许三者之间的组合在ZigBee技术的应用中 具有ZigBee协调点功能 且未加入任一网络的节点可以发起建立一个新的ZigBee网络 该节点就是该网络的ZigBee协调点 Sink节点 当一个未加入网络的节点要加入当前网络时 向网络中的节点发送关联请求 收到关联请求的节点如果有能力接受其他节点为其子节点 就为该节点分配一个网络中唯一的16bit网络地址 并发出关联应答 收到关联应答后 此节点成功加入网络 并可接受其他节点的关联 节点加入网络后 将自己的PANID标识设为与ZigBee协调点相同的标识 ZigBee组网技术 桂小林38 学生讨论 互动环节 说出几个Zigbee的应用1 2 Zigbee应用 灯光控制系统 桂小林40 桂小林41 路灯管理视频 城市照明智能监控与综合管理系统 数字矿山视频 桂小林44 5 2远距离无线通信技术 远距离无线通信技术常被用在偏远山区 岛屿等有线通信设施 例如光缆等 因地域 条件