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

2、备的感知数据进行数据汇聚，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 4,5.1.1 Wi-Fi技术,5.1.1 Wi-Fi技术 Wi-Fi （wireless fidelity，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（Wireless Ethernet Compatibility Alliance，WECA），因此，Wi-Fi技术又称无线相容性认证技术。,5.1.1 Wi-Fi

3、技术,Wi-Fi联盟主要针对移动设备，规范了基于IEEE 802.11协议的数据连接技术，用以支持包括本地无线局域网（Wireless Local Area Networks，WLAN）、个人局域网（Personal Area Networks，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IEEE 802.11b标准； 2）工作于5GHz频段、数据传输率最高可达54Mbps的IEEE 802.11a标准； 3）工作于2.4GHz频段、数据传输率最高可达54Mbps的IEEE 802.11g标准； 4）工作于2.4GHz/5G

4、Hz频段、数据传输率最高可达300Mbps的IEEE 802.11n标准。,Wi-Fi常用协议标准,桂小林 8,5.1.1 Wi-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 (Access Point，AP)，任意具备无线接入网卡

5、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6070毫瓦，与在200毫瓦至1瓦间的手机发射功率相比，更加安全。,5.1.1 Wi-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

6、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将服务集标示（Service Set Identifier，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,5.1.1 Wi-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

7、长。 Wi-Fi的流行接入模式 IEEE 802.11n,IEEE 802.11n,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（Wired Equivalent Privacy，WEP） IEEE 802.11b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Ron Rivets of RSA Data Security Inc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

8、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。 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（Wireless Protected Access，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

9、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7-2 WEP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。“预先共享密钥 (PSK)“ .,高级加密标准 （Advanced Encryption Standard，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

10、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

11、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，Asynchronous Connection-Less），另一种是SCO链路（面向连接的同步链路，Synchronous Connection Oriented），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（Logical Link Control adaptation Protocol，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

12、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L2CAP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，Radio Frequency Communication）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 27,5.1.3 ZigBee技术,ZigBe

13、e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,CC25

14、30,CC2530 是用于2.4-GHz IEEE 802.15.4、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8051 CPU，系统内可编程闪存，8-KB RAM 和许多其它强大的功能。CC2530 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

15、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ZigBee RF4CE 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IEEE 802.15.4介质访问控制层和物理层标准。 ZigBee的协议框架主要由IEEE 802.15.4小组和ZigBee联盟两个组织负责标准规范的制定，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。 IEEE 802.15.4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

16、的产品工作在IEEE 802.15.4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16 bit 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PAN ID 标识设为与ZigBee 协调点相同的标识。,