第3章-物联网通信与网络技术

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1、物联网应用技术导论课件 第3章 物联网通信与网络技术,东软电子出版社 罗汉江主编物联网应用技术导论教材配套课件3,第3章 物联网通信与网络技术,本章主要内容,3.1 物联网通信与网络技术概述 3.2 无线个域网络技术 3.3 无线局域网络技术 3.4 无线城域网络技术 3.5 无线广域网络技术 3.6 物联网的接入技术 3.7 物联网其他网络技术,物联网要实现物物相连，需要网络作为连接的桥梁。物联网的通信与组网技术主要完成感知信息的可靠传输。由于物联网连接的物体多种多样，物联网涉及的网络技术也有多种，如可以是有线网络、无线网络；可以是短距离网络和长距离网络；可以是企业专用网络、公用网络；还可以

2、是局域网、互联网等等。,3.1 物联网通信与网络技术概述,通信技术简单地说是指将信息从一个地点传送到另一个地点所采取的方法和措施。按照历史发展的顺序，通信技术先后由人体传递信息通信到简易信号通信，再发展到有线通信和无线通信。近年来发展最快、应用最广的就是无线通信技术。,3.1.1 无线通信及网络技术,1、 无线通信技术 无线通信技术主要包括无线电通信、微波通信、红外通信和光通信等多种形式。其中无线电通信最为广泛，它是利用电磁波信号在自由空间传播的特性进行信息交换的一种通信方式。 目前无线通信主要使用数字化通信技术。数字化通信是一种用数字信号0和1进行数字编码传输信息的通信方式。数字化通信可以传

3、输电报、数据等数字信号，也可传输经过数字化处理的语音和图像等模拟信号。,2、无线通信网络及分类 无线通信网络是利用无线通信技术、通信设备、通信标准和协议等组成的通信网络，在该网络中通信终端能够接入网络并依赖该网络进行相互通信。 根据接入网络的方式不同可以分为集中式和自组织两种。,集中式终端根据其位置是否固定又可分为固定式和移动式，如固定或移动基站、固定骨干节点等。典型的集中式包括各类蜂窝网络，通过安装多个固定的基站把较大通信区域覆盖，而每个基站可以管理成百上千个移动接入节点。在无线局域网络中可以利用集中式接入在一个相对小区域内形成星状网络。,自组织网络（Ad Hoc Networks）是与集中

4、式网络完全不同的一种网络，在这种网络中，没有固定集中的控制中心，所有在网络中的节点通过一定的自组织协议加入网络，节点间的通信通过邻居节点的多跳来实现。自组织网络属于对等网络，不会因为其中一个节点的损坏而失去功能，而集中式网络如果基站损坏，将会破坏网络的通信功能。,3、无线通信技术的发展 无线通信技术是社会信息化的重要支撑，随着信息化社会的到来以及IP技术的兴起，未来无线通信技术将得到快速发展，其发展的主要趋势是宽带化、接入多样化、信息个人化和IP网络化等几个方面： 宽带化 IP网络化 信息个人化 核心网络综合化，接入网络多样化,3.1.2 物联网网络技术 物联网的网络是连接物体的信息通道，在物

5、联网中的网络有多种形式，如有线网络、无线网络，局域网络、互联网，企业网络、专用网络等等。对于物联网，无线网络具有特别的吸引力，不仅可以摆脱布线的麻烦和费用，而且对于移动物体可能是唯一的连网选择。,无线网络技术丰富多样，根据距离不同，可以组成无线个域网、无线局域网、无线城域网和无线广域网。其中近距离的无线技术是物联网最为活跃的部分，因为物联网被称作是互联网的最后一公里，也称为末梢网络。根据应用的不同，其通信距离可能是几厘米到几百米之间，目前常用的技术主要有蓝牙、ZigBee、Z-wave、RFID、NFC、UWB、WI-FI等。,3.2 无线个域网络技术 无线个域网(Wireless Perso

6、nal Area Network，WPAN)是为了实现活动半径小、业务类型丰富、面向特定群体、无线无缝的连接而提出的新兴无线通信网络技术。无线个域网主要解决最后几十米的通信问题，目前主要包括蓝牙技术、ZigBee技术、UWB技术、Z-wave技术、NFC（近距离通信）和红外通信等技术，具有低成本、低功耗、通信距离短等特点。,3.2.1 蓝牙技术 1、蓝牙技术简介 蓝牙（Bluetooth）是一种低成本、低功率、近距离无线连接技术标准，是实现数据与话音无线传输的开放性规范。,2、蓝牙的主要技术特点 蓝牙技术使用的工作频率为2.4G-2.5G之间，属于免费的ISM（Industry Science

7、 Medicine）频段。 蓝牙技术可以实现语音、视频和数据的传输，其最高的通信速率为1Mb/s，采用时分方式的全双工通信，通信距离为10m左右（如果配置功率放大器可以使通信距离达到100m）。,蓝牙产品采用跳频技术，能够抵抗信号衰落；采用快跳频和短分组技术，能够有效地减少同频干扰，提高通信的安全性；采用前向纠错编码技术，以便在远距离通信时减少随机噪声的干扰；采用FM调制方式，使设备变得更为简单可靠；“蓝牙”技术产品一个跳频频率发送一个同步分组，每组一个分组占用一个时隙，也可以增至5个时隙；“蓝牙”技术支持一个异步数据通道，或者3个并发的同步语音通道，或者一个同时传送异步数据和同步语音的通道。

8、,表3-1 蓝牙技术指标和系统参数,3、蓝牙组网方式 蓝牙系统采用无基站的灵活组网方式，支持点对点或点对多点的通信方式，在蓝牙2.0标准中一个蓝牙设备可同时与7个其他的蓝牙设备相连接。如图3-1所示：,图3-1 蓝牙的组网方式示意图,基于蓝牙技术的无线接入简称为BLUEPAC （Bluetooth Public Access），蓝牙系统的网络拓扑结构有两种形式：微微网（piconet）和分布式网络（Scatternet）。,微微网（piconet）：通过蓝牙技术以特定方式连接起来的一种微型网络，一个微微网可以只是两台相连的设备，比如一台便携式电脑和一部移动电话，也可以是8台连在一起的设备。,蓝

9、牙分布式网络是自组网（ad hoc networks）的一种特例，其最大特点是无基站支持，每个移动终端的地位是平等的，并可独立进行分组转发的决策。其建网灵活性，多跳性、拓扑结构动态变化和分布式控制等特点是构建蓝牙分布式网络的基础。,4、蓝牙技术的主要应用设备 蓝牙无线接入技术具有小规模、低成本、短距离连接等特点，能够有效地简化掌上电脑、笔记本电脑和移动电话手机等移动通信终端设备之间的通信，也能够成功地简化以上这些设备与Internet之间的通信，从而使这些现代通信设备与因特网之间的数据传输变得更加迅速高效，为无线通信拓宽道路。,蓝牙技术的主要缺点是传输距离短、传输速率慢。但由于蓝牙技术能耗低，

10、在物联网低功耗蓝牙主要应用于医疗和健康传感器网络等电源供给有限的场合，如应用的领域包括：血氧计、血压计、体温计、体重秤、血糖仪、心血管活动监控仪、便携式心电图仪等等。蓝牙技术已经得到非常普遍的应用，全球大约80%以上的手机都使用了蓝牙技术，其中将近100%的智能手机都已经使用了蓝牙技术。利用每个人都拥有手机的优势，蓝牙技术可以用在更加广阔的领域，如车载网的应用、手机、电玩、电脑、手表、运动及健体、保健、汽车工业、家居电器、远程控制、自动化工业等等。,3.2.2 ZigBee网络技术 ZigBee 技术是一种新兴的短距离无线通信技术，主要面向低速率无线个人区域网（LRWPAN，Low Rate

11、Wireless Personal Area Network），典型特征是近距离、低功耗、低成本、低传输速率，主要适用于工业监控、远程控制、传感器网络、家庭监控、安全系统和玩具等领域，目的是为了满足小型廉价设备的无线联网和控制。Zigbee技术采用三种频段：2.4GHz 、868MHz和915MHz 。2.4GHz频段是全球通用频段，868MHz和915MHz则是用于美国和欧洲的ISM频段，这两个频段的引入避免了2.4GHz 附近各种无线通信设备的相互干扰。,1、ZigBee与IEEE802.15.4协议 ZigBee和IEEE802.15.4并不是完全一回事。IEEE 802.15.4 是I

12、EEE无线个人区域网(Personal Area Network，PAN)工作组的一项标准，被称作IEEE802.15.4技术标准，IEEE仅处理低级MAC层和物理层协议。ZigBee联盟在802.15.4的基础上，对其网络层协议和API进行了标准化。另外ZigBee联盟还开发了安全层，以保证使用ZigBee协议标准的物联网设备不会意外泄漏其标识，而且这种利用网络的远距离传输的信息不会被其他节点获得。,ZigBee联盟成立于2001年8月。2002年下半年ZigBee联盟得以扩大，英国Invensys公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦半导体公司四大巨头共同宣布加入“ZigB

13、ee 联盟”，研发名为“ZigBee”的下一代无线通信标准。目前ZigBee联盟全球约有400多家成员，包括国际著名半导体生产商、技术提供者、代工生产商以及最终使用者，其总营业额突破1万亿美元。 2011年6月，ZigBee联盟分别在北京和无锡设立了办事处，作为在中国开展物联网产业技术交流与合作的平台。,截至目前为止，ZigBee共公布了三个协议标准，分别称为ZigBee2004，ZigBee2006，Zigbee 2007。ZigBee 2007规范了两套功能指令集，分别是ZigBee功能命令集和ZigBee Pro 功能命令集。ZigBee各个版本的比较如表3-2所示。,表3-2 ZigB

14、ee各版本的比较,2、ZigBee主要技术特点 （1）低功耗 （2）低成本 （3）时延短 （4）传输范围小 （5） 数据传输速率低 （6）数据传输的可靠性 （7）安全性好,3、ZigBee 网络结构 在ZigBee网络中节点按照不同的功能，可以分为协调器节点、路由器节点、和终端节点3种。一个ZigBee网络由一个协调器节点、多个路由器和多个终端设备节点组成。,ZigBee 的网络结构具有星状（STAR）， 树状（TREE）， 网状（MESH）3种网络拓扑，如图3-2所示。,图3-2 ZigBee组网示意图,4ZigBee 应用场景（图3-3）,图3-3 ZigBee应用场景,ZigBee主要应

15、用范围很广，这得益于ZigBee具有的低速率、低成本和低功耗的特点。如上图所示，ZigBee可以广泛应用的领域包括工业、农业控制、商业领域、消费性电子、PC机的外围设备、家庭自动化、玩具和游戏、个人健康监护、医用设备控制、汽车自动化等领域。具体地讲，ZigBee技术可以应用到消费性电子设备、家庭和建筑自动化设备，智能家居（照明控制、各类窗帘控制、家庭安防、暖气控制、内置家居控制的机顶盒、万能遥控器）、环境检测与控制、自动读表系统、烟雾传感器、医疗监控系统、大型空调系统、工业和楼宇自动化、安全监控、工业控制、传感器控制等方面。,3.2.3 UWB超宽带技术 1、UWB技术简介 “UWB”（ult

16、ra wideband）是超宽带无线技术的缩写。UWB技术是一种使用1GHz以上带宽的无线通信技术。虽然是无线通信，但其通信速度可以达到几百Mbit/秒以上。,2、 UWB的主要技术特点 （1）超宽带带来全新的通信方式及频谱管理模式。 （2）抗多径能力强。 （3）定位精确。 （4）保密性强。 （5）UWB具有超高速、超大容量、抗截获性好等诸多优点，超宽带的低功耗特点对于用便携式电池供电的系统长时间工作是非常重要的。 （6）系统结构简单、成本低、易数字化。,3、 UWB的应用 超宽带无线通信应用按照通信距离分大体可以分为两类，一类是短距离高速应用，数据传输速率可以达到数百Mbit/s，主要是构建短距离高速WPAN、家庭无线多媒体网络以及替代高速短程有线连接，如无线USB和DVD，典型的通信距离是10m；另一类中长距离（几十米以上）低速率应用，通常传输速率为1Mbit/量级，主要应用于无线传感器网络和低速率连接。,3.2.4 Z-wave技术 1、 Z-wave技术简介 Z-wave技术是由丹麦的芯片和软件开发商Zensys公司开发的一