85第五章 物联网传输技术

物联网传输技术目标：本章在向学员介绍物联网体系中传输层所使用的相关技术，通过本课的学习，学员应该掌握如下知识：IP协议栈的应用WLAN无线网络应用学时：16.1物联网传输层的主要技术•按传输的方式分为：–有线网络–无线网络•按距离的方式分为：–短距离–长距离6.1物联网传输层的主要技术因物联网构成的特点，在其传输层主要应用的技术为无线网络技术，所以基于以下的技术会成为构建物联网整个体系的关键技术：•短距离无线传输；–ZigBee–WiFi(Wlan)–Bluetooth(蓝牙)•长距离无线传输：–GPRS–WCDMA–TD-SCDMA–GSM6.1.2无线技术•无线技术的参数分布101001,00010,000101001,00010,000100,000速率kbpsGSM802.11a/gGPRSEDGE20002003-42005Bluetooth3GHiperLAN/2Bluetooth2.0距离（米）802.11bZigBeeWiMediaBluetooth1.56.1.2无线技术短距离无线技术比较特性IEEE802.11bWi-FiIEEE802.15.3蓝牙IEEE802.15.4/ZigBee电池寿命几小时几周6-24个月复杂程度非常复杂复杂简单节点/主节点32个7个65000个接入网络速度最长3秒最长10秒1秒以内覆盖范围100m10m30-300m可扩展性可以漫游不可以漫游可以漫游有效吞吐量5Mbps-7Mbps700Kbps100Kbps安全验证服务装置ID(SSID)64位，128位128位AES和应用层应用电脑联网文件传输传感和控制6.2了解ZIGBEE•ZigBee是一种短距离、低功耗(发射功率仅为1mW,而且采用了休眠模式)的无线网络技术，主要由ZigBee联盟制定，其底层是采用IEEE802.15.4标准规范的MAC与PHY层•类似于CDMA和GSM网络，ZigBee数传模块类似于移动网络基站。通讯距离从标准的75米到几百米、几公里，并且支持无线扩展6.2.1ZigBee联盟•ZigBee联盟成立于2001年8月。2002年下半年，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，它们将加盟“ZigBee联盟”，以研发名为“ZigBee”的下一代无线通信标准，这一事件成为该项技术发展过程中的里程碑。6.2.2ZIGBEE技术特点•低功耗•低数据量•低成本(免专利费)•使用免费频段2.4G(专用于工业、医疗…)•高抗干扰(CRC循环冗余校验)•高保密性(AES加密)•自动动态组网6.2.5ZigBee协议栈•协议栈结构图6.2.5ZigBee协议栈•协议栈内部结构6.2.5ZigBee协议栈•ZigBee协议栈是基于标准的开放式系统互联（OSI）七层模型，但是仅定义了那些相关实现预期市场空间功能的层。•IEEE802.15.4-2003标准定义了两个较低层：物理层（PHY）和媒体访问控制子层（MAC）•ZigBee联盟在此基础上建立了网络层（NWK）和应用层构架。应用层构架由应用支持子层（APS）、ZigBee设备对象（ZDO）和制造商定义的应用对象组成。6.2.5ZigBee协议栈物理层(PHY)功能：1.激活和休眠射频收发器；2.信道能量检测（energydetect）；3.检测接收数据包的链路质量指示（linkqualityindication,LQI）；4.空闲信道评估（clearchannelassessment,CCA）；5.收发数据。6.2.5ZigBee协议栈数据链路层功能：1.协调器产生并发送信标帧，普通设备根据协调器的信标帧与协议器同步；2.支持PAN网络的关联（association）和取消关联（disassociation）操作；3.支持无线信道通信安全；4.使用CSMA-CA机制访问信道；5.支持时槽保障（guaranteedtimeslot,GTS）机制；6.支持不同设备的MAC层间可靠传输。6.2.5ZigBee协议栈ZigBee的NWK层的职责应该包括的采用机制：•加入和离开一个网络•为帧运用安全功能•为到预定目的地的帧寻找路由•发现和维护设备之间的路由•发现邻居•存储相关的邻居信息6.2.5ZigBee协议栈应用会聚层功能：该层主要负责把不同的应用映射到ZigBee网络上，具体而言包括：1.安全与鉴权2.多个业务数据流的会聚3.设备发现4.服务发现6.2.6ZigBee网络ZigBee组网•ZigBee标准网络定义了三种类型(ZigBeedevicetype):–协作员(coordinator)–路由(router)–端节点(enddevice)6.2.6ZigBee网络•网络拓扑–ZigBee网络有三种组网方式，星型网、簇型网和网状网，其中只有路由节点与协调员节点才具有转发功能，也是由它们构建网络框架6.2.6ZigBee网络•另外，直接使用IEEE802.15.4底层的还可以使用两种组网方式，点对点模式(P2P)和多点(P2M)模式，在实际应用中比较广泛，点对点联网方式也使程序开发变得简单•Zigbee采用的自组织网通信方式•ZigBee技术所采用的自组织网是怎么回事？举一个简单的例子就可以说明这个问题，当一队伞兵空降后，每人持有一个ZigBee网络模块终端，降落到地面后，只要他们彼此间在网络模块的通信范围内，通过彼此自动寻找，很快就可以形成一个互联互通的ZigBee网络。而且，由于人员的移动，彼此间的联络还会发生变化。因而，模块还可以通过重新寻找通信对象，确定彼此间的联络，对原有网络进行刷新。这就是自组织网ZigBee网络描述6.2.7ZIGBEE应用•商业楼宇自动化•工业自动化过程监控•家居自动化•定位应用6.2.7.1家庭自动化6.2.7.2工业自动化6.2.7.3智慧能源6.2.7.4商业楼宇自动化6.2.7.5无线抄表6.2.8ZigBee硬件•TICC2430及TICC2530芯片6.2.8ZigBee硬件•ZigBee芯片中的控制核心多为51处理器•开发工具多使用IAR开发环境6.2.9ZigBee技术难点•ZigBee技术上是先进的，在嵌入式技术发达的国家，应用发展速度迅速，但在技术积累较弱的国家，就会因为技术复杂，无法掌控•自组网自恢复是ZigBee网络的一大特色，为网络的健壮性和便捷性提供了保障，但完善的机制在实现上会变得过于复杂，分析及学习会非常困难，需要对整个协议有了解•关于源代码，TI虽然公布了自己ZigBeepro协议栈的代码，但本身协议栈的流程和状态图就很复杂，理解及开发难度大