第5章网络与通信

2020/9/20物联网应用技术与实践2016.82020/9/20第5章网络与通信技术5.1网络与通信技术概述网络与通信技术是物联网网络层的核心技术。物联网的网络是物联网数据通信的基石，它是在现有通信网络的基础上建立起来的。物联网中连接终端感知网络与服务器的桥梁便是各类承载网络。物联网的承载网络包括互联网、无线广域网、无线城域网、无线局域网、无线个域网等。2020/9/20互联网物联网的核心网络无线个域网蓝牙、ZigBee无线城域网WiMax无线局域网WiFi无线广域网3G/4G网络层网络构建图2020/9/20物联网在传输网络层存在各种网络形式，通常使用的网络形式有如下几种，它们主要承担着数据传输的功能。1）互联网互联网/电信网是物联网的核心网络、平台和技术支持。互联网是一个很庞大的系统，它包括物理层、数据链路层、传输层、网络层和应用层。其核心技术就是数据交换。网络接入方式分为有线接入和无线接入，数据交换分为电路交换、报文交换和分组交换。2020/9/20互联网的TCP/IP协议是网络层中的核心内容。为了让Internet适应物联网大数据量和多终端的要求，业界正在发展一系列新技术。互联网中用IP地址对节点进行标识，而目前的IPv4受制于资源空间耗竭，已经无法提供更多的IP地址，所以IPv6以其近乎无限的地址空间将在物联网中发挥重大作用。IPv6的使用扫清了可接入网络的终端设备在数量上的限制。2020/9/20•2）无线宽带网•WiFi/WiMax等无线宽带技术的覆盖范围较广，传输速度较快，为物联网提供高速可靠廉价且不受接入设备位置限制的互联手段。•3）无线低速网•ZigBee、蓝牙和红外等低速网络协议能够适应物联网中处理能力较低的节点的低速率、低通信半径、低计算能力和低能量来源等特征的无线传感网络系统。•4）移动通信网•移动通信就是移动体之间的通信，或移动物体与固定物体之间的通信。移动通信网络最大的特征就是可移动。它采用蜂窝网结构，实现对通信区域的全覆盖，而且可以实现基站无缝切换。2020/9/20移动通信网由无线接入网、核心网和骨干网三部分组成。无线接入网主要为移动终端提供接入网络服务，核心网和骨干网主要为各种业务提供交换和传输服务。从通信技术层面看，移动通信网的基本技术可分为传输技术和交换技术两大类。移动通信经历了3代的发展，它们是模拟语音、数字语音以及数字语音和数据时代。在移动通信网中，当前比较热门的接入技术有3G和4G。2020/9/205.2无线个人局域网（WPAN）无线个人局域网简称WPAN（WirelessPersonalAreaNetwork，WPAN），WPAN是一种采用无线连接的个人局域网。美国电子与电器工程师协会（IEEE）802.15工作组是对无线个人局域网做出定义说明的机构。2020/9/20除了基于蓝牙技术的802.15之外，IEEE还推荐了其它两个类型，它们是低频率的802.15.4（TG4，也被称为ZigBee）和高频率的802.15.3（TG3，也被称为超波段或UWB），WPAN是为了实现活动半径小、业务类型丰富、面向特定群体、无线无缝连接而提出的新兴无线通信网络技术。如，TG4（ZigBee）针对低电压和低成本家庭控制方案提供20Kbps或250Kbps的数据传输速率，而TG3（UWB）则支持用于多媒体的介于20Mbps和1Gbps之间的数据传输速率。2020/9/20支持无线人域网的技术包括蓝牙、ZigBee、UWB、IrDA、HomeRF等，其中蓝牙技术在无线个人局域网中使用得最广泛。WPAN能够有效地解决“最后的几米电缆”的问题，进而将无线联网进行到底。WPAN是一种与无线广域网(WWAN)、无线城域网(WMAN)、无线局域网(WLAN)并列但覆盖范围相对较小的无线网络。在网络构成上，WPAN位于整个网络链的末端，用于实现同一地点终端与终端间的连接，如，连接手机和蓝牙耳机等。WPAN所覆盖的范围一般在10m半径以内，必须运行于许可的无线频段。WPAN设备具有价格便宜、体积小、易操作和功耗低等优点。2020/9/205.2.1蓝牙技术1、概述“蓝牙”（Bluetooth）是一种开放的技术规范，它是一种多装置之间通信的标准，它可在世界上的任何地方实现短距离的无线语音和数据通信。1994年，爱立信移动通信公司开始研究在移动电话及其附件之间实现低功耗、低成本无线接口的可行性。随着项目的进展，爱立信公司意识到短距无线通信（Short-DistanceWirelessCommunication）的应用前景无限广阔。爱立信将这项新的无线通信技术命名为“蓝牙”（Bluetooth）。它的名字取自10世纪丹麦国王HaraldBluetooth的名字。2020/9/20蓝牙是一种短距无线通信的技术规范，它最初的目标是取代现有的掌上电脑、移动电话等各种数字设备上的有线电缆连接。在制定蓝牙规范之初，就建立了统一全球的目标，向全球公开发布，工作频段为全球统一开放的2.4GHz工业、科学和医学频段。Bluetooth提供了一种在2.4G的ISM（IndustrialScientificMedical，ISM）频段，用于一个或多个装置之间在10米范围内的无线通信方式。2020/9/20ISM频段(2.4~2.4835GHz)主要是开放给工业、科学和医学三个主要机构使用，该频段是依据美国联邦通讯委员会(FederalCommunicationsCommittee，FCC)所定义出来，属于FreeLicense，并没有所谓使用授权的限制。无需许可证，只需要遵守一定的发射功率(一般低于1W)，并且不要对其它频段造成干扰即可。2020/9/20最初是由美国联邦通信委员会(FCC)分配的无需许可证的无线电频段（功率不能超过1W）。在美国分为为工业（902~928MHz）、科学研究（2.42~2.4835GHz）和医疗（5.725~5.850GHz）三个频段。而在欧洲900MHz的频段则有部份用于GSM通信，用于ISM的低频段为868MHZ和433MHz。2.4GHz为各国共同的ISM频段。因此，无线局域网，蓝牙，ZigBee等无线网络，均可选择在2.4GHz频段上。2020/9/20•2、蓝牙技术的应用从目前的应用来看，由于蓝牙体积小、功率低，其应用已不局限于计算机外设，几乎可以被集成到任何数字设备之中，特别是那些对数据传输速率要求不高的移动设备和便携设备。蓝牙技术已经应用于日常生活的各个方面，例如，引入蓝牙技术，就可以去掉移动电话与笔记本电脑之间的连接电缆而通过无线使其建立通信。2020/9/203.蓝牙技术的特点蓝牙技术的特点可归纳为如下几点。1）全球范围适用，蓝牙工作在2.4GHz的ISM频段，使用该频段无需向各国的无线电资源管理部门申请许可证。2）同时可传输语音和数据，蓝牙采用电路交换和分组交换技术，支持异步数据信道、三路语音信道以及异步数据与同步语音同时传输的信道。2020/9/20每个语音信道数据速率为64kbit/s，语音信号编码采用脉冲编码调制（PCM）或连续可变斜率增量调制（CVSD）方法。当采用非对称信道传输数据时，速率最高为721kbit/s，反向为57.6kbit/s；当采用对称信道传输数据时，速率最高为342.6kbit/s。蓝牙有两种链路类型：异步无连接（ACL）链路和同步面向连接（SCO）链路。2020/9/203）可以建立临时性的对等连接，根据蓝牙设备在网络中的角色，可分为主设备（Master）与从设备（Slave）。主设备是组网连接主动发起连接请求的蓝牙设备，几个蓝牙设备连接成一个微微网（Piconet）时，其中只有一个主设备，其余的均为从设备。2020/9/20微微网是蓝牙最基本的一种网络形式，一个微微网由2~8个蓝牙单元组成，即可以组成以一个为主、其他2~7个为副的电器组成的微微网。这些电器可以是PC机、打印机、传真机、数码相机、移动电话、笔记本电脑等等。多个微微网之间还可以互联形成散射网(Scatternet)，从而方便快捷地实现各类设备之间随时随地的通信。最简单的微微网是一个主设备和一个从设备组成的点对点的通信连接。2020/9/204）具有很好的抗干扰能力，工作在ISM频段的无线电设备有很多种，如家用微波炉、无线局域网（WLAN）、HomeRF等产品，为了能很好地抵抗来自这些设备的干扰，蓝牙采用了跳频（FrequencyHopping）方式来扩展频谱（SpreadSpectrum），将2.402～2.48GHz频段分成79个频点，相邻频点间隔1MHz。蓝牙设备在某个频点发送数据之后，再跳到另一个频点发送，而频点的排列顺序则是伪随机的，每秒钟频率改变1600次，每个频率持续625μS。2020/9/205）蓝牙模块体积很小、便于集成。由于个人移动设备的体积较小，所以，嵌入其内部的蓝牙模块体积就应该更小，如爱立信公司的蓝牙模块ROK101008的外形尺寸仅为32.8mm×16.8mm×2.95mm。其程序写在一个9x9mm的微芯片中。2020/9/206）低功耗，蓝牙设备在通信连接状态下，有四种工作模式，激活（Active）模式、呼吸（Sniff）模式、保持（Hold）模式和休眠（Park）模式。Active模式是正常的工作状态，另外三种模式是为了节能所规定的低功耗模式。依据发射输出电平功率不同，蓝牙传输有3种距离等级，它们是Class1为100m左右；Class2约为10m；Class3约为2~3m。一般情况下，其正常的工作范围是10m半径之内。在此范围内，可进行多台设备间的互联。2020/9/207）开放的接口标准，SIG为了推广蓝牙技术的使用，将蓝牙的技术标准全部公开，全世界范围内的任何单位和个人都可以进行蓝牙产品的开发，只要最终能通过SIG的蓝牙产品兼容性测试，就可以推向市场。8）成本低，随着市场需求的扩大，各个供应商纷纷推出自己的蓝牙芯片和模块，导致蓝牙产品价格飞速下降。2020/9/204.蓝牙匹配规则两个蓝牙设备在进行通信前，必须将其匹配在一起，以保证其中一个设备发出的数据信息只会被经过允许的另一个设备所接受。1）蓝牙主设备，主设备一般具有输入端。在进行蓝牙匹配操作时，用户通过输入端可输入随机的匹配密码来将两个设备匹配。蓝牙手机、安装有蓝牙模块的PC等都是主设备。例如，蓝牙手机和蓝牙PC进行匹配时，用户可在蓝牙手机上任意输入一组数字，然后在蓝牙PC上输入相同的一组数字，来完成这两个设备之间的匹配。2020/9/202）蓝牙从设备，从设备一般不具备输入端。因此，从设备在出厂时，在其蓝牙芯片中，固化有一个4位或6位数字的匹配密码。蓝牙耳机、优士通UD数码笔等都是从设备。例如，蓝牙PC与UD数码笔匹配时，用户将UD笔上的蓝牙匹配密码正确的输入到蓝牙PC上，完成UD笔与蓝牙PC之间的匹配。2020/9/203）主设备与主设备之间、主设备与从设备之间，是可以互相匹配在一起的；而从设备与从设备是无法匹配的。例如，蓝牙PC与蓝牙手机可以匹配在一起；蓝牙PC也可以与UD笔匹配在一起；而UD笔与UD笔之间是不能匹配的。一个主设备，可匹配一个或多个其他设备。例如，一部蓝牙手机，一般只能匹配7个蓝牙设备。而一台蓝牙PC，可匹配十多个或数十个蓝牙设备。在同一时间，蓝牙设备之间仅支持点对点通信。2020/9/205.2.2ZigBee技术1、概述在蓝牙技术的使用过程中，人们发现蓝牙技术尽管有许多优点，但仍存在许多缺陷。对工业，家庭自动化控制和遥测遥控领域而言，蓝牙技术显得太复杂，功耗大，距离近，组网规模太小等，而工业自动化对无线通信的需求越来越强烈。正因如此，国外对ZigBee技术的研究起步较早，研究也较成熟。2020/9/20ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通信技术。由于蜜蜂（bee）是靠飞翔和“嗡嗡”（zig）地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位和远近信息的，也就是蜜蜂依靠着这样的方式构成了群体中的通信“网络”，因此，Zig