第4章 通信技术-《物联网技术基础教程》

第4章通信技术学习任务无线低速网络移动通信网络设备对设备通信技术（M2M）Clicktoaddtitleinhere123本章主要涉及：4.1无线低速网络•物联网背景下连接的物体，既有智能的也有非智能的。•为了适应物联网中那些能力较低的节点低速率、低通信半径、低计算能力，和低能量的要求，需要对物联网中各种各样的物体进行操作的前提就是先将他们连接起来，低速网络协议是实现全面互联互通的前提。4.1无线低速网络•典型的无线低速网络协议有蓝牙（802.15.1协议）、紫蜂ZigBee（802.15.4协议）、红外及近距离无线通信NFC等无线低速网络技术。无线传输频段比较4.1.1蓝牙技术（Bluetooth）•蓝牙技术是一种支持设备短距离通信（一般10m内）的无线电技术。能在包括移动电话、PDA、无线耳机、笔记本电脑、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，为无线通信拓宽道路。4.1.1蓝牙技术（Bluetooth）•蓝牙技术使用高速跳频和时分多址等先进技术，在近距离内最廉价地将几台数字化设备呈网状链接起来。•蓝牙技术采用分散式网络结构，支持点对点及点对多点通信，工作在全球通用的2.4GHzISM（即工业、科学、医学）频段。其数据速率为1Mbps。采用时分双工传输方案实现全双工传输。4.1.1蓝牙技术（Bluetooth）1.蓝牙技术的起源•1998年5月，爱立信、诺基亚、东芝、IBM和英特尔公司等五家著名厂商，在联合开展短程无线通信技术的标准化活动时提出了蓝牙技术，其宗旨是提供一种短距离、低成本的无线传输应用技术。•蓝牙的名字来源于10世纪丹麦国王HaraldBlatand-英译为HaroldBluetooth(因为他十分喜欢吃蓝梅,所以牙齿每天都带着蓝色)。他将当时的瑞典、芬兰与丹麦统一起来。用他的名字来命名这种新的技术标准，含有将四分五裂的局面统一起来的意思。4.1.1蓝牙技术（Bluetooth）2.蓝牙技术的应用•蓝牙技术可以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膝上型电脑之间的令人讨厌的连接电缆而而通过无线使其建立通信。•打印机、PDA、桌上型电脑、传真机、键盘、游戏操纵杆以及所有其它的数字设备都可以成为蓝牙系统的一部分。4.1.1蓝牙技术（Bluetooth）3.蓝牙技术的规范及特点•蓝牙技术是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，它以低成本的近距离无线连接为基础，为固定与移动设备通信环境建立一个特别连接。•其程序写在一个9x9mm的微芯片中。蓝牙工作在全球通用的2.4GHzISM(即工业、科学、医学）频段。4.1.1蓝牙技术（Bluetooth）•蓝牙的标准是IEEE802.15，工作在2.4GHz频带，带宽为1Mb/s。•以时分方式进行全双工通信，其基带协议是电路交换和分组交换的组合。•一个跳频频率发送一个同步分组，每个分组占用一个时隙，使用扩频技术也可扩展到5个时隙。4.1.1蓝牙技术（Bluetooth）•同时，蓝牙技术支持1个异步数据通道或3个并发的同步话音通道，或1个同时传送异步数据和同步话音的通道。•每一个话音通道支持64kb/s的同步话音；异步通道支持最大速率为721kb/s，反向应答速率为57.6kb/s的非对称连接，或者是432.6kb/s的对称连接。4.1.1蓝牙技术（Bluetooth）•依据发射输出电平功率不同，蓝牙传输有3种距离等级：•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。4.1.1蓝牙技术（Bluetooth）4.蓝牙匹配规则•两个蓝牙设备在进行通讯前，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。•蓝牙技术将设备分为两种：主设备和从设备。4.1.1蓝牙技术（Bluetooth）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。）4.1.1蓝牙技术（Bluetooth）②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、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。）4.1.1蓝牙技术（Bluetooth）③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讯。4.1.2紫蜂技术（ZigBee）•ZigBee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讯技术。•主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。4.1.2紫蜂技术（ZigBee）•ZigBee采用DSSS技术调制发射，用于多个无线传感器组成网状网络，是一种短距离、低速率低功耗的无线网络传输技术，•采用DSSS技术调制发射，用于多个无线传感器组成网状网络，新一代的无线传感器网络将采用802.15.4(ZigBee)协议。4.1.2紫蜂技术（ZigBee）1.紫蜂技术（ZigBee）简介•ZigBee这个名字来源于蜂群的通信方式：蜜蜂之间通过跳Zigzag形状的舞蹈来交互消息，以便共享食物源的方向、位置和距离等信息。借此意义Zigbee作为新一代无线通讯技术的命名。紫蜂网络节点模块4.1.2紫蜂技术（ZigBee）•紫蜂是一种高可靠的无线数传网络，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75m到几百米、几公里，并且支持无限扩展。•ZigBee是一个由可多到65000个无线数传模块组成的一个无线网络平台，在整个网络范围内，每一个网络模块之间可以相互通信，每个网络节点间的距离可以从标准的75m无限扩展。4.1.2紫蜂技术（ZigBee）•与移动通信的CDMA网或GSM网不同的是，紫蜂网络主要是为工业现场自动化控制数据传输而建立，因而，它必须具有简单，使用方便，工作可靠，价格低的特点。•而移动通信网主要是为语音通信而建立，每个基站价值一般都在百万元人民币以上，而每个紫蜂网络“基站”却不到1000元人民币。4.1.2紫蜂技术（ZigBee）2.技术特点•紫蜂是一种无线连接,可工作在2.4GHz(全球流行)、868MHz(欧洲流行)和915MHz(美国流行)3个频段上,分别具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的传输速率,•它的传输距离在10-75m的范围内,但可以继续增加。4.1.2紫蜂技术（ZigBee）作为一种无线通信技术,紫蜂具有如下特点:(1)低功耗(2)成本低(3)时延短(4)网络容量大(5)可靠(6)安全4.1.2紫蜂技术（ZigBee）3.应用领域•①家庭和建筑物的自动化控制：照明、空调、窗帘等家具设备的远程控制；•②消费性电子设备：电视、DVD、CD机等电器的远程遥控。•③PC外设：无线键盘、鼠标、游戏操纵杆等；•④工业控制：使数据的自动采集、分析和处理变得更加容易；•⑤医疗设备控制：医疗传感器、病人的紧急呼叫按钮等；•⑥交互式玩具。4.1.2紫蜂技术（ZigBee）4.紫蜂（ZigBee）联盟•ZigBee联盟成立于2002年8月，由英国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组成，如今已经吸引了上百家芯片公司、无线设备公司和开发商的加入。•联盟是一个高速成长的非盈利业界组织。联盟制定了基于IEEE802.15.4，具有高可靠、高性价比、低功耗的网络应用规格。4.1.2紫蜂技术（ZigBee）5.ZigBee协议栈•ZigBee协议栈结构是基于标准OSI七层模型的，包括高层应用规范、应用汇聚层、网络层、媒体接入层和物理层。ZigBee协议栈4.1.2紫蜂技术（ZigBee）•IEEE802.15.4定义了两个物理层标准，分别是2.4GHz物理层和868/915MHz物理层。两者均基于直接序列扩频（DSSS）技术。•868MHz只有一个信道，传输速率为20kb/s；•902MHz～928MHZ频段有10个信道，信道间隔为2MHz，传输速率为40kb/s。以上这两个频段都采用BPSK调制。•2.4GHz～2.4835GHz频段有16个信道，信道间隔为5MHz，能够提供250kb/s的传输速率，采用O-QPSK调制。4.1.2紫蜂技术（ZigBee）•为了提高传输数据的可靠性，IEEE802.15.4定义的媒体接入控制（MAC）层采用了CSMA-CA和时隙CSMA-CA信道接入方式和完全握手协议。•应用汇聚层主要负责把不同的应用映射到ZigBee网络上，主要包括安全与鉴权、多个业务数据流的会聚、设备发现和业务发现。4.1.2紫蜂技术（ZigBee）6.ZigBee网络的拓扑结构•ZigBee网络的拓扑结构主要有三种，星型网、网状（mesh）网和混合网。•星型网是由一个PAN协调点和一个或多个终端节点组成的。•PAN协调点必须是FFD，它负责发起建立和管理整个网络，其它的节点（终端节点）一般为RFD，分布在PAN协调点的覆盖范围内，直接与PAN协调点进行通信。•星型网通常用于节点数量较少的场合。4.1.2紫蜂技术（ZigBee）•网状（Mesh）网一般是由若干个FFD连接在一起形成，它们之间是完全的对等通信，每个节点都可以与它的无线通信范围内的其它节点通信。•Mesh网中，一般将发起建立网络的FFD节点作为PAN协调点。•Mesh网是一种高可靠性网络，具有“自恢复”能力，它可为传输的数据包提供多条路径，一旦一条路径出现故障，则存在另一条或多条路径可供选择。4.1.2紫蜂技术（ZigBee）ZigBee网络的拓扑结构4.1.2紫蜂技术（ZigBee）•Mesh网可以通过FFD扩展网络，组成Mesh网与星型网构成的混合网。•混合网中，终端节点采集的信息首先传到同一子网内的协调点，再通过网关节点上传到上一层网络的PAN协调点。•混合网都适用于覆盖范围较大的网络。4.1.2紫蜂技术（ZigBee）7.ZigBee网络配置•低数据速率的WPAN中包括两种无线设备：全功能设备（FFD）和精简功能设备（RFD）。•其中，FFD可以和FFD、RFD通信，而RFD只能和FFD通信，RFD之间是无法通信的。•RFD的应用相对简单，例如在传感器网络中，它们只负责将采集的数据信息发送给它的协调点，并不具备数据转发、路由发现和路由维护等功能。RFD占用资源少，需要的存储容量也小，成本比较低。4.1.2紫蜂技术（ZigBee）•在一个ZigBee网络中，至少存在一个FFD充当整个网络的协调点，即PAN协调点。通常，PAN协调点是一个特殊的FFD，它具有较强大的功能，是整个网络的主要控制者，它负责建立新的网络、发送网络信标、管理网络中的节点以及存储网络信息等。•FFD和RFD都可以作为终端节点加入ZigBee网络。4.1.2紫蜂技术（ZigBee）•此外，普通FFD也可以在它的个人操作空间（POS）中充当协调点，但它仍然受PAN协调点的控制。•ZigBee中每个协调点最多可连