物联网系列专业课程：无线传感网技术

Internet+EducationSolutions无线传感网技术中智讯（武汉）科技有限公司EducationSolutions目录ContentsInternet+常用无线通信技术ZigBee无线技术TiCC2530软件接口BasicRF代码解析CC2530无线通信实验18:14/3未来的物联网将会是多种技术共生的异构网络18:14/4应用于物联网的各种无线技术18:14/5物联网无线通信所要解决的问题通信距离传输速率芯片成本芯片功耗网络容量协议标准物联网18:14/6ZigBeeZigBee是IEEE802.15.4协议的代名词。根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。这一名称来源于蜜蜂的八字舞，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信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。ZigBee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50~200m的范围内,但可以继续增加。18:14/7ZigBee应用家庭自动化PC机的外围设备低速无线设备工业、农业和商业消费电子个人健康监护玩具和游戏消费性电子设备家庭和楼宇自动化设备工业控制装置农业自动化电脑外设医用传感器玩具和游戏机等设备支持小范围的基于无线通信的控制和自动化等领域•监视•传感器•自动化•控制•监视•诊断•传感器•玩具•游戏器具•TV•VCR•DVD•CD•鼠标•键盘•操作杆•保安•HVAC•照明•门禁18:14/8Wi-Fi802.11标准是IEEE最初制定的一个无线局域网标准，主要用于解决办公室局域网和校园网中用户与用户终端的无线接入，业务主要限于数据存取IEEE802.11b/g/n即为Wi-Fi标准，工作频段在2.4GHz~2.4835GHz，传输速率分别可达11Mbps/54Mbps/600Mbps主要特性为：速度快，可靠性高，在开放性区域，通讯距离可达300米，在封闭性区域，通讯距离为76米到122米，方便与现有的有线以太网络整合工业上也常有透传Wi-Fi作为无线数据传输18:14/9无线局域网WLANInternetWiFi无线路由器IPTV空调打印机在热点区把多台计算机互相链接，以及链接到外围设备和互联网Internet高速无线接入Wi-Fi应用18:14/10蓝牙/BLE蓝牙(Bluetooth)，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蓝牙采用分散式网络结构以及快跳频和短包技术，支持点对点及点对多点通信，工作在全球通用的2.4GHzISM频段。其数据速率为1Mbp采用时分双工传输方案实现全双工传输蓝牙4.0是蓝牙3.0+HS规范的补充，专门面向对成本和功耗都有较高要求的无线方案，是一个双模的标准，它包含传统蓝牙部分和低功耗蓝牙部分，主要应用于智能设备领域18:14/11音频蓝牙发送蓝牙耳机蓝牙鼠标键盘蓝牙/BLE应用18:14/12LoRaLoRa是基于LPWAN（低功耗广域网）的一种新型通信技术，由Semtech公司发布。其接受灵敏度达到了惊人的-148dbm，与业界其他先进水平的sub-GHz芯片相比，最高的接收灵敏度改善了20db以上，这确保了网络连接可靠性。LoRa采用线性调频扩频调制技术，即保持低功耗特性，又明显地增加了通信距离，同时提高了网络效率，LoRa集中器/网关能够并行接收并处理多个节点的数据，大大扩展了系统容量。LoRa采用LoRaWAN协议，是LoRa联盟推出的一个基于开源的MAC层协议的低功耗广域网标准。LoRa主要在全球免费频段运行（即非授权频段），包括433、868、915MHz等。18:14/13LoRaLoRa网络主要由终端（内置LoRa模块）、网关（或称基站）、服务器和云四部分组成，应用数据可双向传输。18:14/14LoRa应用18:14/15NB-IoTNB-IoT是一种基于蜂窝数据连接的LPWAN（低功耗广域网），NB-IoT只消耗大约180KHz的带宽，可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络，以降低部署成本、实现平滑升级联合提出NBM2M提出NBOFDMA提出NBLTENB-IOT工作组NBCIOT报告发起者NB-IOT2016.6冻结2015.92015.52014.52014.72015.7融合入融合入18:14/16NB-IoT技术优势移动物联网技术的不同定位高安全性高可靠性高速率低功耗高频谱效率大覆盖低成本低时延短距通信（ZigBee等）NB-IoT私有技术（LoRa等）NBIoT相对短距通信/私有技术优势明显技术制式网络定位国际标准NB-IoT与蜂窝网融合演进的低成本电信级的高可靠性、高安全性广域物联网技术私有技术LoRa需独立建网、无执照波段的高风险局域网物联技术Sigfox国内频段不支持、由Sigfox建网与运营商合作的高成本高风险物联网技术1m100m10kmBluetoothZigBee…（短距覆盖）WiFi（短距覆盖）UMTS/LTE（高成本覆盖）GSMLPWA（低功率广覆盖）覆盖100bps100kbps100Mbps速率18:14/17NB-IoT端到端解决方案18:14/18NB-IoT应用1.空气，噪音和污水是3大环境问题2.NBIoT低功耗监测设备3.建立网格化感知监测系统，及时预警，主动干预4.帮助政府环境部门应对环境挑战1.基于NB-IoT技术的模块，上报位置等传感器数据，可以为消费者提供多种资产跟踪的产品2.例如：自行车跟踪；儿童手环；行李箱；宠物3.运营商可提供基于连接+业务端到端服务1.利用NBIoT车检器及广覆盖网络及平台，提升泊车服务运营效率2.为车主提供方便的智能停车服务：车位寻找，自动计费位置跟踪环境监测泊车1.经济作物的种植向智能化发展，例如葡萄种植2.NBenabled低功耗监测设备3.建立网格化感知监测系统，及时预警，主动干预4.帮助农场主提高产量及品质1.水务管理的两大重点：水质安全和节约用水2.通过NBIoT的解决方案，建立水质全程监测平台3.Smartmetering：远程抄表及智能计费1.全球奶牛256million，牛的健康与牧场的产值关系重大2.基于NBIoT技术的模块，上报位置/体温等传感器数据3.建立牛群监测系统，及时预警，主动干预4.帮助牧场主提高产量及品质远程抄表农业畜牧业18:14/196LoWPAN6LoWPAN（IPv6overlowpowerWPAN）是低速无线个域网（LR-WPAN）标准，网络层互联方案；6LoWPAN的设计目标是在无线个域网（WPAN）中引入IPv6协议，在网络层和MAC层间加一个网络适配层，完成包头压缩、分片、重组和路由转发等，实现在IEEE802.15.4上传输IPv6数据包；6LoWPAN支持星型、树型、MESH网等多种网络拓扑结构；Contiki等操作系统均集成了6LoWPAN协议支持18:14/206LoWPAN技术应用层表示层会话层传输层网络层数据链路物理层6LoWPAN特定的应用程序（使用Socket接口）未使用未使用TCP/UDPIPv6，6LoWPAN适配层，分片和重组技术IEEE802.15.4MAC(CSMA/CA)IEEE802.15.4PHY提供IPv6的数据压缩、分片重组功能，Mesh路由功能OSI6LoWPANEducationSolutions目录ContentsInternet+常用无线通信技术ZigBee无线技术TiCC2530软件接口BasicRF代码解析CC2530无线通信实验18:14/23ZigBee起源工业自动化和家庭智能化对无线数据通信的需求越来越强烈，而蓝牙技术对于这一领域显然有一定的局限；2002年，zigbeeAlliance成立；Zigbee协议在2003年正式问世；2004年，zigbeeV1.0诞生；2006年，推出zigbee2006,比较完善；2007年底，zigbeePRO推出。18:14/24ZigBee联盟成员CompXsZigBee联盟的主要目标是以透过加入无线网络功能，为消费者提供更富弹性、更易用的电子产片。ZigBee技术能融入各类电子产品，应用范围横跨全球民用、商用、公用及工业用等市场。生产商终于可以利用ZigBee这个标准化无线网络平台，设计简单、可靠、便宜又省电的各种产品。18:14/25ZigBee技术特点数据传输速率低：10KB/秒~250KB/秒，专注于低传输应用功耗低：在低功耗待机模式下，两节普通5号电池可使用6~24个月成本低：ZigBee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本网络容量大：网络可容纳65,000个设备时延短：通常时延都在15ms~30ms安全：ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，采用AES-128加密算法有效范围小：有效覆盖范围50~200米，具体依据实际发射功率大小和各种不同的应用模式而定工作频段灵活：使用频段为2.4GHz、868MHz（欧洲）和915MHz（美国），均为免执照（免费）的频段传输可靠：采用碰撞避免策略，同时为需要固定带宽的业务预留专用时隙。18:14/26ZigBee通信可靠性18:14/27ZigBee技术体系一个真正的ZigBee，由ZigBeeAlliance所主导的标准，定义了网络层（NetworkLayer）、安全层（SecurityLayer）、应用层（ApplicationLayer）、以及各种应用产品的资料（Profile）；而由国际电子电机工程协会（IEEE）所制订的802.15.4标准，则是定义了物理层（PHYLayer）及媒体存取层（MACLayer）；ZigBee堆栈是在IEEE802.15.4标准基础上建立的，从下往上依次是物理层，MAC层，网络/安全层，应用支持子层，应用层。物理层MAC层网络层安全层应用层应用支持子层ZigBee联盟IEEE802.15.4用户硬件实现ZigBee平台通信栈应用层18:14/28ZigBee通信频道遵循IEEE802.15.4协议。物理层是协议的最底层，承付着和外界直接作用的任务。主要目的：控制RF收发器工作。调制方式：扩频通信信号传输距离：~50m（室内），~200m（室外）。18:14/29ZigBee通信频道18:14/31ZigBee的网络架构全功能设备(FFD)：可以担任网络协调者，形成网络，让其它的FFD或是精简功能装置（RFD）连结，FFD具备控制器的功能，可提供信息双向传输。附带由标准指定的全部802.15.4功能和所有特征更多的存储器、计算能力可使其在空闲时起网络路由器作用。也能用作终端设备精简功能设备(RFD)：RFD只能传送信息给FFD或从FFD接收信息。附带有限的功能来控制成本和复杂性设备类型拓扑类型可否成为网络协调器通话对象全功能器件（FFD）星形，树形，网状可以任何ZigBee设备简化功能器件（RFD）星形不可以只能与协调器通话18:14/32ZigBee的网络架构从节点类型来分类ZigBee设备包括：协调器、路由器、终端节点。ZigBee协调器(Coordinator)：上电启动和配置网络（例如设定网络标示符，选择信道），一旦完成后相当于路由器功能每各ZigBee网络必须有一个ZigBee路由器(Router)：允许其他网络设备加入多跳路由协助电池供电的子节点通信自己作为终端节点应用ZigBee终端节点(EndDevice)：向路由节点传递数据没有路由功能低功耗（ZigBee的低功耗主要体现在这里）可选择睡眠与