第一章 物聯(lián)網(wǎng)所用主要通信

物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)第一章物聯(lián)網(wǎng)所用的主要通信技術(shù)及其發(fā)展第二章數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)第三章zigbee網(wǎng)絡(luò)原理與開(kāi)發(fā)第四章無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)第五章短距離有線通信技術(shù)第六章近距離無(wú)線通信技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)第一章物聯(lián)網(wǎng)所用的主要通信技術(shù)及其發(fā)展趙建立山東科技大學(xué)一、國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀I(lǐng)BM前首席執(zhí)行官郭士納提出一個(gè)重要的觀點(diǎn)：計(jì)算模式每隔15年發(fā)生一次變革。每一次這樣的技術(shù)變革都引起企業(yè)間、產(chǎn)業(yè)間甚至國(guó)家間競(jìng)爭(zhēng)格局的重大動(dòng)蕩和變化。而互聯(lián)網(wǎng)革命一定程度上是由美國(guó)“信息高速公路”戰(zhàn)略所催熟。2023/10/145一、國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀2023/10/146一、國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀溫家寶：感知中國(guó)10年前，中科院?jiǎn)?dòng)傳感網(wǎng)研究計(jì)劃2009年8月7日，溫家寶在無(wú)錫考察，提議建立傳感器中心2009年9月11日，傳感器網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)工作組成立大會(huì)暨“感知中國(guó)高峰論壇”在北京舉行，標(biāo)志著傳感器網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)工作組正式成立2009年11月，國(guó)務(wù)院正式批準(zhǔn)同意支持無(wú)錫建設(shè)國(guó)家傳感網(wǎng)創(chuàng)新示范區(qū)隨后，無(wú)錫感知中國(guó)中心在政府和科研機(jī)構(gòu)的配合下建立2023/10/147信息科技發(fā)展的必然趨勢(shì)成熟的傳感器技術(shù)。如常見(jiàn)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)（WSN）、RFID、電子標(biāo)簽等。發(fā)達(dá)的網(wǎng)絡(luò)。已進(jìn)入信息高速公路時(shí)代，可以各種方式接入到網(wǎng)絡(luò)，如寬帶、WiFi、ZigBee等。高速的信息處理能力。計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)迅猛發(fā)展，計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)能力和計(jì)算能力還在進(jìn)一步增強(qiáng)，使得海量信息處理成為可能。技術(shù)的成熟為物聯(lián)網(wǎng)提供了現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)。包括以下幾個(gè)方面：一、國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀物聯(lián)網(wǎng)究竟是什么?它的出現(xiàn)又將給我們的生活帶來(lái)怎樣的變化?一、國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀定義：

通過(guò)射頻識(shí)別（RFID）、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物體與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。一、國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀物聯(lián)網(wǎng)的定義目前主要還有以下幾個(gè)定義：

1）MITAutoIDCenter的定義

1999年，MITAutoIDCenter給出較早的“物聯(lián)網(wǎng)”定義為：在計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，利用RFID、無(wú)線數(shù)據(jù)通信等技術(shù),構(gòu)造一個(gè)覆蓋世界上萬(wàn)事萬(wàn)物的網(wǎng)絡(luò)(InternetofThings),以實(shí)現(xiàn)物品的自動(dòng)識(shí)別和信息的互聯(lián)共享。2）ITU-T及的定義2005年,國(guó)際電信聯(lián)盟(ITU)發(fā)布的《ITU互聯(lián)網(wǎng)報(bào)告2005：物聯(lián)網(wǎng)》中正式給出了“物聯(lián)網(wǎng)”概念并對(duì)其涵義進(jìn)行了擴(kuò)展，指出物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的延伸，“RFID、傳感器技術(shù)、納米技術(shù)、智能嵌入技術(shù)”將是實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的四大核心技術(shù)。國(guó)際電信聯(lián)盟是聯(lián)合國(guó)的一個(gè)重要專門(mén)機(jī)構(gòu)，也是聯(lián)合國(guó)機(jī)構(gòu)中歷史最長(zhǎng)的一個(gè)國(guó)際組織。簡(jiǎn)稱“國(guó)際電聯(lián)”、“電聯(lián)”或“ITU”。國(guó)際電聯(lián)是主管信息通信技術(shù)事務(wù)的聯(lián)合國(guó)機(jī)構(gòu)，負(fù)責(zé)分配和管理全球無(wú)線電頻譜與衛(wèi)星軌道資源，制定全球電信標(biāo)準(zhǔn)，向發(fā)展中國(guó)家提供電信援助，促進(jìn)全球電信發(fā)展。2014年10月23日，趙厚麟當(dāng)選國(guó)際電信聯(lián)盟新一任秘書(shū)長(zhǎng)，成為國(guó)際電信聯(lián)盟150年歷史上首位中國(guó)籍秘書(shū)長(zhǎng)。3）EPC的定義

EPC

是早期國(guó)際上典型的物聯(lián)網(wǎng)概念模型，它的本質(zhì)就是“RFID技術(shù)加互聯(lián)網(wǎng)”。每一個(gè)物品都被賦予一個(gè)獨(dú)一無(wú)二的EPC代碼，將這個(gè)EPC代碼存儲(chǔ)在RFID標(biāo)簽中并貼在物品上，同時(shí)將這個(gè)代碼所對(duì)應(yīng)的詳細(xì)信息和屬性存儲(chǔ)在互聯(lián)網(wǎng)上的服務(wù)器中。當(dāng)物品從生產(chǎn)到流通的各個(gè)環(huán)節(jié)中被識(shí)別并記錄時(shí)，通過(guò)ONS(對(duì)象名解析服務(wù))的解析可獲得物品所屬信息服務(wù)系統(tǒng)的URI(統(tǒng)一資源標(biāo)識(shí)),進(jìn)而通過(guò)網(wǎng)絡(luò)從EPCIS中獲得其代碼所對(duì)應(yīng)的信息和屬性，以進(jìn)行物品識(shí)別，實(shí)現(xiàn)對(duì)物流供應(yīng)鏈的自動(dòng)追蹤管理。4）歐盟的定義“物聯(lián)網(wǎng)”定義為：物聯(lián)網(wǎng)將是未來(lái)互聯(lián)網(wǎng)不可分割的一部分，是一個(gè)動(dòng)態(tài)的全球網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，它具備基于一定的標(biāo)準(zhǔn)和互用的通信協(xié)議的自組織能力。其中物理的和虛擬的“物”均具有身份標(biāo)識(shí)、物理屬性和虛擬特性，并應(yīng)用智能接口可以無(wú)縫鏈接到信息網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)將具有三方面本質(zhì)特性：第一，不能簡(jiǎn)單地將物聯(lián)網(wǎng)看作今天互聯(lián)網(wǎng)的延伸，物聯(lián)網(wǎng)建立在特有基礎(chǔ)設(shè)施上，將是一系列新的獨(dú)立系統(tǒng)。當(dāng)然，部分基礎(chǔ)設(shè)施仍要依存于現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)；第二，物聯(lián)網(wǎng)將伴隨新的業(yè)務(wù)共同發(fā)展；第三，物聯(lián)網(wǎng)包括多種不同的通信模式。如物與人通信,物與物通信。5）國(guó)內(nèi)定義

目前國(guó)內(nèi)較為多見(jiàn)的定義為：“物聯(lián)網(wǎng)，指利用各種信息傳感設(shè)備，如射頻識(shí)別裝置、紅外傳感器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描等種種裝置與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來(lái)而形成的一個(gè)巨大網(wǎng)絡(luò)，其目的就是讓所有的物品都與網(wǎng)絡(luò)連接在一起，方便識(shí)別和管理。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)該具備三個(gè)特性：

一是全面感知，即利用各種可用的感知手段，實(shí)現(xiàn)隨時(shí)即時(shí)采集物體動(dòng)態(tài)；

二是可靠傳遞，通過(guò)各種信息網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)的融合，將感知的信息實(shí)時(shí)準(zhǔn)確可靠地傳遞出去；

三是智能處理，利用云計(jì)算等智能計(jì)算技術(shù)對(duì)海量的數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行分析和處理，對(duì)物體實(shí)施智能化控制”。結(jié)論綜合上述5種物聯(lián)網(wǎng)的定義，可得出物聯(lián)網(wǎng)是采用各種傳感設(shè)備，采集各種“物”的信息，傳輸?shù)揭曰ヂ?lián)網(wǎng)為核心的信息網(wǎng)絡(luò)上，以實(shí)現(xiàn)全面感知、信息的智能處理、實(shí)施對(duì)“物”的智能控制、完成相應(yīng)的應(yīng)用。姚建銓院士（中國(guó)科學(xué)院）：物聯(lián)網(wǎng)是信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)科學(xué)推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)和智慧城市建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展一定要與應(yīng)用緊密結(jié)合對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的認(rèn)識(shí)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的認(rèn)識(shí)鄔賀銓院士（中國(guó)工程院）：物聯(lián)網(wǎng)不是網(wǎng)絡(luò)，是應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)框架結(jié)構(gòu)2023/10/1419感知層是實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)全面的感知的核心能力是物聯(lián)網(wǎng)中包括關(guān)鍵技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)化方面、產(chǎn)業(yè)化方面亟待突破的部分關(guān)鍵在于具備更精確、更全面的感知能力，并解決低功耗、小型化和低成本的問(wèn)題廣泛覆蓋的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)是實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)設(shè)施是物聯(lián)網(wǎng)三層中標(biāo)準(zhǔn)化程度最高、產(chǎn)業(yè)化能力最強(qiáng)、最成熟的部分關(guān)鍵在于為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用特征進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，形成協(xié)同感知的網(wǎng)絡(luò)提供豐富的基于物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用，是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的根本目標(biāo)將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與行業(yè)信息化需求相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)廣泛智能化應(yīng)用的解決方案集關(guān)鍵在于行業(yè)融合、信息資源的開(kāi)發(fā)利用、低成本高質(zhì)量的解決方案、信息安全的保障以及有效的商業(yè)模式的開(kāi)發(fā)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層物聯(lián)網(wǎng)感知層物聯(lián)網(wǎng)框架結(jié)構(gòu)2023/10/1420需要騰“云”才能駕“物”??！2023/10/1421物聯(lián)網(wǎng)框架結(jié)構(gòu)傳感器條碼識(shí)別RFID多媒體信息采集定位數(shù)據(jù)采集有線數(shù)據(jù)傳輸短距離通信傳輸無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)信息匯聚信息協(xié)同處理子層信息協(xié)同處理中間件傳送網(wǎng)關(guān)感知控制層移動(dòng)通信遠(yuǎn)程信息傳送固定通信互聯(lián)網(wǎng)廣播電視網(wǎng)衛(wèi)星網(wǎng)傳輸網(wǎng)絡(luò)層SOA海量存儲(chǔ)分布數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)挖掘服務(wù)支撐智能工業(yè)行業(yè)應(yīng)用智能農(nóng)業(yè)智能交通綜合應(yīng)用層環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)管理QoS管理信息安全標(biāo)識(shí)解析公共支撐圖1.1物聯(lián)網(wǎng)框架結(jié)構(gòu)1物聯(lián)網(wǎng)所用主要通信技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)是實(shí)現(xiàn)物理世界、虛擬世界、數(shù)字世界與人類(lèi)社會(huì)間的交互的技術(shù)手段。物聯(lián)網(wǎng)通信模式主要分為：“物與物”(Thing-to-thing)，“物與人”(Thing-to-person)和人與人通信?！拔锱c物”通信，主要實(shí)現(xiàn)“物”與“物”在沒(méi)有人工介入情況下的信息交互，如“物”能夠監(jiān)控其它“物”，當(dāng)發(fā)生應(yīng)急情況，物能夠主動(dòng)采取相應(yīng)措施?！癕2M”技術(shù)就是“物與物”通信的一種形式?！拔锱c人”通信，主要實(shí)現(xiàn)“物”與“人”之間的信息交互，如人對(duì)“物”的遠(yuǎn)程控制，或者“物”向人主動(dòng)報(bào)告自身狀態(tài)信息和感知的信息。在物聯(lián)網(wǎng)中，通信系統(tǒng)的主要作用是將信息可靠安全地傳送到目的地。

由于物聯(lián)網(wǎng)具有異構(gòu)性的特點(diǎn)，這就使得物聯(lián)網(wǎng)所采用的通信方式和通信系統(tǒng)也具有異構(gòu)性和復(fù)雜性。在信息傳輸方面，雖然采用的是以數(shù)據(jù)為主的通信手段，但在承載平臺(tái)上卻采用了不同模式的有線、無(wú)線通信方式；在所采用的通信協(xié)議方面，網(wǎng)絡(luò)傳送層采用了基于IP的通信協(xié)議，但在感知控制層卻采用了多種通信協(xié)議，如X.25、基于工業(yè)總線的接口和協(xié)議、ZigBee等。因此，可以說(shuō)物聯(lián)網(wǎng)的感知控制層的通信方式最為復(fù)雜。1物聯(lián)網(wǎng)所用主要通信技術(shù)1）感知控制層通信系統(tǒng)

感知控制的通信目的是將各種設(shè)備傳感設(shè)備（或數(shù)據(jù)采集設(shè)備以及連同的控制設(shè)備）所感知的信息在較短的通信距離內(nèi)送到信息匯聚系統(tǒng)，并由該系統(tǒng)傳送（或互聯(lián)）到網(wǎng)絡(luò)傳輸層，其通信的特點(diǎn)是傳輸距離近，傳輸方式靈活、多樣。感知控制層通信系統(tǒng)所采用的技術(shù)主要分為短距離有線通信、短距離無(wú)線通信和無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)。

感知層短距離有線通信系統(tǒng)主要是由各種串行數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)構(gòu)成的，目前采用的技術(shù)有RS-232/485、USB、CAN工業(yè)總線、及各種串行數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)。1）感知控制層通信系統(tǒng)感知層短距離無(wú)線通信系統(tǒng)主要由各種低功率、中高頻無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)構(gòu)成，目前主要采用藍(lán)牙、紅外、低功率無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)、無(wú)線局域網(wǎng)等技術(shù)來(lái)完成短距離無(wú)線通信任務(wù)。

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)(WirelessSensorNetwork，WSN)是一種部署在感知區(qū)域內(nèi)的大量的微型傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線傳輸方式形成的一個(gè)多跳的自組織系統(tǒng)。它一種具有網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大、自組織、多跳路由、動(dòng)態(tài)拓?fù)?、可靠性高的以?shù)據(jù)為中心的、能量受限的通信網(wǎng)絡(luò)，是“狹義”上的物聯(lián)網(wǎng)，也是物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)之一。RS-232:RecommendStandardUSB:UniversalSerialBusCAN:ControllerAreaNetwork2）網(wǎng)絡(luò)傳輸層通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳輸層是由數(shù)據(jù)通信主機(jī)（或服務(wù)器）、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、路由器等構(gòu)成的，在數(shù)據(jù)傳送網(wǎng)絡(luò)支撐下的計(jì)算機(jī)通信系統(tǒng)，其基本結(jié)構(gòu)如圖1.3所示。路由器交換機(jī)主機(jī)路由器路由器交換機(jī)交換機(jī)主機(jī)主機(jī)傳送網(wǎng)公眾固定網(wǎng)PSTN公眾移動(dòng)網(wǎng)GSM/CDMA/TD-SCDMA公眾數(shù)據(jù)網(wǎng)DDN/ATM/FR其他專用傳送網(wǎng)圖1.3網(wǎng)絡(luò)傳輸層通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)傳輸層通信系統(tǒng)中支持計(jì)算機(jī)通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳送網(wǎng)可由公眾固定網(wǎng)、公眾移動(dòng)通信網(wǎng)、公眾數(shù)據(jù)網(wǎng)及其他專用網(wǎng)構(gòu)成。

目前的公眾固定、移動(dòng)通信網(wǎng)、公眾數(shù)據(jù)網(wǎng)主要有PSTN（PublicSwitchedTelephoneNetwork，公眾電話交換網(wǎng)）、GSM（GlobalSystemforMobileCommunications，全球移動(dòng)通信系統(tǒng)）、CDMA（CodeDivisionMultipleAccess，碼分多址）、TD-SCDMA（TimeDivisionSynchronousCodeDivisionMultipleAccess，時(shí)分同步碼分多址)、DDN（DigitalDataNetwork，數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)網(wǎng)）、ATM（AsynchronousTransferMode，異步傳輸模式）、FR（FRAME-RELAY，幀中繼）等，它們?yōu)槲锫?lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)層提供了數(shù)據(jù)傳送平臺(tái)。2）網(wǎng)絡(luò)傳輸層通信系統(tǒng)

公眾通信網(wǎng)和專用傳送網(wǎng)構(gòu)成的數(shù)據(jù)傳送平臺(tái)是物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)傳輸層的基礎(chǔ)設(shè)施，主機(jī)、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)及路由器等構(gòu)成的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)傳輸層的功能設(shè)施，為物聯(lián)網(wǎng)提供各種信息存儲(chǔ)、信息傳送、信息處理等各項(xiàng)基礎(chǔ)服務(wù)，為物聯(lián)網(wǎng)的綜合應(yīng)用層提供了信息承載平臺(tái)，保障了物聯(lián)網(wǎng)各專業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。2）網(wǎng)絡(luò)傳輸層通信系統(tǒng)2物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的發(fā)展

物聯(lián)網(wǎng)作為一種新興的信息技術(shù)，它是應(yīng)用現(xiàn)有的信息技術(shù)、通信技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)等的基礎(chǔ)上的融合與創(chuàng)新?，F(xiàn)階段對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的研究，不論從理論方面，還是從實(shí)踐方面，均處于起步階段，而物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)更是如此。就目前而言，尚不能較清楚地看到物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)，但可以從目前的研究方向看出端倪。目前，物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)主要研究的方向有以下幾個(gè)方面物聯(lián)網(wǎng)擴(kuò)頻通信和頻譜分配問(wèn)題無(wú)線通信是利用無(wú)線一定頻段的電磁波來(lái)傳輸信息的。理論上，一般情況下，在一定區(qū)域范圍內(nèi)，傳輸信息的電磁波的頻段是不能重疊的，如重疊則會(huì)形成電磁波的干擾，從而影響通信質(zhì)量。物聯(lián)網(wǎng)擴(kuò)頻通信和頻譜分配問(wèn)題

采用擴(kuò)頻技術(shù)，則可以采用重疊的頻段來(lái)傳輸信息，但這要求擴(kuò)頻所采用的PN（PseudorandomNoise，偽隨機(jī)序列）碼之間要相互正交、或跳頻、跳時(shí)調(diào)度圖之間不能相一致（或相似），這就要求研究一種擴(kuò)頻通信的技術(shù)及規(guī)則，使得大量部署的以擴(kuò)頻通信為無(wú)線傳輸?shù)臒o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)之間的通信不受到干擾而影響通信質(zhì)量。另外，還需要研究一種頻譜分配的技術(shù)，在充分利用時(shí)分、空分或時(shí)分+空分技術(shù)的基礎(chǔ)上利用智能天線技術(shù)的原理，研究一種合理、有效、成本低廉