5 物聯(lián)網(wǎng)通信 5.1 短距離通信技術

5.物聯(lián)網(wǎng)通信物聯(lián)網(wǎng)概論主講教師：12物聯(lián)網(wǎng)五大關鍵要素物聯(lián)網(wǎng)關鍵要素及涉及的技術示例IoT關鍵要素涉及的技術示例識別命名電子產品代碼（EPC）、泛在碼（UCode）尋址IPv4、IPv6感知智能傳感器、可穿戴設備、嵌入式傳感器、執(zhí)行器、射頻識別標簽通信射頻識別通信（RFID）、近場通信（NFC）、超寬帶通信（UWB）、藍牙通信（BT）、藍牙低功耗通信（BLE）、紫蜂通信（Zigbee）、Z-Wave、WiFi、LTE、LTE-A計算硬件Arduino、樹莓派、MediaTekLinkItONE等物聯(lián)網(wǎng)硬件平臺軟件Contiki、TinyOS、LiteOS、AndroidThings等物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)服務身份服務（如供應鏈管理）信息聚合服務（如智能電網(wǎng)）協(xié)作感知服務（如智能家居）3現(xiàn)代通信系統(tǒng)一般模型信源：信息的發(fā)布者，是信息的源頭，即產生信息的所在。發(fā)信機和收信機：分別負責發(fā)送和接收信號，在雙工系統(tǒng)中，發(fā)信機和收信機通常集成在一起以負責信息的收發(fā)。信道：是信息傳輸?shù)耐ǖ?，可以是有線或者無線。在通信的過程中，還有可能迭加噪聲。信宿：是信息的歸宿，即是信息最終的接收者。4選用合適的網(wǎng)絡和通信技術應用場景寬泛豐富終端節(jié)點異構性終端節(jié)點能力受限要在對應用場景及客觀需求進行分析的基礎上，選用合適的網(wǎng)絡和通信技術55.物聯(lián)網(wǎng)通信5.25.1短距離通信技術5.3低功耗廣域網(wǎng)通信技術長距離通信技術和物聯(lián)網(wǎng)密切相關的典型短距離無線通信技術WiFi藍牙

Bluetooth紫蜂

ZigBee超寬帶UWB光保真LiFiZ-Wave近場通信NFC射頻識別RFID7短距離通信技術——WiFi工作頻段：2.4GHz和5GHz覆蓋范圍廣。與藍牙技術的覆蓋范圍大約只有15米左右相比，WiFi的覆蓋半徑可達100米左右。一些廠家進行增強后，覆蓋半徑可達到200至300米，特別適合寫字樓、商場、學校等場合使用。傳輸速度快。802.11n是當前WiFi最常用的標準，支持多入多出（MultipleInputMultipleOutput，簡稱MIMO）技術、空時分組碼技術、以及標準帶寬和雙倍帶寬。數(shù)據(jù)傳輸速率通常為300Mbps，雙倍帶寬下最高可達600Mbps，傳輸范圍也進一步增加。搭建成本低，進入門檻低。功耗較低，健康安全。IEEE802.11規(guī)定的發(fā)射功率不可超過100毫瓦，實際發(fā)射功率約60~70毫瓦；相比之下，手機發(fā)射功率約200毫瓦至1瓦，手持式對講機高達5瓦。8短距離通信技術——藍牙標準傳輸距離：通常為10米，使用增強技術可將有效傳輸距離擴充到百米以上。低功耗。設備在通信連接狀態(tài)下，有四種工作模式：激活（Active）、呼吸（Sniff）、保持（Hold）和休眠（Park）。除了激活模式外，其余三種都是低功耗模式。語音數(shù)據(jù)同傳。支持異步數(shù)據(jù)和同步語音的同時傳輸。工作在2.4GHz的ISM頻段，抗干擾能力強。工作在ISM頻段的無線電設備有很多，如家用微波爐、WiFi及HomeRF等。為抵抗來自這些設備的干擾，藍牙采用跳頻的方式來擴展頻譜，在工作頻段2.402~2.48GHz內分成79個頻點，相鄰頻點間隔1MHz。設備在某頻點發(fā)送數(shù)據(jù)后，會以偽隨機的規(guī)律跳到另一個頻點發(fā)送數(shù)據(jù)。9短距離通信技術——藍牙模塊體積小，便于集成。超小型藍牙模塊尺寸：長寬高均小于1cm。開放的接口標準。藍牙技術聯(lián)盟將藍牙標準全部公開，任何單位和個人可依照標準進行產品開發(fā)，只要最終通過藍牙技術聯(lián)盟的產品兼容性測試，就可以推向市場。低成本。藍牙作為國際標準，在全球擁有最廣泛的的通用性，刺激了龐大的市場需求，并將藍牙技術的使用成本攤薄。10藍牙歷經(jīng)多版本，速度不斷提高藍牙4.1@2013提供藍牙低能耗提供高數(shù)據(jù)速率提供IP連接以支持物聯(lián)網(wǎng)的需求。藍牙4.2@2014改善數(shù)據(jù)傳輸速度：提高了2.5倍。改善隱私保護：連接或追蹤用戶設備必須經(jīng)過用戶許可。11藍牙5.0的改善傳輸速度相對于藍牙4.2翻倍，標準數(shù)據(jù)速率為2Mb/s123456藍牙5.0傳輸距離是藍牙4.2的4倍，有效工作距離可達300米。支持八倍廣告信息容量，擴展廣告允許每個數(shù)據(jù)包發(fā)送最多255個字節(jié)的有效負載數(shù)據(jù)，而不是舊版本的31字節(jié)數(shù)據(jù)有效載荷。室內定位輔助功能，結合WiFi可實現(xiàn)精度小于1m的室內定位。功耗進一步大大降低，鞏固了藍牙作為智能可穿戴設備以及智能家居設備的主要連接方式的地位。進一步支持物聯(lián)網(wǎng)應用，有針對性的進行了底層優(yōu)化。12藍牙5.0：兩倍速度兩倍速度相同數(shù)量數(shù)據(jù)可以在更短時間內傳輸完畢，從而帶來功耗的降低。功耗的降低無線共存性能的改善支持更豐富的物聯(lián)網(wǎng)應用更少的無線電接通時間，帶來無線共存性能的改善。視頻流、音頻流和突發(fā)大數(shù)據(jù)傳輸（圖像）等可以通過藍牙來傳輸，帶來更多豐富的物聯(lián)網(wǎng)應用。13藍牙5.0：四倍距離四倍距離藍牙5.0的傳輸距離是舊版本藍牙技術的4倍，可達到300米左右。達300米支持遠程遙控設備低功耗優(yōu)勢更遠的傳輸距離意味著遠程遙控設備，對家庭自動化和工業(yè)應用等場景的支持。相比WiFi，藍牙用于智能家居（智能燈、智能鎖、智能電視盒子）在低功耗性能方面優(yōu)勢明顯。14藍牙5.0：八倍廣告消息容量八倍廣告消息容量低功耗藍牙（BLE）設備可以運行在三種主要狀態(tài)：廣告、掃描或連接。BLE三種狀態(tài)引入擴展廣告模式支持更豐富的物聯(lián)網(wǎng)應用擴展廣告模式允許每個數(shù)據(jù)包發(fā)送最多255字節(jié)的有效負載數(shù)據(jù)，是早期藍牙版本字節(jié)限制的八倍。隨著廣告消息容量的增加，保持廣告狀態(tài)的信標設備可以傳輸更多的數(shù)據(jù)，從而支持更多新型物聯(lián)網(wǎng)應用。15藍牙5.0：底層優(yōu)化和功能增強底層優(yōu)化功能增強新的遠程和高速模式是可選功能，聲稱支持藍牙5.0的芯片組或設備可能不支持這些可選功能。功能可選功能實現(xiàn)需要收發(fā)兩端的支持功能實現(xiàn)需要軟硬件的支持新功能實現(xiàn)需要藍牙通信的兩端設備均確保支持。例如，若想在傳感器設備和智能手機之間長距離傳輸傳感器數(shù)據(jù)，二者都需要支持藍牙5.0和增強遠程模式。目前能完整支持藍牙5.0及其新特性的設備（特別是智能手機）并不常見。除去硬件支持外，還需要其API為移動開發(fā)人員使用這些功能進行授權。16案例分析：基于iBeacon的信息推送17什么是iBeacon是蘋果公司在iOS7版本所發(fā)布的新特性。基于低功耗藍牙BLE4.0技術實現(xiàn)。iBeacon基站基于低功耗藍牙BLE向周邊廣播藍牙信號，終端根據(jù)接收信號場強隨距離衰減的模型計算終端與iBeacon基站的距離，并將與基站的靠近程度區(qū)分為貼近（Immediate，幾厘米）、近距（Near，1米以內）、遠距（Far，大于1米）三個范圍等級。蘋果公司將iBeacon相關的技術開發(fā)標準完全對外開放，只要滿足iBeacon技術標準，就可以應用它，比如谷歌公司在Android4.3中就支持iBeacon。18iBeacon結合微信實現(xiàn)廣告推送結合微信實現(xiàn)廣告等信息推送是iBeacon最常見的應用之一。在商場、電梯間甚至公交車的電視屏幕旁，常有微信搖一搖的提示，打開微信搖一搖界面，會看到多出一個“周邊”的標簽，搖動手機，就會搖出一個公眾號，點擊進去一般是廣告或優(yōu)惠券頁面，商家以此吸引用戶到店消費。1920iBeacon結合微信實現(xiàn)廣告推送iBeacon結合微信實現(xiàn)廣告推送的具體步驟（1-3）21參數(shù)申請與配置。商家購買iBeacon基站，在微信后臺申請iBeacon基站ID，該ID是識別iBeacon基站的唯一標識符，包括廠商識別號（UUID，128位）、群組號（Major，16位）和組內單個Beacon號（Minor，16位）。商家將這些參數(shù)配置到iBeacon基站。結果頁面配置。商家配置搖一搖周邊的指向HTML5結果頁面，如優(yōu)惠券信息、公眾號、廣告頁面等，將這個頁面和iBeacon設備綁定。iBeacon基站部署。商家將iBeacon設備放到某個位置，一般可以在地面或墻面部署。iBeacon結合微信實現(xiàn)廣告推送的具體步驟（5-8）22用戶獲取iBeacon基站的廣播信號。iBeacon基站基于BLE技術向周邊廣播藍牙信號，當持有智能終端的用戶走進iBeacon基站周邊設定區(qū)域，用微信搖一搖周邊，就會收到iBeacon基站發(fā)出的信號。用戶向服務器上傳iBeacon基站ID。微信應用從iBeacon基站發(fā)出的信號中獲取該iBeacon基站的ID（UUID+Major+Minor），并將該基站ID上傳至微信服務器。服務器向用戶推送結果頁面鏈接。微信服務器將iBeacon基站ID對應的結果頁面的鏈接返回給用戶。用戶點擊鏈接，終端內置瀏覽器打開鏈接，即看到結果頁面對應的信息。短距離通信技術——ZigBeeZigBee與藍牙類似，是一種新興的短距離、低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無線通信技術，用于傳感控制類(SensorandControl)應用。工作頻段：ISM頻段，2.4GHz（全球）、868MHz（歐洲）、915MHz（北美）。傳輸速率：最高250kbps、20kbps以及40kbps。傳輸距離在10m到75m之間，可通過增加功率放大模塊的方式提升傳輸距離。23短距離通信技術——ZigBee24ZigBee依據(jù)802.15.4標準，在數(shù)千個微小的傳感器之間相互協(xié)調實現(xiàn)通信。這些傳感器只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電波相互協(xié)調實現(xiàn)通信。星狀樹狀網(wǎng)狀ZC：協(xié)調器ZR：路由器ZED：終端短距離通信技術——ZigBee25低功耗。低耗電待機模式下，2節(jié)5號干電池可支持1個節(jié)點工作6～24個月，甚至更長。相比較，藍牙能工作數(shù)周、WiFi可工作數(shù)小時。ZigBee的響應速度較快，從睡眠轉入工作狀態(tài)（休眠激活時延）只需15ms，節(jié)點連接入網(wǎng)只需30ms，進一步節(jié)省了電能。相比較，完成同樣動作，藍牙和WiFi都需要數(shù)秒。低成本。大幅簡化協(xié)議，降低了對通信控制器的要求，免協(xié)議專利費。低速率?？商峁?50kbps(@2.4GHz)、40kbps(@915MHz)和20kbps(@868MHz)的原始數(shù)據(jù)吞吐率，專注于低速率傳輸應用的需求。短距離通信技術——ZigBee26近距離。傳輸范圍（相鄰節(jié)點）介于10～100m之間，增加發(fā)射功率后，可增加到1～3km。再通過路由和節(jié)點間通信接力，傳輸距離可以更遠。超大容量。采用星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡結構，由一個主節(jié)點管理若干子節(jié)點（最多254個）；主節(jié)點還可由上一層網(wǎng)絡節(jié)點管理，最多可組成65000個節(jié)點的大網(wǎng)。高安全?？伸`活設置的三級安全模式，包括安全設定、使用訪問控制清單(AccessControlList,ACL)防止非法獲取數(shù)據(jù)以及采用高級加密標準（AES-128加密算法）的對稱密碼。自組織組網(wǎng)。自愈能力強，通信可靠性高。短距離通信技術——ZigBee27智能家居機頂盒、衛(wèi)星接收器、家庭網(wǎng)關等：家庭監(jiān)控和能源管理等解決方案Zigbee手機（韓國）：將個人電腦、家用設備和電動開關連接智能工業(yè)傳感器+ZigBee：數(shù)據(jù)的自動采集、分析和處理，如危險化學成分的檢測、火警的早期檢測和預報、高速旋轉機器的檢測和維護基于ZigBee的自動抄表系統(tǒng)交通運輸分布式交運信息系統(tǒng)：跟蹤公共交通情況、根據(jù)不同交通流量動態(tài)調節(jié)紅綠燈，追蹤超速的汽車或被盜的汽車、精確定位和交通環(huán)境分析等樓宇自動化電燈開關、煙火檢測器、抄表系統(tǒng)、無線報警、安保系統(tǒng)、HVAC、廚房器械：遠程控制服務智慧農業(yè)農業(yè)蔬果大棚監(jiān)測組網(wǎng)系統(tǒng)（深圳）：實時采集溫室內溫度、土壤溫度、CO2濃度、濕度信號以及光照、葉面濕度、露點溫度等環(huán)境參數(shù)，自動開啟或者關閉指定設備案例：ZigBee智能照明28光照感知與控制的實現(xiàn)示意29短距離通信技術——UWB超寬帶無線通信技術（Ultra-WideBand,UWB）：一種新型無線通信技術，利用納秒至微秒級的非正弦波窄脈沖（而不是載波）傳輸數(shù)據(jù)。傳播距離：在較寬的頻譜上傳送極低功率的信號，10米左右。傳輸速率：數(shù)百Mbps至數(shù)Gbps的數(shù)據(jù)傳輸速率。頻率范圍：3.1GHz到10.6GHz之間30UWB技術特點通過發(fā)送納秒級脈沖（而不是載波）來傳輸數(shù)據(jù)，通信系統(tǒng)的結構大大簡化，容易實現(xiàn)。123456系統(tǒng)結構簡單高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)凸母甙踩远ㄎ痪_工程簡單造價低以超寬的頻率帶寬（數(shù)GHz）換取高速數(shù)據(jù)傳輸（高達1Gbps）。高速通信時系統(tǒng)的耗電量僅為幾百微瓦到幾十毫瓦。設備功率是傳統(tǒng)移動電話功率的1/100，藍牙設備功率的1/20。信號能量彌散在極寬的頻帶內，相當于白噪聲，信號功率譜密度低于自然電子噪聲。監(jiān)測困難，安全性高。具有極強的穿透能力，可在室內和地下進行精確定位，不同于GPS的絕對地理定位，可實現(xiàn)相對定位，定位精度達厘米級。以全數(shù)字化的方式在工程上實現(xiàn)。只需要以一種數(shù)學方式產生脈沖，并對脈沖產生調制，涉及電路可被集成到一個芯片上。31UWB：適合較高定位精度需求的物聯(lián)網(wǎng)應用高危行業(yè)人員監(jiān)控和救援1234UWB采用納秒級非正弦窄脈沖通信，穿透力強，可以達到厘米級別的定位精度特別適合有較高定位精度需求的物聯(lián)網(wǎng)應用，是未來十年的室內定位主流技術可實時監(jiān)控人員或物資的位置信息，實現(xiàn)對人員與物資的風險管理和安全保障公司訪客管理存貨物資管理展館位置優(yōu)化32全球UWB定位技術五巨頭33定位精度：1-10cm最大射程：400米支持大范圍定位和三維實時定位短距離通信技術——LiFiLiFi（LightFidelity），又稱“光保真技術”或“可見光通信”，由德國物理學家哈拉爾德?哈斯教授發(fā)明?；驹恚和ㄟ^改變房間照明光線的閃爍頻率進行數(shù)據(jù)傳輸。當電流被施加到LED燈泡上時，LED燈泡所發(fā)出光的亮度可以以極高的速度改變，這意味著可以以不同速率調制光來發(fā)送信號。LiFi接入點：借助LiFi，只要有電燈存在的環(huán)境，就有LiFi接入，LiFi熱點成為互聯(lián)網(wǎng)的新型入口。組網(wǎng)：在LiFi接入點后面，通常使用以太網(wǎng)供電（POE）或電力線通信（PLC）連接到骨干網(wǎng)絡。34LiFi的優(yōu)勢高速數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)速率高達數(shù)Gbps。在一個有6個LiFi集成燈的房間中，每個燈傳輸數(shù)據(jù)速率為42Mbps，則房間的總無線容量可以達到252Mbps。抗干擾性。不依靠無線電波，而是由照明區(qū)域來定義，沒有電磁干擾，特別適合醫(yī)院、電廠、飛機等不宜采用無線通信技術的場合。安全可靠?？梢姽獗蝗菁{和限制在一個物理空間中，只沿直線傳播，不能穿透物體，不易被截取和泄露，且有利于資產追蹤及用戶認證的精確定位。低延時。比WiFi低約三倍的延時?？啥ㄎ?。支持部署高級地理圍欄功能。低能耗。照明和通信的深度耦合，光照明的同時就能傳輸信號，為通信所消耗的功率不到發(fā)光功率的5%。部署方便。只要有光源的地方，如街邊路燈都可以作為LiFi熱點。35LiFi國內外現(xiàn)狀研究實驗階段，完整產業(yè)鏈尚未形成。國內LED設備商：對LiFi的參與程度相對較高國內通訊設備供應商：對LiFi的研究集中在控制、通信、定位三個方面，如華為、中興等。國內電力運營商：國家電網(wǎng)等正在聯(lián)合科研院所進行LiFi技術的實驗室研究。國外：韓國三星電子的半導體芯片在LiFi領域布局較多。36LiFi的缺陷光信號不能穿墻，傳輸距離有限，僅為10米左右。如果想在建筑物內或家居環(huán)境里無間斷地上網(wǎng)，必須確保每個房間里都有安裝了LiFi芯片的智能燈泡。LiFi在戶外（特別是白天）工作不易。如果自然環(huán)境光（如太陽光）過于強烈，會對信號傳輸形成干擾。雙向傳輸存在難度。下行傳輸依靠可見光通信，上行傳輸依靠紅外通信。37短距離通信技術——Z-Wave38基于射頻的短距離無線通信技術專為住宅和輕型商業(yè)環(huán)境中的控制、監(jiān)測和狀態(tài)讀取應用而設計傳輸速率：9.6/40/100kbit/s，小數(shù)據(jù)包傳輸信號有效覆蓋范圍：室內30m，室外100m+工作頻率@1GHzISM頻段：868.4MHz@歐洲/中國大陸908.4/916MHz@美國/加拿大919.8/921.4MHz@澳大利亞/巴西39支持網(wǎng)狀網(wǎng)連接以及消息確認機制可支撐智能家庭和智慧建筑的無線控制類應用，支持各類智能設備相互連接并交換控制命令和數(shù)據(jù)低功耗性能上優(yōu)于Wi-Fi，遠程覆蓋性能上優(yōu)于藍牙在短距離無線通信技術中，相對較低的傳輸頻率、相對較遠的傳輸距離和一定的價格優(yōu)勢。在智能抄表、照明及家電控制、供熱通風與空氣調節(jié)、接入控制、防盜及火災檢測等物聯(lián)網(wǎng)應用中，都可以考慮采納Z-Wave作為連接技術方案。Z-Wave：控制監(jiān)測類應用@住宅及商業(yè)環(huán)境40控制節(jié)點：存儲全網(wǎng)拓撲信息，計算信息傳輸路徑，規(guī)定所有節(jié)點的路由地址，可充當中繼器路由節(jié)點：只儲存與自身相關的部分節(jié)點的拓撲信息，定義部分節(jié)點的路由地址，可充當中繼器從節(jié)點：不存儲拓撲信息，不計算信息傳輸路徑，只響應來自控制節(jié)點和路由節(jié)點的命令，可充當中繼器Z-Wave燈光控制系統(tǒng)Z-Wave的網(wǎng)絡結構：網(wǎng)狀拓撲，三種節(jié)點類型企業(yè)經(jīng)驗——Z-Wave網(wǎng)絡部署41企業(yè)經(jīng)驗：Z-Wave在戶外的距離單跳傳播距離約為100m，但建筑物的存在會縮短這個距離。實踐中，建議大約每10m（或更近）安裝一個Z-Wave設備，以實現(xiàn)較好的覆蓋效果。Z-Wave網(wǎng)絡可以連接在一起，用于更大的部署。每個Z-Wave網(wǎng)絡可以支持多達232個Z-Wave設備，用戶可以在這樣的限制下靈活地添加盡可能多的設備。Z-Wave的雙向應答機制42當一個節(jié)點被分配了網(wǎng)絡ID和節(jié)點ID并接入Z-Wave網(wǎng)絡之后，節(jié)點能夠自動尋找周圍的鄰居節(jié)點，鄰居節(jié)點也會向該新節(jié)點發(fā)送確認信息。

如上圖的Z-Wave組網(wǎng)：控制節(jié)點發(fā)出尋找節(jié)點的信息后，獲取新加入節(jié)點A的信息，然后分配地址給節(jié)點A，節(jié)點A反饋信息給控制節(jié)點，確認加入Z-Wave網(wǎng)絡。43Z-Wave：在網(wǎng)狀