物联网通信及其应用

1、物联世界 机遇无限物联网通信及其应用第1页1、物联网概述2、物联网通信技术 2.1 RFID 2.2 无线低速通信技术 2.3 无线宽带通信技术 2.4 移动通信技术3、云计算、大数据与物联网4、物联网技术应用（医疗、农业、交通等）第2页物联网（IoT）概念提出1998年 MIT Kevin Ashton第一次提出：把RFID技术与传感器技术应用于日常物品中形成一个“物联网” ITU汇报：物联网是经过RFID和智能计算等技术实现全世界设备互连网络 IBM提出：把传感器设备安装到各种物体中，而且普遍连接形成网络，即“物联网”，进而在此基础上形成“智慧地球 欧洲物联网研究项目工作组制订物联网战略研

2、究路线图，介绍传感网/RFID等前端技术和发展趋势物联网形式早已存在，统一意义上物联网概念提出是在架构在互联网发展成熟基础上第3页4什么是物联网第4页5什么是物联网第5页6物联网定义Internet of Things 在计算机互联网基础上，利用感知（RFID，传感器等）、无线通信、智能等技术，结构一个覆盖世界上万事万物网络。 在这个网络中，物品能够彼此进行“交流”，人们能够彼此进行“交流”，人与物能够彼此进行“交流”，而无需人干预。 其实质是利用感知/无线技术，经过计算机互联网实现物品自动识别和信息互联与共享。 第6页7物品开口说话第7页8物、物交流 1）衣服会“告诉”洗衣机对清洗强度和水温

3、要求； 2）食物会“告诉”微波炉，用多长时间多高温度进行烹饪。第8页9物联网定义 物联网，英文名称叫“The Internet of things”（简称IOT）。通俗地讲，物联网就是“物物相连互联网”,是将各种信息传感设备经过互联网把物品与物品结合起来而形成一个巨大网络。 其中两层意思，第一，物联网是互联网延伸和扩展，其关键和基础依然是互联网，第二，其用户端不但仅是个人，还包含任何物品。第9页10物联网概念第10页11物联网意义 “物联网”概念问世，打破了人类之前思维方式。过去，人们一直是将物理基础设施和IT基础设施分开：一方面是机场、公路、建筑物，而其次是数据中心、个人电脑、宽带等。而在物

4、联网时代，钢筋混凝土、电缆将与芯片、宽带融合为统一基础设施，实现人类社会与物理系统整合。在此意义上，基础设施更像是一块新地球工地，世界运转就在它上面进行，并达到“智慧”状态，从而提高资源利用率和生产力水平，实现人与自然和谐统一。第11页12概念澄清：物联网与传感网区分 传感器网sensornetworks，现在谈到传感器网，通常强调是无线传感器网络。传感器信息普通被认为是低速率、短距离、低功耗，所以组网上有特殊性。也能够叫wirelesssensornetwork，WSN。 物联网networkofthings，对物体进行标识。包含了传感器网、RFID、二维码等。主要试图区分于Internet

5、，认为Internet是人与人之间网络。而物联网是物物相连网。 第12页13物联网与传感网区分 传感器网能够看成传感模块+组网模块共同组成一个网络。传感器仅仅感知到信号，并不强调对物体标识。比如能够让温度传感器感知到森林温度，但并不一定需要标识哪根树木。 物联网概念相对比传感器网大一些。人感知物、标识物伎俩，除了有传感器网，还能够有二维码/一维码/RFID等。如用二维码/RFID标识桌椅之后，就能够形成物联网，但二维码/RFID并不在传感器网络范围。 M2M（MachinetoMachine，即机器到机器通信）与物联网关系。其侧重点在于无线数据通信和信息技术无缝连接，从而实现在其基础上无线业务

6、流程自动化、集成化，并最终为用户创造增值服务。互联网（Internet）将计算机以一组通用协议相连，形成逻辑上单一巨大国际网络。在这基础上发展出覆盖全世界全球性互联网络称“互联网”。第13页 中国在物联网领域起步很早。早在1999年，中科院上海微系统所就拨款40万元进行传感网产品研发，研发产品开始在“动态北仑”等项目中得到应用。 年8月7日，温家宝总理考查中科院无锡高新微纳传感网工程技术研发中心后，指示“尽快建立中国传感信息中心，或者叫感知中国中心”。物联网在中国2月，物联网产业十二五发展规划公布，重点确定了物联网在“智能工业、智能农业、智能物流、智能交通、智能电网、智能环境保护、智能安防、智

7、能医疗、智能家居”等9个重点领域。 第14页物联网为何突然火了？是忽悠还是又一场技术革命？物联网概念是否在重复炒冷饭？问题第15页从互联网到物联网伴随网络覆盖普及，人们提出了一个问题，既然无处不在网络能够成为人际间沟通无所不能工具，为何我们不能将网络作为物体与物体沟通工具，人与物体沟通工具，乃至人与自然沟通工具？中国移动通信集团企业总经理 王建宙从互联网到“物联网”计算机:自动计算以独立计算机进行信息处理互联网：人与人交互基于计算机网络进行信息交互物联网：物物&人物交互万物信息感知、交互、处理网络物联网（IoT：The Internet of Things) 是“万物沟通”、含有全方面感知、可

8、靠传送、智能处理特征连接物理世界网络，实现了任何时间、任何地点及任何物体连结。能够帮助实现人类社会与物理世界有机结合，使人类能够以愈加精细和动态方式管理生产和生活，从而提升整个社会信息化能力。物联网时代示意图：万物相联。比如：当司机出现操作失误时汽车会自动报警；公文包会提醒主人忘带了什么东西等等 第16页18世纪中期，以蒸汽机为代表第一次工业革命开创了人类大机器工业时代从科学发展史看物联网19世纪后期到20世纪中叶，以电机为代表第二次工业革命使人类进入了电气化时代第17页20世纪下半叶，以互联网计算机为代表第三次工业革命快速席卷全球，世界进入信息化时代二十一世纪初提出物联网，能够引发第四次工业

9、革命吗？物联网在科学发展史地位第18页物联网是实现中国五大主题任务关键推进要素之一物联网对中国意义经济可连续发展有竞争力企业友好社会能源有效利用环境保护IBM大中华区CEO智慧地球赢在中国第19页物联网介绍泛在网五层结构感知层主要完成信息搜集与简单处理, 部分学者将该层称为感知延伸层, 该层由传统WSN、RFID和执行器组成；接入层主要完成各类设备网络接入, 该层重点强调各类接入方式, 比如3G/4G、Mesh网络、WiFi、有线或者卫星等方式；支撑层又称中间件, 或者业务层对下需要对网络资源进行认知, 进而到达自适应传输目标; 本层完成信息表示与处理, 最终到达语义互操作和信息共享目标; 对

10、上提供统一接口与虚拟化支撑, 虚拟化包含计算虚拟化和存放虚拟化等内容, 较为经典技术是云计算；应用层主要完成服务发觉和服务展现工作。网络层为原有互联网、电信网或者电视网, 主要完成信息远距离传输等功效；第20页感知层 智能嵌入式 标识、感知 协同、互动网络层 融合接入 信息存放应用层 数据挖掘 决议物联网介绍三层结构第21页物联网产业关注关键要素中国：8月 感知中国以中科院和中国移动为先导，强调自主创新传感技术和TD结合美国： 底IBM向美国政府提出“智慧地球”战略强调传感等感知技术应用，提出建设智慧型基础设施欧盟：6月 物联网行动计划 详细而务实，强调RFID广泛应用，重视信息安全日本： 8

11、月 u-Japan战略在u-Japan基础上，强调电子政务和社会信息服务应用关注点1：全方面感知关注点2：可靠传送关注点3：智能处理 传感器和RFID 智能嵌入技术 (如智能家庭) 短距无线和传感网技术 IP化多业务承载公网 信息IT技术深入各行业 物物&人物交互智能中枢第22页感知层是物联网全方面感知基础物联网感知层 RFID标签和读写器 M2M终端和传感器 传感器网络和网关感知层实现方式 摄像头和监控 GPS/北斗定位授时 智能家居网关感知层作用感知层突破方向 感知和识别物体 采集和捕捉信息 更敏感和更全方面感知能力 处理低功耗问题 处理小型化和低成本问题RFID读写智能家居网关M2M终端

12、传感器网络摄像头GPS/北斗传感器网关感知层是实现物世界连接和感知基础，必须考虑感知层全方面布局和发展重点产品策略无线上连 & 有线上连第23页感知层自组织网络：自组织网络示意图第24页公共感知层第25页网络层是物联网无处不在前提物联网网络层 接入网：无线/光纤各种类型接入形式 关键网：统一IP协议上大带宽可靠网络 业务支撑平台：业务统一管理布署和运行支撑网络层主要层次网络层作用网络层突破方向 连接感知层和应用层 随时随地连接实现 当前最成熟部分 扩展规模，以实现无处不在 业务可扩展管理运行能力 简化结构，上下层面融合网络层是物联网成为普遍服务前提，必须关注规模扩展机遇，重点是接入网络和业务支

13、撑平台第26页物联网中通信技术第27页各种网络形式怎样应用于物联网？互联网：IPv6扫清了可接入网络终端设备在数量上限制。互联网/电信网是物联网关键网络、平台和技术支持。无线宽带网：WiFi/WiMAX等无线宽带技术覆盖范围较广，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互联伎俩。无线低速网：ZigBee/蓝牙/红外等低速网络协议能够适应物联网中能力较低节点低速率、低通信半径、低计算能力和低能量起源等特征。移动通信网：移动通信网络将成为“全方面、随时、随地”传输信息有效平台。高速、实时、高覆盖率、多元化处理多媒体数据，为“物品触网”创造条件。第28页应用层是物联网智能处理中枢

14、物联网应用层 智能家居 智能交通 智能城管应用层主要应用方向应用层作用应用层突破方向 信息技术与行业专业技术结合 实现广泛智能化应用处理方案集合 信息技术与行业深度融合 信息社会化共享和安全保障 基于云计算应用整体架构 智能电力 智能医疗 智能通信服务云计算是应用大规模布署关键云计算资源云计算业务计算能力存放能力全局控调SaaSPaaSIaaS物联网应用发展六热点大领域 智能家居智能电力智能交通智能医疗智能城管智能通信服务六大热点涵盖了主要应用集和投资方向应用层是物联网智能中枢，必须关注云计算新架构应用和聚焦方向应用方案集合提供第29页物联网主要特点感知识别普适化无所不在感知和识别将传统上分离

15、物理世界和信息世界高度融合。异构设备互联化各种异构设备利用无线通信模块和协议自组成网，异构网络经过“网关”互通互联。联网终端规模化物联网时代每一件物品均具通信功效成为网络终端，5-内联网终端规模有望突破百亿。第30页物联网主要特点（续）管理调控智能化物联网高效可靠组织大规模数据，与此同时，运筹学，机器学习，数据挖掘，教授系统等决议伎俩将广泛应用于各行各业。应用服务链条化以工业生产为例，物联网技术覆盖从原材料引进，生产调度，节能减排，仓储物流到产品销售，售后服务等各个步骤。经济发展跨越化物联网技术有望成为从劳动密集型向知识密集型，从资源浪费型向环境友好型国民经济发展过程中主要动力。第31页物联网

16、泛在聚合目标举例：智能交通智能交通统一应用平台车辆传感网人体传感网道路传感网气象传感网人体生理监测心跳、血压体温疲劳、醉酒道路监测车速、车型车流量道路情况车辆状态监测刹车胎压车间距局部气象监测温度、湿度风、雨雪、冰前方桥下有些人过马路 !智能交通传感网应用实例：提前预警智能交通实现前提：全方面感知，及时可靠传送，智能应用平台信息聚合处理和应用第32页小结：物联网概念最关注以人为中心统一物联网概念关键关注点是：以人为中心，建立为人服务物基础架构和应用体系E社会模型智慧地球模型 强调以人为中心任意可达网络 强调以人为中心按需可用服务 强调为人服务生产生活各个方面 强调为人服务智能处理能力提升智慧城

17、市智慧电力智慧医疗智慧水源智慧电信智慧零售智慧交通智慧石油智慧银行智慧食品Smart Planet智慧地球物联网不是包含一切连接物网络，其关键是以人为中心物网络和为人服务应用第33页国际著名厂商物联网布局规划关键点感知层网络层应用层华为移动通信模块M2M终端传感器网络移动网络&宽带接入网络M2M业务平台智能家居中兴RFID设备和系统集成移动通信模块M2M终端移动网络&宽带接入网络M2M业务平台智能交通智能医疗电力抄表爱立信传感器和传感网移动网络&宽带接入网络M2M业务平台诺西移动网络M2M业务平台CiscoIP关键网络IPv6和IPv6协议栈IBM云计算架构智慧地球战略10大应用方向Intel

18、微处理器芯片WiMax移动通信芯片Google云计算架构各厂商都处于起始布局阶段，国内厂商“全方面布局起步”，国际厂商“从优势出公布局起步”第34页定位于感知层先发较小厂商定位于物联网感知层特定产品和技术较小厂商众多，具备产业链合作很好外部环境RFID 技术移动通信模块M2M终端网关传感器传感网威讯紫晶科技清远华程昆仑海岸映翰通（Inhand）Sierra Wireless国民技术时代凌宇远望谷深圳宏电 第35页1、物联网概述2、物联网通信技术 2.1 RFID 2.2 无线低速通信技术 2.3 无线宽带通信技术 2.4 移动通信技术3、云计算、大数据与物联网4、物联网技术应用（医疗、农业、交

19、通等）第36页物联网通信技术射频识别技术RFIDRFID射频识别技术（Radio Frequency Identification）利用射频信号经过空间耦合（交变磁场或电磁场）实现无接触信息传递并经过所传递信息到达识别目标。 它是上世纪90年代兴起自动识别技术，首先在欧洲市场上得以使用，随即在世界范围内普及。RFID较其它技术显著优点是电子标签和阅读器无需接触便可完成识别。射频识别技术改变了条形码依靠有形一维或二维几何图案来提供信息方式，经过芯片来提供存放在其中数量巨大无形信息。第37页2.1.1RFID历史与现实状况第38页2.1.1RFID历史与现实状况当前RFID技术应用己经处于全方面推

20、广阶段。尤其是对于IT业而言，RFID技术被视为IT业下一个“金矿”。各大软硬件厂商包含IBM、Motorola、Philips、TI、Microsoft、Oracle、Sun、BEA、SAP等在内各家企业都对RFID技术及其应用表现出了浓厚兴趣，相继投入大量研发经费，推出了各自软件或硬件产品及系统应用处理方案。在应用领域，以Wal-Mart，UPS，Gillette等为代表众多企业已经开始全方面使用RFID技术对业务系统进行改造，以提升企业工作效率、管理水平并为客户提供各种增值服务。第39页2.1.2 RFID技术分析RFID系统由传送器、接收器、微处理器、天线、标签组成。传送器、接收器和微

21、处理器通常都被封装在一起，又统称为阅读器(Reader)，所以工业界经常将RFID系统分为为阅读器、天线和标签三大组件，这三大组件普通都可由不一样生厂商生产。第40页2.1.2 RFID技术分析：阅读器阅读器是RFID系统最主要也是最复杂一个组件。其工作模式普通是主动向标签问询标识信息。下列图显示不一样类型阅读器。阅读器能够经过标准网口、RS232串口或USB接口同主机相连，经过天线同RFID标签通信。第41页2.1.2 RFID技术分析：天线天线同阅读器相连，用于在标签和阅读器之间传递射频信号。阅读器能够连接一个或多个天线，但每次使用时只能激活一个天线。RFID系统工作频率从低频到微波，这使

22、得天线与标签芯片之间匹配问题变得很复杂。第42页2.1.2 RFID技术分析：标签标签（Tag）是由耦合元件、芯片及微型天线组成，每个标签内部存有唯一电子编码，附着在物体上，用来标识目标对象。标签进入RFID阅读器扫描场以后，接收到阅读器发出射频信号，凭借感应电流取得能量发送出存放在芯片中电子编码（被动式标签），或者主动发送某一频率信号（主动式标签）。第43页电可擦可编程只读存放器（EEPROM）：普通射频识别系统主要采取EEPROM方式。这种方式缺点是写入过程中功耗消耗很大，使用寿命普通为100,000次铁电随机存取存放器（FRAM）: 与EEPROM相比，FRAM写入功耗消耗减小100倍，

23、写入时间甚至缩短1000倍。FRAM属于非易失类存放器。然而，FRAM因为生产方面问题至今未取得广泛应用。静态随机存取存放器（SRAM）: SRAM能快速写入数据，适合用于微波系统，但SRAM需要辅助电池不间断供电，才能保留数据。标签：存放方式第44页被动式标签（Passive Tag）：因内部没有电源设备又被称为无源标签。被动式标签内部集成电路经过接收由阅读器发出电磁波进行驱动，向阅读器发送数据。主动标签（Active Tag）:因标签内部携带电源又被称为有源标签。电源设备和与其相关电路决定了主动式标签要比被动式标签体积大、价格昂贵。但主动标签通信距离更远，可达上百米远。半主动标签（Semi

24、-active Tag）:这种标签兼有被动标签和主动标签全部优点，内部携带电池，能够为标签内部计算提供电源。这种标签能够携带传感器，可用于检测环境参数，如温度、湿度、是否移动等。然而和主动式标签不一样是它们通信并不需要电池提供能量，而是像被动式标签一样经过阅读器发射电磁波获取通信能量。标签分类第45页体积小且形状多样：RFID标签在读取上并不受尺寸大小与形状限制，不需要为了读取精度而配合纸张固定尺寸和印刷品质。耐环境性：纸张轻易被污染而影响识别。但RFID对水、油等物质却有极强抗污性。另外，即使在黑暗环境中，RFID标签也能够被读取。可重复使用：标签含有读写功效，电子数据可被重复覆盖，所以能够

25、被回收而重复使用。穿透性强：标签在被纸张、木材和塑料等非金属或非透明材质包裹情况下也能够进行穿透性通讯。数据安全性：标签内数据经过循环冗余校验方法来确保标签发送数据准确性。RFID标签与条形码相比优点？第46页2.1.2 RFID技术分析：频率RFID频率是RFID系统一个很主要参数指标，它决定了工作原理、通信距离、设备成本、天线形状和应用领域等原因。RFID经典工作频率有125KHz、133KHz、13.56MHz、27.12MHz、433MHz、860-960MHz、2.45GHz、5.8GHz等。按照工作频率不一样，RFID系统集中在低频、高频和超高频三个区域第47页低频（LF）范围为3

26、0kHz-300kHz，RFID经典低频工作频率有125kHz和133kHz两个，该频段波长大约为2500m。低频标签普通都为无源标签，其工作能量经过电感耦合方式从阅读器耦合线圈辐射场中取得，通信范围普通小于1米。除金属材料影响外，低频信号普通能够穿过任意材料物品而不降低它读取距离。高频（HF）范围为3 MHz -30 MHz，RFID经典工作频率为13.56MHz,该频率波长大约为22米，通信距离普通也小于1米。该频率标签不再需要线圈绕制，能够经过腐蚀活着印刷方式制作标签内天线，采取电感耦合方式从阅读器辐射场获取能量。RFID频率第48页超高频（UHF）范围为300MHz-3GHz，3GHz

27、以上为微波范围。采取超高频和微波RFID系统普通统称为超高频RFID系统，经典工作频率为：433MHz，860-960MHz，2.45GHz，5.8GHz，频率波长大约在30厘米左右。严格意义上，2.45GHz和5.8GHz属于微波范围。 超高频标签能够是有源标签与无源标签两种，经过电磁耦合方式同阅读器通信。通信距离普通大于1米，经典情况为4-6米，最大可超出10米。RFID频率（续）第49页RFID相关自动识别技术 自动识别技术：包含条形码、接触式IC卡、生物特征识别、光学字符识别（OCR）以及射频识别（RFID）等。条形码（Bar Code）技术：最早产生在20世纪代，由一组规则排列条和空

28、、对应数字组成 。其它.第50页RFID指纹特征有哪些（总体特征）？纹型：三种基本纹型包含：环型、弓型和螺旋型纹数：模式区内指纹纹路数量。模式区：指纹上包含总体特征区域，即从模式区就能够分辨出指纹是属于那一个类型三角点：位于从关键点开始第一个分叉点或断点、或者两条纹路会聚处、孤立点、转折点、或者指向这些奇异点。第51页指纹特征有哪些（局部特征）？终止点（Ending）：一条纹路在此终止。分叉点（Bifurcation) ：一条纹路在此分开成为两条或更多纹路。 分歧点（Ridge Divergence）：两条平行纹路在此分开。 孤立点（Dot or Island） : 一条尤其短纹路，以至成为一

29、点。 环点（Enclosure）: 一条纹路分开成为两条之后，马上有合并成为一条，这么形成一个小环称为环点。短纹（Short Ridge）: 一端较短但不至于成为一点纹路。第52页条形码技术条码技术是在计算机应用发展过程中，为消除数据录入“瓶颈”问题而产生，能够说是最“古老”自动识别技术。条形码是由一组规则排列条、空以及对应字符组成标识。当使用专门条形码识别设备如手持式条码扫描器扫描这些条码时，条码中包含信息就转化为计算机可识别数据。当前市场上常见是一维条形码，信息量约几十位数据和字符；二维条形码相对复杂，但信息量可达几千字符。0第53页条形码技术：一维条形码一维条码是由一组规则排列条、空以及

30、对应字符组成标识。普通一维条码在使用过程中仅作为识别信息，它意义是经过在计算机系统数据库中提取对应信息而实现。一个完整条码组成次序依次为：静区（前）、起始符、数据符、（中间分割符，主要用于EAN码）、(校验符)、终止符、静区（后）。第54页条形码技术：二维条形码二维码利用某种特定几何图形按一定规律在平面（二维方向上）分布黑白相间图形统计数据符号信息；在代码编制上巧妙地利用组成计算机内部逻辑基础“0”、“1”比特流概念，使用若干个与二进制相对应几何形体来表示文字数值信息，经过图象输入设备或光电扫描设备自动识读以实现信息自动处理。二维码含有条码技术一些共性：每种码制有其特定字符集；每个字符占有一定

31、宽度；含有一定校验功效等。同时还含有对不一样行信息自动识别功效、及处理图形旋转改变等特点。 第55页条形码技术：二维条形码当前，世界上应用最多二维条码符号有Aztec Code、PDF147、DataMatrix、QR Code、Code16K等。Code 16KDataMatrixPDF147Aztec CodeQR Code第56页一维条形码与二维条形码比较一维条形码特点：可直接显示内容为英文、数字、简单符号；贮存数据不多，主要依靠计算机中关联数据库：保密性能不高；损污后可读性差。二维条形码特点：可直接显示英文、汉字、数字、符号、图型；贮存数据量大，可存放1K字符，可用扫描仪直接读取内容，

32、无需另接数据库；保密性高（可加密），安全级别最高时，损污50%仍可读取完整信息。第57页RFIDRFID应用RFID应用领域广泛，且每种应用实现，都会形成一个庞大市场，所以能够说射频识别是一个主要新经济增加点。 当前，RFID在票务系统（城市公交车、高速公路收费、门票等）、收费卡、城市交通管理、安检门禁、物流、家政、食品安全追溯、药品、矿井生产安全、防盗、防伪、证件、集装箱识别、动物追踪、运动计时、生产自动化、商业供给链等众多领域取得广泛重视和应用。第58页RFIDRFID应用第二代身份证第59页RFIDISO IEC标准标准作用确保协同工作进行，规模经济实现，工作实施安全性以及其它许多方面R

33、FID标准化主要目标在于经过制订、公布和实施标准，处理编码、通信、空中接口和数据共享等问题，最大程度促进RFID技术及相关系统应用标准采取过早，有可能会制约技术发展和进步；采取过晚，可能会限制技术应用范围。第60页RFID标准包括内容RFID标准包括主要内容包含技术（接口和通信技术，如空中接口、防碰撞方法、中间件技术、通信协议）一致性（数据结构、编码格式及内存分配 ）电池辅助及与传感器融合应用（如不停车收费系统、身份识别、动物识别、物流、追踪、门禁等，应用往往包括相关行业规范 ）第61页RFIDISO IEC标准ISO/IEC（国际标准化组织和国际电工委员会）制订RFID标准概况 技术标准 ：

34、ISO/IEC 10536 、ISO/IEC 14443 、ISO/IEC 18000系列标准 等数据结构标准 ：ISO/IEC 15424 、ISO/IEC 15418 、ISO/IEC 15434 等性能标准 ：ISO/IEC 18046 、ISO/IEC 18047 、ISO/IEC 10373-6 等应用标准 ：ISO/IEC 10374 、ISO/IEC 18185 、ISO/IEC 11784 等第62页1、物联网概述2、物联网通信技术 2.1 RFID 2.2 无线低速通信技术 2.3 无线宽带通信技术 2.4 移动通信技术3、云计算、大数据与物联网4、物联网技术应用（医疗、农业

35、、交通等）第63页2.2 无线低速通信技术 更全方面互联互通是物联网特点之一。无线低速网络协议能够适应物联网中智能程度较低设备特征。 本节将介绍经典无线低速网络协议（蓝牙/红外/802.15.4&ZigBee）及无线传感网组网技术。第64页为何需要低速网络协议？物联网背景下连接物体，现有智能也有非智能。适应物联网中那些能力较低节点低速率低通信半径低计算能力，和低能量要求需要对物联网中各种各样物体进行操作前提就是先将他们连接起来，低速网络协议是实现全方面互联互通前提。第65页无线低速网络协议蓝牙红外802.15.4/ZigBee经典无线低速网络协议：第66页2.2.1蓝牙（Bluetooth）概

36、述经典无线低速网络蓝牙红外802.15.4/ZigBee蓝牙技术是一个短距离低功耗传输协议，最早始于1994年，由瑞典爱立信企业研发。采取是调频技术（frequency-hopping spread spectrum），频段范围是2.402GHz-2.480GHz。通信速率普通能到达1Mbps左右，新蓝牙标准也支持超出20Mbps速率。通信半径从几米到100米左右不等，常见为几米左右。蓝牙设备都分配了一个48位地址。第67页 蓝牙技术使用全球通行、无需申请即可使用2.45GHzISM（工业Industry、科学Science、医学Medicine）频段(2.422.4835GHz)。若以2.4

37、5GHz为中心频率，在这个频段上最多可设置79个带宽为1MHz信道。 f=2402+kMHz，k=078 上下保护带分别为3.5MHz和2MHz，跳频次数为1600次秒(625uS) 采取跳频扩谱低功率传输外，蓝牙还采取鉴权和加密等办法来提升通信安全性。 蓝牙（Bluetooth）概述第68页 蓝牙支持点到点和点到多点连接，可采取无线方式将若干蓝牙设备连成一个微微网（Piconet），多个微微网又可互连成特殊分散网，形成灵活多重微微网拓扑结构，从而实现各类设备之间快速通信。 它能在一个微微网内寻址8个设备，其中1个为主设备，7个为从设备。蓝牙是一个低功耗无线技术，当检测到距离小于10m时，接收

38、设备可动态调整功率。当业务量减小或停顿时，蓝牙设备能够进入低功率工作模式。功耗低，对人体危害小。蓝牙（Bluetooth）概述第69页第70页 蓝牙集成电路应用简单、成本低廉、轻易实现和推广。其程序写在一个99（mm）微芯片中。图左端为天线和滤波器，右端为单芯片植入蓝牙电子元件（采取标准BGA封装方式）。 蓝牙以无线LANsIEEE802.11标准技术为基础。应用了“Plonk and play”概念（有点类似“即插即用” 。第71页蓝牙系统组成第72页第73页BLUETOOTH1.0技术指标和系统参数 第74页第75页蓝牙协议体系第76页1.成本低：最终目标是集成于单价为5美元芯片。2. 功

39、耗低、体积小：蓝牙产品输出功率只有1mW3.近距离通信：通信距离为10m，还能够选取放大器使其扩展到100m。4.安全性：同其它无线信号一样，蓝牙信号很轻易被截取。蓝牙系统认证与加密服务由物理层提供，适合于硬件实现，密钥由高层软件管理。除此之外，跳频技术保密性和蓝牙有限传输范围也使窃听变得困难。蓝牙技术特点第77页蓝牙技术与无线局域网 从形式上看，蓝牙和采取IEEE802.11无线局域网络（WLAN）很相同，共同之处于于： (1)工作在2.4GHz频段上；(2)支持移动联网，用户能够灵活地移动计算设备位置，保持连续网络连接；(3)不需要物理线路，安装非常简便；(4)因为无线网络所使用高频率无线

40、电波能够穿透墙壁或玻璃窗，所以网络设备能够在有效范围内任意放置；(5)多层安全防护办法能够充分确保用户隐私；(6)改动网络结构或布局时，不需要对网络重新设置。第78页蓝牙和Wi-Fi区分经典无线低速网络蓝牙红外802.15.4/ZigBeeWi-Fi定位目标是为了取代网络应用中有线设备，能够真正实现从有线到无线转变，他能够用来传送各种文件，视频，音频，实现互联网各种应用。蓝牙主要是为了替换一些个人用户携带设备有线，如耳机，键盘等。这些设备对带宽要求相对较少，或者说不是经常使用，比如手机间传送小文件，或者说这些设备资源拥有量（电量，计算资源等等）相对较低。第79页覆盖范围不一样：蓝牙覆盖范围小，

41、性能相对较低；Wi-Fi传输速率高，范围为50m，涵盖整层楼和整个办公室。功耗差异：蓝牙耗电低。通信操作方面：由配有蓝牙设备搜索出位于半径10m内另外一台配置蓝牙设备，双方认证后就可通信。1台配置蓝牙设备可与7台蓝牙设备同时进行通信。成本差异：WLAN研发与生产成本降低速度比较快，以802.11技术为规格相关产品，几乎每年都以30速度降低成本。蓝牙芯片5美元左右，当前IEEE802.11更具竞争力。 总来讲，IEEE802.11比较适合于办公室中企业无线网络，而蓝牙技术则能够应用于任何能够用无线方式替换线缆场所。当前这些技术还处于并存状态，从久远看，伴随产品与市场不停发展，它们将走向融合。蓝牙

42、和Wi-Fi区分第80页2.2.2 红外（Infrared)经典无线低速网络蓝牙红外802.15.4/ZigBee红外通信技术利用红外线传输数据，比蓝牙技术出现更早，是一个较早无线通信技术。特点红外通信采取是875nm左右波长光波通信，通信距离普通为1米左右。设备体积小、成本低、功耗低、不需要频率申请等优势缺点设备之间必须相互可见对障碍物衍射较差第81页2.2.3 ZigBee ZigBee是一个新兴短距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本无线网络技术。 主要用于近距离无线连接。它依据IEEE 802.15.4标准，在数千个微小传感器之间相互协调实现通信。 ZigBee无线网络主要是为工业

43、现场自动化控制数据传输而建立。所以它具备简单、方便、稳定和低成本等特点。第82页ZigBee与IEEE802.15.4协议 LR-WPAN (Low Rate Wireless Personal Area Network) ：无线个域网，属于低速无线个域网，协议属802.15：IEEE802.15.1：中速无线个域网，蓝牙；IEEE802.15.3：高速无线个域网，超宽带，（UWB）IEEE802.15.4：低速无线个域网，LR-WPAN，主要为电源能力受限、吞吐量要求不高、无线应用提供低成本连接；第83页ZigBee与IEEE802.15.4协议IEEE-802.15.4共27个信道：245

44、0MHz16g个；915MHz10个；868MHz1个；支持250kbps、40kbps、20kbps三种速率；支出星状网络结构和点对点对等网络结构；分配16位短地址或16位扩展地址；支持时隙确保机制，经过预留确保时隙（GTS）提供无竞争媒体访问，或实现CSMA/CA以防止竞争；确认握手确保传输可靠性；低功耗，能够能量检测；有链路质量指标；第84页 ZigBee和IEEE802.15.4并不是完全一回事。IEEE 802.15.4 是IEEE无线个人区域网(Personal Area Network，PAN)工作组一项标准，被称作IEEE802.15.4技术标准，IEEE仅处理低级MAC层和物

45、理层协议。ZigBee联盟在802.15.4基础上，对其网络层协议和API进行了标准化。另外ZigBee联盟还开发了安全层，以确保使用ZigBee协议标准物联网设备不会意外泄漏其标识，而且这种利用网络远距离传输信息不会被其它节点取得。 ZigBee与IEEE802.15.4协议第85页ZigBee协议架构 ZigBee规范是由ZigBee Alliance所主导标准，定义了网络层（Network Layer）、安全层（Security Layer）、应用层（Application Layer）、以及各种应用产品资料（Profile）； 而由国际电子电机工程协会（IEEE）所制订802.15.4

46、标准，则是定义了物理层（PHY Layer）及媒体存取层（Media Access Control Layer；MAC Layer）。第86页频段：ZigBee可使用频段有3个，分别是2.4GHzISM频段、欧洲868MHz频段、以及美国915MHz频段，而不一样频段可使用信道分别是16、1、10个。 802.15.4 物理层传输技术：最早为直接扩频，以后可采取调频、调相等各种技术。第87页802.15.4介质访问控制层经典无线低速网络蓝牙红外802.15.4/ZigBee介质访问控制层（MAC）控制和协调整点使用物理层信道802.15.4采取载波侦听多路访问方式(CSMA/CA)，与802.

47、11（Wi-Fi）类似。传输之前，先侦听介质中是否有使用同一信道载波存在，若不存在说明信道空闲，将直接进入数据传输状态；若系统检测到存在载波，则在随机退避一段时间后重新检测信道，退避时间长短由详细协议指定。第88页ZigBee 网络层经典无线低速网络蓝牙红外802.15.4/ZigBee网络层功效：路由，新节点和路径发觉，决定一个节点属于某一个子网络等。ZigBee网络层采取距离矢量路由协议（AODV）源节点广播一个路由请求给它全部邻居邻居节点在收到消息后，再广播收到消息给它们邻居，如此直到消息抵达目标节点。当目标节点收到路由请求消息以后，目标节点返回一个路由回复给源节点。回复不再以广播方式发

48、送到源节点，而是沿着路由请求数据包从源节点到目标节点路径，这么源节点就能够按照这条路径发送消息到目标节点了。第89页ZigBee 网络层以上经典无线低速网络蓝牙红外802.15.4/ZigBee网络层以及上提供了向终端用户接口与互联网类似，在网络层以上：互联网模型中需要提供不一样类型传输服务（比如TCP协议和UDP协议）在传输协议上还需要提供各种基于不一样传输协议应用（比如FTP，HTTP等等）。第90页ZigBee与惯用协议比较第91页92Zigbee技术特征和性能分析 低功耗。在低耗电待机模式下,2 节5 号干电池可支持1个节点工作624个月,甚至更长。相比较,蓝牙能工作数周、WiFi可工

49、作数小时。低成本。经过大幅简化协议(不到蓝牙1/10) ,降低了对通信控制器要求, 而且Zigbee免协议专利费。每块芯片价格大约为2 美元。低速率。Zigbee工作在20250 kbps较低速率,分别提供250 kbps(2.4GHz)、40kbps (915 MHz)和20kbps(868 MHz) 原始数据吞吐率,满足低速率传输数据应用需求。近距离。传输范围普通介于10100 m 之间,在增加RF 发射功率后,亦可增加到13 km。这指是相邻节点间距离。假如经过路由和节点间通信接力,传输距离将能够更远。第92页93Zigbee技术特征和性能分析短时延。Zigbee 响应速度较快,普通从睡

50、眠转入工作状态只需15ms ,节点连接进入网络只需30ms ,深入节约了电能。相比较,蓝牙需要310s、WiFi 需要3s。高容量。Zigbee 可采取星状、片状和网状网络结构,由一个主节点管理若干子节点,最多一个主节点可管理254 个子节点;同时主节点还可由上一层网络节点管理,最多可组成65000 个节点大网。高安全。Zigbee 提供了三级安全模式,包含无安全设定、使用接入控制清单(ACL) 预防非法获取数据以及采取高级加密标准(AES 128) 对称密码,以灵活确定其安全属性。免执照频段。采取直接序列扩频在工业科学医疗( ISM) 频段,2. 4 GHz (全球) 、915 MHz(美国

51、) 和868 MHz(欧洲) 。第93页94ZigBee 在 2.4G 频段上含有 16 个信道，从 2.405GHz 2.480GHz 间分布，信道间隔 是 5M，含有很强信道抗串扰能力。 Zigbee 物理信道第94页ZigBee网络拓扑PAN协调器PAN协调器LR-WPAN网络拓扑简化功效设备RFD全功效设备FFD星状拓扑点对点对等网络拓扑第95页 ZigBee簇树网络多个邻近簇连接成网PAN协调器CID1CID2CID3CID4CID5簇首设备ZigBee簇树网络第96页97网络协调器：包含全部网络消息，存放容量最大、计算能力强。发送网络信标、建立一个网络、管理网络节点、存放网络节点信

52、息、 寻找一对节点间路由消息、不停地接收信息。全功效设备（FFD）：能够担任网络协调者，形成网络，让其它 FFD 或是RFD连结，FFD 具备控制器功效，可提供信息双向传输。更多存放器、计算机能力可使其在空闲时起网络路由作用。也可能做终端设备精简功效设备（RFD）：RFD 只能传送信息给 FFD 或从 FFD 接收信息。附带有限功效来控制成本和复杂性在网络中通惯用作终端设备。ZigBee 网络设备类型第97页98Zigbee技术应用范围一、适合ZigBee 传输数据类型周期性数据：传感器数据、水电气表数据、仪器仪表数据间断性数据工业控制命令、远程网络控制、家用电器控制重复性低反应时间数据如鼠标

53、键盘数据、操作杆数据第98页99Zigbee技术应用范围二、适合 ZigBee 技术应用场所设备成本低、传输数据量小设备体积小，不便放置较大充电电池或者电源模块没有充分电源支持，只能使用一次性电池需要较大范围通信覆盖，网络中设备非常多，但仅仅用于监测或控制第99页工业、农业、商业消费电子、汽车自动化监视传感器自动化控制TVVCRDVD、CD低速无线设备个人健康监护PC机外围设备鼠标、键盘、操作杆玩具和游戏家庭自动化监视诊疗传感器玩具游戏器具保安HVAC照明门禁ZigBee 应用场景第100页无线传感网组网：物理层设计链路特点动态性（Dynamic)非对称性（Asymmetric）：两个节点之间

54、一个方向链路质量好，另一个方向质量非常差。空间关联性（Spatial Correlation）：因为位置相近节点通常有相同环境。时间关联性（Temporal Correlation）物理层设计应该支持802.15.14模块，同时满足：低能量消耗低通讯半径低通信带宽第101页ZigBee芯片方案当前ZigBee实现方案主要有三种：MCU和RF收发器分离双芯片方案如： TI CC2420+MSP430 、FREESCLAE MC13XX+GT60 、MICROCHIP MJ2440+PIC MCU集成RF和MCU单芯片SOC方案 如：TI CC2430/CC2431 、FREESCALE MC13

55、21X 、EM250。ZigBee协处理器和MCU双芯片方案如： JENNIC SOC+EEPROM、EMBER 260+MCU 在主要Zigbee芯片提供商中，德州仪器(TI)Zigbee产品线覆盖了以上三种方案，飞思卡尔、Ember、Jennic能够提供单芯片方案，Atmel、Microchip等其它厂商大都提供MCU和RF收发器分离双芯片方案。第102页CC2430介绍 CC2430是一颗真正系统芯片(SoC)CMOS处理方案。这种处理方案能够提升性能并满足以ZigBee为基础2.4GHz ISM波段应用，及对低成本，低功耗要求。 它结合一个高性能2.4GHz DSSS(直接序列扩频)射

56、频收发器关键和一颗工业级小巧高效8051控制器。第103页无线传感网组网：MAC层设计无线传感网节点特殊性：节点功效小计算不能太复杂节点能量少尽可能降低无须要传输节点通信范围小需要多跳网络设计节点内存小不可能保留全部路由表节点工作环境复杂高适应性协议MAC层：沿用CSMA/CA第104页无线传感网组网：MAC层设计无线收发模块占用大部分电量消耗！第105页MAC层设计：怎样降低能量消耗？无线收发器件（radio transceiver）工作时通常处于三种状态（发送，侦听，空闲状态），发送和侦听状态为工作状态，空闲状态浪费能量。低功率侦听协议采样侦听链路层调度采样侦听无线收发模块在没有数据时候关

57、闭定时采样获取信道信息第106页MAC层设计：采样侦听问题假设采样周期为T，发送者在发送数据时候怎样确保接收者能够收到？保持发送数据时间长度不少于T话，接收者就能够采样到发送者发送数据然后接收者调整至接收状态，正常接收数据。第107页MAC层设计：采样侦听问题（续）依然有问题：发送者每次发送最常需要连续一个采样周期时间，还是会带来无须要能量损耗。更加好方法：同时发送者和接收者到达更高效率调度第108页无线传感网组网：网络层设计主要特点：无线传感器网络中链路是不可靠无线传感器节点功效和资源极其受限，使得节点不能进行很复杂计算，测量以及维护庞大路由表。链路质量成为影响路由协议性能主要指标。许多无线

58、传感器网络路由协议在其路径选择过程中均考虑了链路质量。ETX是广泛使用路径选择指标，可实现无线传感网经典链路测量方法。两类经典网络层路由协议：数据搜集协议CTP数据分发协议Drip第109页110Z-wave Z-wave技术是由丹麦芯片和软件开发商Zensys企业开发一个短距离无线通信技术。起初主要用于智能无线家居(Intelligent Wireless Home)，为促进消费者在无线家居控制领域应用Z-wave技术，确保全部组员系统和设备之间互通性，给产品提供售后合作和服务，1月，Zensys企业与其它60多家厂商在CES（Consumer Electronics Show）大会上宣告成

59、立Z-wave联盟（Z-Wave Alliance）。 第110页111Z-wave Z-Wave工作频带为908.42MHz(美国)868.42MHz(欧洲)，采取FSK(BFSK/GFSK)调制方式，数据传输速率为9.6 kbps，信号有效覆盖范围在室内是30m，室外可超出100m，适合于窄带宽应用场所。 Z-Wave技术设计用于住宅、照明商业控制以及状态读取应用，比如抄表、照明及家电控制、防盗及火灾检测等。Z-Wave可将任何独立设备转换为智能网络设备，从而能够实现控制和无线监测。第111页 Z-wave网络节点分为三个等级。最高等级节点是控制节点（Controllers），它存放网络中

60、全部节点拓扑信息，计算信息传输路径，要求网络中全部节点路由地址，在网络中可充当中继器。 第二等级节点是路由节点（Routing Slaves），与控制节点不一样是路由节点只储存与它相关部分网络拓扑信息，定义部分节点路由地址，在网络中也能够充当中继器。 最低等级节点是从节点（Slaves），它不存放拓扑信息，也不计算信息传输路径，只是响应控制节点和路由节点传来命令，并将反馈信息沿原路传回。从节点固定在Z-wave网络某一位置，必须时刻侦听网络命令，在网络中充当中继器。Z-wave网络结构第112页控制节点寻找节点分配地址反馈信息通知地址1反馈信息22112节点2节点1节点3节点4第113页图3-