第3章传感与感知层组网技术

物联网工程技术

第3章传感与感知层组网技术武汉理工大学物联网工程系2011.9第3章传感与感知层组网技术3.1传感技术3.2无线传感网络3.3蓝牙无线技术3.4现场总线技术3.1传感技术传感技术同计算机技术与通信技术一起被称为信息技术的三大支柱。传感技术是关于从自然信源获取信息，并对之进行处理（变换）和识别的一门多学科交叉的现代科学与工程技术，涉及传感器、信息处理/识别的规划设计、开发、制／建造、测试、应用及评价改进等活动。3.1传感技术信息的获取或采集要依靠各类传感器，传感器的功能与品质决定了传感系统获取自然信息的信息量和信息质量，是构造高品质传感技术系统的关键技术之一。信息处理包括信号的预处理、后置处理、特征提取与选择等。识别的主要任务是利用被识别（或诊断）对象与特征信息间的关联关系模型对输入的特征信息集进行辨识、比较、分类和判断。3.1.1传感器的基本概念传感器是传感系统的第一个环节，属系统的前端装置。国家标准GB7665—1987规定：“传感器（Sensor）是能感受规定的测量并按一定规律转换成可用输出信号的器件或装置”。传感器是一种按一定的精度把被测量转换为与之有确定关系的、便于应用的某种物理量的测量器件或装置，用于满足系统的信息采集、传输、存储、显示、记录及控制等要求。3.1.1传感器的基本概念关于“传感器”这个词，目前国外还有许多提法，如变换器（Transducer）、转换器（Converter）、检测器（Detector）和变送器（Transmitter）等，而根据我国的规定，传感器定名为Sensor；当传感器的输出信号为标准信号（1V～5V、4mA～20mA）时，称为变送器（Transmitter），注意二者不要混淆。1传感器的组成传感器通常由敏感元件、转换元件及测量电路（又称转换电路）组成，有时还要加上辅助电源，具体如下图所示：被测量电量辅助电源转换电路敏感元件转换元件能直接感受被测量的变化，并输出与被测量有确定关系的某一物理量的元件能将敏感元件输出的物理量转换成适于传输或测量的电信号的部件将转换元件输出的电信号作进一步的转换和处理。一般有电桥电路、阻抗变换电路、振荡电路等。2传感器的发展趋势传感器技术是一项与现代技术密切相关的尖端技术，近年来发展很快，主要特点及发展趋势表现在以下几个方面：发现利用新现象、新效应开发新材料采用高新技术拓展应用领域提高传感器的性能传感器的微型化与低功耗传感器的集成化与多功能化传感器的智能与数字化传感器的网络化3.1.2传感器的分类按工件原理分类：电参数式传感器（电阻式、电感式和电容式传感器）压电式传感器光电式传感器（一般光电式、光纤式、激光式和红外式传感器等）热电式传感器半导体式传感器波式传感器辐射式传感器……3.1.2传感器的分类（续）按被测量分类：基本被测量派生被测量位移（线位移，角位移）长度，厚度，应变，振动，平面度，旋转角，偏移角，偏转角，角振动速度（线速度，角速度）振动，流量转速，角振动加速度（线加速度，角加速度）振动，冲击，质量角振动，转矩，转动惯量力（压力）质量，应力，力矩时间（频率）周期，计数光光通量与速度，光谱温度热容湿度水汽，含水量，露点浓度汽（液）体成分，黏度3.1.2传感器的分类（续）按结构分类：类别子类传感器名称结构型机械式微动开关，弹道振动子磁电式磁电式传感器电式电阻传感器，电容传感器，电感传感器物性型压电式压电压力传感器，压电力传感器，压电加速度传感器压磁式压磁式传感器，磁致伸缩传感磁电式磁电感应式传感器，霍尔式传感器热电式热电偶传感器、热敏电阻、热电阻，PN结型温度传感器光电式光敏电阻，光电管、光电倍增管、光电池，电荷耦合器件，光耦合器件仿生式视觉：光敏传感器、色敏传感器、红外传感器听觉：超声波传感器、微波传感器触觉：压力传感器、温度传感器嗅觉：湿度传感器、气体传感器味觉：酸度传感器、盐度传感器超导传感超导光传感器，超导微波传感器，超导磁场传感器射线传感X射线传感器，β射线传感器，Γ射线传感器，射线剂量传感器电化学传感质量传感器，光纤化学传感器，化学量传感器复合型传感器压力集成传感器，温度集成传感器，传感执行器，自感知执行器3.1.2传感器的分类（续）按能量转换关系分类：能量控制型传感器——需要外部电源供给能量转换型传感器——不需要外部电源此外，根据被测量的性质，可以将传感器分成物理型、化学型和生物型传感器三大类；根据传感器的使用材料，也可以将传感器分为半导体传感器、陶瓷传感器、金属材料传感器、复合材料传感器、高分子材料传感器等；根据应用领域的不同，还可分为工业用、农用、民用、医用及军用等不同类型；根据具体的使用目的，又可分为测量用、监视用、检查用、诊断用、控制用和分析用传感器等。3.1.3测控技术1.控制与检测的概念控制系统可分为两大类，开环控制系统和闭环控制系统。开环控制系统闭环控制系统检测是判断控制对象的状态；控制是根据检测状态作出控制动作。控制的核心部件是单片机（或计算机），由于处理系统是数字系统，因此必须经过A/D、D/A转换。检测的手段是利用检测各种状态的传感器；控制的执行装置一般是直流电机、步进电机、继电器等。驱动信号放大控制器执行机构控制信号放大控制信号驱动信号控制器执行机构执行结果检测装置2.传感器中的测控技术（1）温度传感器温度传感器主要用于测量温度，如工业炉温、环境温度及人体体温等。选择温度传感器应根据被测对象的温度、精度、灵敏度、响应速度、安装特点来选择。R：铂铑13、纯铂K：镍铬、镍硅E：镍铬、铜镍J：铁、铜镍类型测温范围℃类型测温范围℃石英晶体温度计-100~220双金属片温度计0~300热敏电阻-200~800水银温度计-30~350集成温度传感器-55~150酒精温度计-60~100铂热电阻-180~600热电偶R:200~1400K：0~100E：200~700J：0~600铜热电阻0~200使用较少镍镉热电阻-20~300使用较少光高温计800~2000按测量方法可分两类：直接测量：温度测量常用是热敏电阻或铂热电阻，原理是温度改变导致电阻的值改变。间接测量：常见的有非接触红外测温仪，如非典时期使用的体温测试仪。这种设备易于操作，只需在安全距离之外将温度枪对准发热或移动的物体。2.传感器中的测控技术（2）光电传感器光电传感器主要用来接收编码信息、计数或测速（生产线或移动物体）、自动控制（如路灯、闪光灯）等，检测的对象包括可见光和不可见光。光电传感器的产品主要有光敏二极管、光敏晶体管、光敏电阻（CdS）、集成光电传感器、太阳电池、图像传感器等。选择光电传感器的原则是：高速的光检测、宽范围照度、超高速的激光宜选用光敏二极管；几千赫兹的脉冲光、低速脉冲光宜选用光敏晶体管；响应速度慢、随光的强弱成比例改变（如路灯控制）的情况宜选用CdS或PbS光敏电阻；旋转编码器、速度传感器、超高速的激光宜选用集成光电传感器。右图是利用光敏晶体管对光的效应来实现对传输带上物体的计数检测。光敏光源2.传感器中的测控技术（3）压力传感器压力是很重要的物理量，它是指作用于单位面积上的力。压力传感器是检测气体、液体、固体、声音等所有物质间作用力能量的总称。按传感器结构特点压力传感器可以分为：应变式传感器电容式传感器压电式传感器压阻式传感器2.传感器中的测控技术（4）红外传感器红外传感器种类很多，一般分为量子型和热电型。热电型主要利用热电效应，灵敏度较低，响应速度较慢；量子型主要利用光生伏特和光电效应，特点是灵敏度较高，响应速度快，但灵敏度与波长有关。红外传感器主要用于测量物体有无、位置、方向、厚度、浓度、光通信与光隔离等。现在的遥控器大都使用红外LED（如GL350）和PIN光敏二极管（如S2386）组合，而人体移动报警装置多使用热电传感器来实现。GL350S2386IRA-E100SZ1（b）人体移动报警装置（a）遥控器装置2.传感器中的测控技术（5）磁敏传感器磁敏传感器根据不同的工作原理有不同类型：利用磁感应的电流互感器和转速传感器，利用电流磁效应的霍尔元件和磁敏二极管，利用磁作用的舌簧继电器和磁性流体，利用超导效应的量子扰动超导探测器，利用核磁共振的传感器，利用磁光效应的不可逆倒相器，利用磁热效应的热敏继电器和热铁氧体等。使用较多的是霍尔元件，霍尔元件是基于电流磁效应制成的一种磁敏传感器，其工作原理如右图所示。若在a、b间有流过半导体的电流IH，在垂直方向施加磁场B，则在c、e间感应与磁场B成比例的电动势UH。其中：KH为霍尔系数，d为元件厚度，θ为磁场与磁敏元件表面垂直方向的夹角，Ke为不平衡系数。KeIH可以忽略，令KS=KH/d，则

dLWUHIHabced磁通B2.传感器中的测控技术（6）超声波传感器超声波使用直线传播方式，频率越高，绕射能力越弱，反射能力越强。利用超声波的反射能力强的特点，可以制作超声波传感器。超声波传感器在空气中的传播速度为340m/s，可以用来测量距离，或者测量物体厚度。超声波传感器通常由发送器和接收器组成，但一个超声波传感器也可以同时兼具发送和接收声波的双重作用，即可逆元件。超声波传感器通常利用压电效应的原理，所谓压电逆效应就是在压电元件施加电压，元件就变形，压电效应有逆效应和顺效应。下图所示的是超声波传感器结构。双晶振子金属板电极端子圆锥形振子2.传感器中的测控技术（6）超声波传感器若在发送器的双晶振子上施加谐振频率为40kHz的高频电压，压电陶瓷片就会根据所加高频电压极性伸长与缩短，于是就发出40kHz频率的超声波。其工作原理如下图所示。3.2无线传感网络微电子、计算和无线通信等技术的进步，推动了低功耗多功能传感器的快速发展，使其在微小体积内能够集成信息采集、数据处理和无线通信等多种功能。无线传感器网络（WirelessSensorNetwork，WSN）就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。传感器、感知对象和观察者构成了传感器网络的三个要素。Internet构成了逻辑上的信息世界，改变了人与人之间的沟通方式；WSN就是将逻辑上的信息世界与客观上的物理世界融合在一起，改变人类与自然界的交互方式。美国商业周刊和MIT技术评论在预测未来技术发展的报告中，分别将WSN列为21世纪最有影响的21项技术和改变世界的10大技术之一。3.2.1无线传感网络概述1.无线传感器的先天缺陷WSN的首要设计目标是能源的高效使用，这也是WSN和传统无线网络最重要的区别之一。正是因为无线传感器节点资源有限的特征，所以无线传感器节点在实现各种网络协议和应用系统时，要充分考虑其资源有限的约束。电源能量有限：体积微小，携带能量十分有限通信能力有限：无线通信能耗与距离关系E=kdn

其中n∈[2,4]计算和存储能力有限传感器节点的操作系统设计了动态能量管理（DynamicPowerManagement，DPM）和动态电压调节（DynamicVoltageScaling，DVS）模块，可以更有效地利用节点的各种资源。3.2.1无线传感网络概述2.无线传感器网络的特点网络规模大网络具有自组织能力网络具有动态性网络具有高可靠性网络与应用相关网络以数据为中心3.2.1无线传感网络概述3.无线传感器网络的应用传感器网络的应用前景非常广阔：军事应用：如军事C4ISRT系统环境观测和预报系统：如基于传感器网络的ALERT系统医疗护理：如人工视网膜等智能家居建筑物状态监控（StructureHealthMonitoring，SHM）：如CITRIS其他方面的应用传感器网络还可以应用于空间探索，借助于航天器在外星体撒播一些传感器网络节点，可以对星球表面进行长时间的监测。这种方式成本很低，节点体积小，相互之间可以通信，也可以和地面站进行通信。3.2.2无线传感网络体系结构1.传感器网络结构WSN结构如下图所示，传感器网络系统通常包括传感器节点（sensornode）、汇聚节点（sinknode）和管理节点。大量传感器节点随机部署在监测区域内部或附近，能够通过自组织方式构成网络。传感器节点监测的数据沿着其他传感器节点逐跳地进行传输，在传输过程中监测数据可能被多个节点处理，经过多跳后路由到汇聚节点，最后通过互联网或卫星到达管理节点。3.2.2无线传感网络体系结构2.传感器节点的结构传感器节点是一个微型的嵌入式系统，下图是传感器节点的硬件体系结构示意图。传感器节点主要是由数据采集模块、数据处理和控制模块、通信模块和能量管理模块组成。数据采集模块与应用密切相关，主要包括采集物理信息的传感器和模拟/数字（A/D）转换部件。传感器可以根据物理环境的变化产生相应的电流变化，由感应器根据观察现象产生的模拟信号通过A/D转换成数字信号，然后输入到处理单元（MCU）。3.2.2无线传感网络体系结构3.无线传感器网络的协议栈WSN的通信协议栈包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层，如右图所示，与互联网协议栈的五层协议相对应。另外，协议栈还包括能量管理平台、移动管理平台和任务管理平台。这些管理平台使得传感器节点能够按照能源高效的方式协同工作，在节点移动的传感器网络中转发数据，并支持多任务和资源共享。3.2.3物理层协议国际标准化组织对开放系统互联参考模型中的物理层做了如下定义：物理层为建立、维护和释放数据链路实体之间的数据传输的物理链接提供机械的、电气的、功能的和规程的特性。在WSN中，物理层是数据传输的最底层，向下直接与传输介质相连，物理层协议是各种网络设备进行互联时必须遵循的底层协议，具体来讲，物理层具有如下功能：为终端设备传送数据提供物理通道，数据通路可以是一种物理介质，也可以是多种物理介质连接而成；物理层主要用来承载数据传输，提供数据传输服务，物理层应该能保证数据传输的正确性，还必须提供足够的带宽，减小信道拥塞；物理层必须有一定的管理能力，进行信道状态评估、能量检测、收发管理以及物理层属性管理。3.2.3物理层协议1.物理层介质WSN可以通过各种介质进行通信，常见的通信介质主要包括电磁波和声波。电磁波是最主要的无线通信介质，而声波一般仅用于水下无线通信。根据电磁波的波长，又可以分为无线电波、微波、红外线以及光波（光通信）等。3.2.3物理层协议2.ZigBee技术（1）ZigBee技术概述2000年12月，IEEE802.15.4工作组成立(IEEE802.15.4工作组是ZigBee联盟的核心成员和领导者)，2001年8月，ZigBee联盟成立，2002年推出了低成本、低功耗无线数据传输技术——ZigBee技术。ZigBee作为一种无线连接新规格，可工作在2.4GHz（全球除欧美）、868MHz（欧洲）和915MHz（美国）这3个频段上，并在这3个频段上分别具有250kbps、20kbps和40kbps的最高数据传输速率。它的传输距离在10～75m的范围内，但也可以更大，实际的传输距离依据发射功率的大小和应用模式而定。一台ZigBee设备可以连接多达254个其他ZigBee设备3.2.3物理层协议2.ZigBee技术（1）ZigBee技术概述ZigBee工作频率分配如下图所示：3.2.3物理层协议2.ZigBee技术（1）ZigBee技术概述ZigBee工作参数如下表所示：物理层工作频带MHz频道数频道参数数据传输参数码片率调频方式传输率kbps数据符号868MHz868～868.61300BPSK（BinaryPhaseShiftKeying二相相移键控）20二进制915MHz902～9281060040二进制2.4GHz2400～483.5162000O-QPSK（偏移四相相移键控）25016状态组3.2.3物理层协议2.ZigBee技术（1）ZigBee技术概述ZigBee是以一个个独立的工作节点为依托，通过无线通信组成星状、片状或网状网络，因此，每个节点的功能并非都相同。为降低成本，系统中大部分的节点为子节点。另外一些节点，负责与所控制的子节点通信、汇集数据和发布控制，或起到通信路由的作用，因此被称作全功能设备（也称为协调器）。ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据传输速率、低成本的双向无线通信技术，主要适用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。3.2.3物理层协议2.ZigBee技术（1）ZigBee技术概述相对于现有的各种无线通信技术，ZigBee技术是功耗和成本较低的技术，同时由于ZigBee技术的低数据传输速率和通信范围较小的特点，也决定了ZigBee技术适合于承载数据流量较小的业务。ZigBee技术的特性详如下表所示。3.2.3物理层协议2.ZigBee技术（2）

ZigBee协议栈ZigBee的协议结构如下图所示，由高层应用规范、应用汇聚层、网络层、数据链路层和物理层组成。IEEE802.15.4工作组主要负责制定物理层和MAC子层协议，其余协议主要参照和采用现有的传统无线技术的标准。3.2.3物理层协议2.ZigBee技术（2）

ZigBee协议栈①物理层IEEE802.15.4定义了2.4GHz和868/915MHz两个物理层，两者都是基于直接序列扩频方式，区别在于工作频率、调制技术、扩频码片长度和传输速率。ZigBee协议将这3个频段划分为26个信道，信道0占用868.6MHz频率；信道1～10占用（902～928）MHz频率段，每个信道间隔2MHz；信道11～26占用（2.4～2.4835）GHz频段，每个信道间隔5MHz。3.2.3物理层协议2.ZigBee技术（2）

ZigBee协议栈②数据链路层IEEE802系列标准将数据链路层分成LLC和MAC两个子层。其中，LLC子层在IEEE802.6中定义，为IEEE802标准系列共用，而MAC子层协议依赖于各自的物理层。IEEE802.15.4的MAC子层能支持多种LLC标准，通过特定业务汇聚子层（SSCS，Service-SpecificConvergenceSublayer）协议承载IEEE802.2类型的LLC标准，同时也允许其他LLC标准直接使用IEEE802.15.4的MAC子层的服务。LLC子层的主要功能包括：a传输可靠性保障和控制；b数据包的分段与重组；c数据包的顺序传输。MAC子层协议包括的功能有：a设备间无线链路的建立、维护和结束；b确认模式的帧传送与接收；c信道接入控制、帧校验、预留时隙管理、广播信息管理。3.2.3物理层协议2.ZigBee技术（2）

ZigBee协议栈②数据链路层MAC子层中有4种类型的帧：数据帧、标志帧、命令帧及确认帧。为了提高传输数据的可靠性，ZigBee采用了CSMA/CA的信道接入方式和完全握手协议。其帧结构如左下图所示，FC为帧控制字段，SN为序列号，AI地址信息；MAC子层数据传递过程如右下图所示。3.2.3物理层协议2.ZigBee技术（3）ZigBee协议的网络拓扑结构ZigBee协议中定义了两种设备节点：一种是全功能设备（Full-FunctionDevice，FFD）或称为主器件；另一种是简化功能设备（Reduced-FunctionDevice，RFD）或称为从器件。ZigBee协议主要采用了3种组网方式：星型网、对等网及混合网。如图(a)所示，星型网以网络协调器为中心，所有设备只能与中心网络协调器进行通信。对等网，也可以分为点对点和簇树两种结构，如图(b)(c)所示。星型网和对等网相结合则形成了混合网，各个子网内部以星形连接，其主器件间又以对等的方式连接在一起。3.2.4MAC层协议MAC层是WSN协议堆栈中的一个重要层次，用于实现网络的自组织和节能。节点被随机放置后，MAC层协议实现节点间链路的建立，保证所有的节点可以公平、有效地利用有限的带宽。另外，网络的节能也由MAC层实现。3.2.4MAC层协议1.MAC协议设计要素WSN与现有的AdHoc网络有很大的区别，如下表所示，导致已有网络中的许多技术并不能直接应用到WSN中。WSN无线AdHoe网络节点监测周围环境事件，检测区域的事件可以激活WSN无感知行为，网络通信由用户应用管理节点尺寸微小节点较大（如PDA、LAPTOPS等）节点电能有限有固定的电能供给节点成本低节点成本较高

节点部署一次成形，节点维护与失效处理困难节点维护相对方便，节点供电可以更换电池节点寿命与节点附带的电池有关节点电池可以更换节点密度高，冗余度大低密度、低冗余短距离通信（3～30m）长距离传输（10～500m）节点处理能力和存储能力有限节点处理能力、存储能力较强节点周期性处于工作、休眠状态节点大部分时间监听无线信道以数据为中心的通信方式；数据包目的根据采集的数据属性而定

用户间根据需求进行通信非连续通信，只在检测到数据时才进行通信大部分持续通信，如多媒体数据流低带宽（1～250Kbps）

高带宽（如IEEE802．1lx达到1～54Mbps）网络操作面向任务

网络运行面向应用3.2.4MAC层协议1.MAC协议设计要素在WSN的设计中主要根据7个标准进行MAC层协议设计：高性能、高可扩展性、高自适应性、简单、低能耗、对上层协议的良好支持和安全性。在设计MAC层协议时，影响其性能的主要因素也是7个：移动无线信道的传播特点、移动无线信道的时变特点、网络拓扑结构的影响、用户规模以及移动特点的影响、网络应用的特点、协议机制的影响、协议参数的影响。衡量无线MAC层协议的性能指标主要表现在对带宽的需求、功率消耗、终端竞争程度、信息传送延时以及网络连通性等几个方面，相比较IEEE802.11x协议，其衡量标准主要有系统有效吞吐量、系统平均延时、服务公平性。3.2.4MAC层协议2.MAC层协议概述目前常见的分类方法主要考虑两个方面的问题：采用分布式控制还是集中控制、使用单一共享信道还是多个信道。WSN根据采用固定分配信道方式还是随机访问信道方式的不同，MAC协议可以分为如下3类：采用无线信道的时分多址接入（TimeDivisionMultipleAccess，TDMA）方式，给每个节点分配固定的无线通信信道使用时段，从而避免节点间的相互干扰；采用无线信道的随机竞争方式，节点在需要发送数据时随机使用无线信道，重点考虑尽量减少节点间的干扰；其他MAC协议，如采用频分复用或码分复用等方式，实现节点间无冲突的无线信道的分配。3.2.4MAC层协议2.MAC层协议概述目前研究者已经提出了很多MAC层设计的建议方案，下面分两大类加以简要介绍。（1）固定分配类MAC层协议固定分配类MAC层协议主要有SMACS、EAR、TRAMA、TDM-FDM、DE-MAC等协议，工作方式包括频分多址接入（FequencyDivisionMultipleAccess，FDMA）、时分多址接入（TDMA）和码分多址接入（CodeDivisionMultipleAccess，CDMA）三种。（2）基于竞争的MAC层协议3.2.4MAC层协议2.MAC层协议概述（2）基于竞争的MAC层协议“竞争”的含义是连接到信道上的节点遵循某种规则竞争信道，得到使用权的节点可以进行通信。基于竞争的MAC层协议有Sensor-MAC（S-MAC）、Timeout-MAC（T-MAC）、WiseMAC和B-MAC等。3.2.4MAC层协议2.MAC层协议概述常见MAC层协议的比较如下表所示MAC协议类型优

点缺

点适用场景SMACS固定分配类无需全局范围内的时间同步，避免冲突，降低网络负载节点复杂性高，成本较高，不易实现适用于子网数目较少的网络EAR固定分配类避免冲突，实现移动节点和固定节点间的通信不易实现，适用范围有一定的局限性适用于移动节点较少，且移动节点周围静止节点较多的网络TRAMA固定分配类具有较高吞吐量及较好的节能效果时延较大适用于对延迟要求不高的应S-MAC基于竞争类避免了冲突造成的能量浪费不易实现适用于拓扑变化频繁的网络T-MAC基于竞争类减少了空闲侦听功耗不易实现适用于可变负载的场景WiseMAC基于竞争类对网络流量变化具有较好的适应性不易实现适用于节点密度较低的网络3.2.4MAC层协议2.MAC层协议概述WSN中基于竞争的方案的固有优点包括：无需同步、无需中央调度、对于网络的动态特性有更好的健壮性、无需聚类、更适应于事件驱动的WSN。在基于竞争的方案在通信期间时不可避免要出现以下问题，这些均要消耗节点能量：①冲突②串音③控制包过载④空闲监听3.2.4MAC层协议3.TRAMA协议基于TDMA的MAC层协议需要严格的时间同步，为了避免这一点，人们利用FDMA或CDMA与TDMA结合的方法，为节点分配互不干扰的传输信道，避免数据冲突，从而降低时间同步的要求。其基本思想是为每一对相邻节点建立一个特有的频率用于数据传输，并保证各对节点使用的频率相互间没有干扰，从而避免数据碰撞。TRAMA协议将时间划分为连续时隙，根据局部两跳内的邻居节点信息，采用分布式选举机制确定每个时隙的无冲突发送者。同时，通过避免把时隙分配给无流量的节点，并让非发送和接收节点处于睡眠状态达到节能的目的。TRAMA协议包括邻居节点协议（NeighborProtoco1，NP）、调度交换协议（ScheduleExchangeProtocol，SEP）和自适应时隙选择算法（AdaptiveElectionAlgorithm，AEA）。3.2.4MAC层协议3.TRAMA协议TRAMA协议的时隙结构如下图所示。3.2.4MAC层协议3.TRAMA协议(1)邻居节点协议(NP)邻居节点协议在随机接入周期内执行，节点通过NP以竞争的方式使用无线信道，协议要求节点周期性地通告自己的节点编号ID，自身是否有数据需要发送，以及能够直接通信的邻居节点列表，并实现节点之间的时间同步。该协议要求所有节点在随机接入周期内都一直处于活动(Active)状态，同时要求流量信息广播多次。在TRAMA协议中，每个节点有惟一的节点编号ID，节点根据ID独立计算两跳内所有节点在每个时隙上的优先权。由于节点间获取的邻居信息是一致的，每个节点独立计算的在每个时隙上各个节点的优先级也是一致的，因此，节点能够确定每个时隙上优先级最高的节点。节点优先级最高的时隙称为节点的赢时隙。3.2.4MAC层协议3.TRAMA协议(2)高度交换协议(SEP)调度交换协议用来建立和维护发送节点和接收节点的调度信息。调度信息的产生过程如下：节点根据上层应用产生分组的速率首先计算它的调度间隔Tinterval，Tinterval代表一次调度对应的时隙个数；然后，节点计算在[t，t+Tinterval]内具有最高优先级的时隙；最后，节点在赢时隙内发送数据，并要通过调度消息告诉相应的接收者。由于节点间保持一致的两跳邻居拓扑结构，可以将邻居节点按照节点ID的升或降序排列，并采用位图指定接收者。最后一个非0时隙称为变更时隙（ChangeoverSlot），节点通过调度分组广播其调度信息。节点采用捎带技术，在发送数据分组中携带节点的调度摘要，减少调度分组在广播过程中丢失造成的影响。3.2.4MAC层协议3.TRAMA协议(3)自适应时隙选择算法(AEA)节点正常工作时有发送、接收和休眠3种状态：在调度接入周期内的给定时隙，节点处于发送状态当且仅当它有数据需要发送时，且在竞争者中有最高的优先级；节点处于接收状态当且仅当它是当前发送节点指定的接收者；其他情况下，节点处于休眠状态，每个节点在调度周期的每个时隙运行AEA。该算法根据当前两跳内邻居节点的节点优先级和一跳邻居的调度信息，决定节点在当前时隙的所处状态：发送、接收或休眠。3.2.4MAC层协议3.TRAMA协议在TRAMA协议中，节点通过NP获得一致的两跳内的拓扑信息，通过SEP建立和维护发送者和接收者的调度信息，通过AEA决定节点在当前时隙的活动状态。TRAMA协议通过分布式协商保证节点无冲突地发送数据，无数据收发的节点处于休眠状态；同时，避免把时隙分配给没有信息发送的节点。3.2.4MAC层协议4.SensorMAC协议典型的基于竞争的随机访问MAC层协议是载波侦听多点接入（CSMA，CarrierSenseMultipleAccess）。无线局域网IEEE802.11MAC层协议的分布式协调功能（DCF）工作模式采用带冲突避免的载波侦听多点接入（CSMA/CA，CSMAwithcollisionavoidance）协议，它可以作为基于竞争的MAC层协议的代表。WSN中基于竞争的MAC层协议有S-MAC、T-MAC、MD和SIFT等协议。S-MAC协议应用了3种新技术来减少能耗并支持自组织：节点定期睡眠以减少空闲监听造成的能耗；邻近的节点组成虚拟簇，使睡眠调度时间自动同步；用消息传递的方法来减少时延。S-MAC仍采用类似IEEE802.11中的方式来避免冲突，包括虚拟和物理的载波侦听和RTS／CTS交换。3.2.4MAC层协议4.SensorMAC协议S-MAC协议设计目标是减少能量消耗，提供良好的扩展性。S-MAC协议主要采用这些机制：周期性侦听／睡眠的低占空比工作方式，控制节点尽可能处于睡眠状态来降低节点能量的消耗；邻居节点通过协商的一致性睡眠调度机制形成虚拟簇，减少节点的空闲侦听时间；通过流量自适应的侦听机制，减少消息在网络中的传输延迟；采用内带信令来减少重传和避免侦听不必要的数据；通过消息分割和突发传递机制来减少控制消息的开销和消息的传输延迟。S-MAC协议减少了空闲侦听所消耗的能源，但是不足之处在于：节点的工作循环周期在协议开始工作时就已确定下来，不能根据WSN的业务量变化来进行调整。3.2.4MAC层协议4.SensorMAC协议(1)数据包的嵌套结构S-MAC协议数据包的嵌套结构如下图所示。在S-MAC协议中，上一层数据包包含了下一层数据包的内容。数据包传送到哪一层，那一层只需要处理属于它的部分。3.2.4MAC层协议4.SensorMAC协议(2)栈结构和功能在S-MAC协议栈内，当MAC层接收到上层传送来的数据包后就开始载波侦听。如果信道空闲，就会把数据传递给物理层；如果信道忙，它将会进入睡眠状态，直到下个可用时间的到来，再重新发送。当MAC层收到物理层传过来的数据包后，先通过循环冗余校验(CRC)，没有错误，MAC层就会将数据包传向上层。具体协议栈模型如右图所示。3.2.4MAC层协议4.SensorMAC协议(3)选择和维护调度表在开始周期性地侦听和睡眠之前，每个节点都需要选择睡眠调度机制并与邻居节点一致。如何选择和保持调度机制分为以下3种情况：节点在侦听时间内，如果它没有侦听到其他节点的睡眠调度机制，则立即选择一个睡眠调度机制。当节点在选择和宣布自己的调度机制之前，收到了邻居节点广播的睡眠调度机制，它将采用邻居节点的睡眠调度机制。当节点在选择和广播自己的睡眠调度机制之后，收到几种不同的睡眠调度机制时，就要分以下两种情况考虑：当节点没有邻居节点的时候，它会舍弃自己当前的睡眠调度机制，采用刚接收到的睡眠调度机制；当节点有一个或更多邻居节点的时候，它将同时采用不同的调度机制。3.2.4MAC层协议4.SensorMAC协议(4)时间同步在S-MAC协议中，节点与邻居节点需要保持时间同步来同时侦听和睡眠。S-MAC协议采用的是相对而不是绝对的时间戳，同时使侦听时间远大于时钟误差和漂移，来减少同步误差，并且节点会根据收到的邻居节点的数据包来更新自己的时间，从而与邻居节点保持时间同步。3.2.4MAC层协议4.SensorMAC协议(5)CSMA/CACSMA/CA的基本思想是在接收者和发送者之间建立一个握手机制来传输数据。握手机制是：由发送端发送一个请求发送（RTS）包给它的接收者，接收者在收到以后就回复一个准备接收（CTS）包，发送端在收到CTS包后，开始发送数据包，RTS与CTS之间的握手是为了使发送端和接收端的邻居节点知道它们正在进行数据传输，从而减少传输碰撞。3.2.4MAC层协议4.SensorMAC协议(6)网络分配矢量在S-MAC协议中，每个节点都保持了一个网络分配矢量（NAV）来表示邻居节点的活动时间，S-MAC协议中在每个数据包中都包含了一个持续时间指示值，持续时间指示值表示目前这个通信需要持续的时间。邻居节点收到发送者或接收者发往其他节点的数据包的时候，就可以知道它需要睡眠多久，即用数据包中的持续时间更新NAV的值。当NAV的值不为零的时候，节点应该进入睡眠状态来避免串音；当NAV变为零的时候，它就马上醒来，准备进行通信。3.2.5拓扑控制技术1.拓扑控制技术概述(1)拓扑控制的重要性一种重要的节能技术，可延长整个网络的生命周期；可以实现对传感器节点通信功率的控制，保证网络的连通性，减少节点间的通信干扰，提高整个网络的通信效率；能够降低通信干扰、提高MAC层协议和路由协议的效率，为数据融合提供拓扑基础；对路由协议中转发节点的选择和数据融合中对融合节点的选择起着重要的作用，拓扑控制还能够提高网络的可靠性、可扩展性等其他性能。拓扑控制对网络性能具有重大的影响，因而对它的研究具有十分重要的意义。3.2.5拓扑控制技术1.拓扑控制技术概述(2)拓扑控制的类型一般来讲，WSN中的拓扑控制主要有3类：节点功率控制、层次型拓扑结构控制和节点睡眠调度。WSN拓扑可以根据节点的可移动与否（动态或静态）和部署的可控与否分为如下4类：静态节点、不可控部署动态节点、不可控部署静态节点、可控部署动态节点、可控部署3.2.5拓扑控制技术1.拓扑控制技术概述(3)拓扑控制的设计目标在保证一定的网络连通和覆盖质量的前提下，一般以延长网络的生命期为主要目标，兼顾通信干扰、网络延迟、负载均衡、简单性、可靠性、可扩展性等其他性能，形成一个优化的网络拓扑结构。WSN是与应用相关的，不同的应用对底层网络的拓扑控制设计目标的要求也不尽相同。3.2.5拓扑控制技术2.功率控制RA(RangeAssignment)问题设N={u1,u2,…un}是d(d=1,2,3)维空间中代表网络节点位置的点的集合，r(ui)代表节点ui的发射半径。RA问题就是要在保证网络连通的前提下，使网络的发射功率（各节点的发射功率的总和）最小，也就是要最小化r(ui)的a次方和的值，其中，a是大于2的常数。在一维情况下，RA问题可以在多项式时间0(n4)内解决；然而在二维和三维情况下，RA问题是比较难的。实际的功率控制问题比RA问题更为复杂，因此一般采用寻找近似解来求解该问题。针对这一问题当前已提出了一些解决方案，其基本思想都是通过降低发射功率来延长网络的生命期，常见的方案包括与路由协议结合的功率控制、基于节点度的功率控制、基于方向的功率控制、基于邻近图的功率控制等。3.2.5拓扑控制技术2.功率控制伊利诺斯大学的Narayanaswamy等人提出并实现了一种简单的将功率控制与路由协议相结合的解决方案：COMPOW。其基本思想是：所有的传感器节点使用一致的发射功率，在保证网络连通的前提下，将功率最小化。COMPOW建立各个功率层上的路由表，在功率Pi层上，通过使用功率Pi交换HELLO消息建立路由表RTpi，所有可达节点都是路由表中的表项。COMPOW选择最小的发射功率Pcom，使得RTPcom与RTPmax具有相同数量的表项（Pmax是最大发射功率），因此整个网络都使用公共的发射功率Pcom。在节点均匀分布的情况下，COMPOW具有较好的性能，但是如果在WSN中存在一个相对孤立的节点将会导致所有的节点使用很大的发射功率，因此在节点分布不均的情况下，COMPOW的缺陷是较突出的。3.2.5拓扑控制技术2.功率控制Kawadia和Kumar提出的CLUSTERPOW算法是对COMPOW的改进。该算法的基本思想是：当转发一个包到目的节点d时，CLUSTERPOW选择出现d的最底层次的路由表，设为RTPmin，然后，以功率Pmin而不是Pcom将其发送到下一跳节点。在CLUSTERPOW算法中，分簇是隐含的，且无需要任何簇首节点，分簇通过给定功率层的可达性来实现，分簇的层次由功率的层次数来决定，分簇是动态的、分布式的。CLUSTERPOW的主要缺陷是开销太大。3.2.5拓扑控制技术3.层次型拓扑结构控制分层机制通常将WSN中的节点分为两种，一种为簇首，其余为普通节点，簇首对其周围的普通节点进行管理。层次型拓扑结构具有很多优点，可以减小通信负载、均衡能耗，可以显著地延长整个网络的寿命，非常适用于大规模部署的WSN。层次型拓扑结构控制的基本思想是：由簇首节点组成骨干网络，则其他节点就可以（事实上未必）进入睡眠状态。层次型拓扑结构控制的关键技术是分簇。层次型拓扑结构控制比较常见的算法包括：LEACH（LowEnergyAdaptiveC1usteringHierarchy，低功率自适应分簇拓扑）算法、EECS算法、LDS算法、GAF（GeographicAdaptiveFidelity，地理自适应保真）算法、GBR算法、基于图论的最小支配集问题的拓扑发现（TopDisc，TopologyDiscovery）算法、HEED（HybridEnergyEfficientDistributedClustering，混合功效分簇）等。3.2.5拓扑控制技术3.层次型拓扑结构控制以LEACH算法为例，其基本思想是以循环的方式随机选择簇首节点。LEACH算法在运行过程中不断地循环执行簇的重构过程，每个簇重构过程可以用“轮（round）”的概念来描述。每轮可以分成两个阶段：簇的建立阶段和传输数据的稳定阶段。为了节省资源开销，通常稳定阶段的持续时间要大于建立阶段的持续时间。簇的建立阶段又可以分成4个步骤：簇首节点的选择、簇首节点的广播、簇的建立和调度机制的生成。簇首节点的选择依据网络中所需要的簇首节点总数和迄今为止每个节点已成为簇首的次数来决定。具体的选择办法是：每个传感器节点选择0～1之间的一个值，如果选定的值小于某个阈值T(n)（计算公式如下式），那么这个节点成为簇首节点。式中p是网络中簇首数与总节点数的百分比；r是当前的选举轮数；G是最近1／p轮不是簇首的节点集。3.2.5拓扑控制技术3.层次型拓扑结构控制选定簇首节点后，通过广播告之整个网络。网络中的其他节点根据接收信号的强度决定其从属的簇，并通知相应的簇首节点，完成簇的建立。最后，簇首节点采用TDMA方法为簇中每个节点分配向其传送数据的时间片。在稳定阶段，传感器节点将采集的数据传送到簇首节点，簇首节点对簇中所有节点所采集的数据进行信息融合后再传送给基站，这是一种减少通信业务量的合理工作模式。稳定阶段持续一段时间后，网络重新进入簇的建立阶段，进行下一轮的簇重构，不断循环。每个簇采用不同的CDMA代码进行通信以减少对其他簇内节点的干扰。3.2.5拓扑控制技术4.睡眠调度WSN通常是面向应用的事件驱动的网络，骨干网节点在没有检测到事件时不用一直保持在活动状态，所以有学者提出了网内节点协同启发机制，用来保证节点在有事件发生时能够及时自动醒来并唤醒邻居节点，形成数据转发的拓扑结构，无线通信模块的长时间关闭进一步地节省了节点的能量开销。使节点进入睡眠状态，能大幅度地降低网络的能量消耗，这对于节点密集型和事件驱动型的网络十分有效。如果网络中的节点都具有相同的功能，扮演相同的角色，就称网络是非层次的或平面的，否则就称为是层次型的，层次型网络通常又称为基于簇的网络。非层次型睡眠调度的基本思想是：每个节点根据自己所能获得的信息，独立地控制自己在工作状态和睡眠状态之间的转换。它与层次型睡眠调度的主要区别在于：每个节点都不隶属于某个簇，因而不受簇首节点的控制和影响。3.2.5拓扑控制技术4.睡眠调度俄亥俄州立大学的Kumar等人提出了一种简单的睡眠调度算法RIS。宾西法尼亚州立大学的Berman等人提出了MSNL，将睡眠调度问题表示成带有覆盖约束的最大化网络生命期问题。维克多利亚大学的Wu等人提出了一种不需要位置信息的LDAS算法。加州大学洛杉矶分校的cerpa和Estrin提出了一种基于保证数据通路畅通的ASCENT算法。加州大学洛杉矶分校的Ye等人提出了一种适用于恶劣环境中高密度WSN的PEAS算法。加州大学戴维斯分校的Gui等人提出的PECAS是对PEAS的扩展。此外，影响较大的还有华盛顿大学的Xing等人提出的CCP和麻省理工学院的Chen等人提出的SPAN等。3.2.6路由协议1.路由协议概述在WSN中，由于网络内节点资源有限，应用背景特殊，数据包的传输需要通过多跳通信方式到达目的节点，因此路由协议的设计是WSN中的一项基本支撑技术。传统无线网络的路由设计以避免网络冲突、保证网络的连通性以及提供高质量的网络服务为主要目的。在路由协议的实现过程中，首先利用网络层定义的逻辑地址来区别不同的节点以便实现数据交换，然后通过路由选择算法决定到达目的节点的最佳路径。与传统网络不同，虽然WSN与AdHoc网络极为相似，但是在网络特点、通信模型和数据传输要求等方面却还是有较大差异。3.2.6路由协议1.路由协议概述(1)AdHoc网络路由协议的不足虽然当前AdHoc网络路由协议研究相对比较成熟了，但是传统的AdHoc网络路由协议不能适用于WSN。具体表现在如下几个方面：WSN是以数据为中心进行路由的网络，而不同于AdHoe网络的点对点通信模式。WSN随应用需求而变化，很难设计通用性强的路由协议。WSN邻近节点间采集的数据具有相似性，存在冗余信息。传统网络每一个节点都具有惟一的标识号。而WSN是基于属性进行寻址的(Attribute-BasedAddressing)，不需给每一个节点分配惟一地址。由于WSN节点能量有限，所以路由设计一般将高能效放在第一位，WSN必须设计新的讲究高能效的路由协议。资源受限，能量有限，而且由于受节点规格大小的限制，节点的处理能力、存储能力、通信能力均有限。拓扑结构动态变化。3.2.6路由协议1.路由协议概述(2)WSN网络层路由协议的要求WSN的特点要求路由协议的设计必须要以节能为首要目的，并采用折中机制，使用户在延长网络寿命的同时获得较优的网络吞吐率、降低网络通信延迟，一个好的WSN网络层路由协议应该满足如下几个条件：高效利用有限的节点能量，在满足WSN的前提下，最大限度地延长网络寿命，使网络能耗均匀分布在每个节点上。满足WSN拓扑结构的动态变化，提高网络的鲁棒性，路由协议尽量分布式运行。尽可能减少节点间通信负载的冗余，节约有限的能量和通信资源；路由协议设计时以数据为中心，采用数据融合等技术降低通信负载。满足WSN的可扩展性，能保证传感器节点的随时加入和退出不会影响到全局任务的执行，路由协议的设计必须具备鲁棒性和可扩展性。安全性，在路由协议的设计中需要考虑网络的安全、数据的安全，提高网络通信的可靠性同时降低遭受攻击的可能性。3.2.6路由协议1.路由协议概述(3)WSN路由协议的分类从具体应用出发，根据不同应用对WSN的各种特性的敏感度不同，大致可将路由协议分为4种：能量感知路由协议，基于路由查询的路由协议，地理位置路由协议，可靠的路由协议。根据路由发现策略的角度，可分为主动路由和被动路由两种类型。主动路由也叫表驱动(TableDriven)路由，被动路由也叫按需(OnDemand)路由。根据网络管理的逻辑结构可将路由协议分为包括泛洪、SPIN、SAR和定向扩散在内的几种平面路由协议和包括LEACH、TEEN、PEGAGIS和多层类聚算法在内的分层路由协议两类。3.2.6路由协议2.PEGASIS协议(1)PEGASIS的基本原理PEGASIS（Power-EfficientGAtheringinSensorInformationSystems）由LEACH发展而来，其主要思想是：在进行数据传输之前，各节点首先发送测试信号，通过检测应答来确定离自己最近的相邻节点并作为自己的下一节点，依次遍历网络中的所有节点最终形成一条链，通过这种方式，网络中的所有节点都只与最相邻的节点相连，所以每个节点都以最小功率发送数据分组；同时，各节点接收上个节点的数据，并完成必要的数据融合，减小了业务流量；另外，由各节点轮流充当簇首向基站传送数据，均衡了能量耗费。PEGASIS协议的缺点包括单簇方法使得簇首成为关键点，其失效会导致路由失败；要求节点都具有与sink节点通信的能力；如果链过长，数据传输时延将会增大，不适合实时应用；成链算法要求节点知道其他节点位置，节点维护位置信息（相当于传统网络中的拓扑信息）需要额外的资源，开销非常大。3.2.6路由协议2.PEGASIS协议(2)PEGASIS的流程PEGASIS（Power-EfficientGAtheringinSensorInformationSystems）由LEACH发展而来，其主要思想是：在进行数据传输之前，各节点首先发送测试信号，通过检测应答来确定离自己最近的相邻节点并作为自己的下一节点，依次遍历网络中的所有节点最终形成一条链，通过这种方式，网络中的所有节点都只与最相邻的节点相连，所以每个节点都以最小功率发送数据分组；同时，各节点接收上个节点的数据，并完成必要的数据融合，减小了业务流量；另外，由各节点轮流充当簇首向基站传送数据，均衡了能量耗费。PEGASIS协议的缺点包括单簇方法使得簇首成为关键点，其失效会导致路由失败；要求节点都具有与sink节点通信的能力；如果链过长，数据传输时延将会增大，不适合实时应用；成链算法要求节点知道其他节点位置，节点维护位置信息（相当于传统网络中的拓扑信息）需要额外的资源，开销非常大。3.2.6路由协议2.PEGASIS协议(3)PEGASIS的流程①成链阶段采用贪心算法，从离基站最远的节点开始，各节点依次（已经在链上的节点不再继续参与后续的成链过程）找到与其最近的节点，该节点就作为链上的下一节点，依此最终遍历全网形成链，数据传输只在链上相邻的两个节点之间进行，大大减小了传输距离。如下图所示。3.2.6路由协议2.PEGASIS协议(3)PEGASIS的流程②数据传输阶段数据传输从链的两端开始，各节点都知道自己在链上的位置。每一轮中，都选出一个节点充当簇首（下图所示的节点n3）。各节点接收邻节点的数据并与自身的数据进行融合后传向下一个邻节点，最终由簇首传向基站（BaseStation）。节点间的数据传输可采用时隙方式和令牌控制两种方式。时隙方式：各传感器节点间须严格同步，如右。控制令牌(Token)方式：由簇首控制Token，每轮开始时，由簇首将Token传到端节点，由端节点开始，各节点沿链传输数据和Token，得到Token的节点才能将数据传到下一邻节点，当数据收集完毕，Token回到簇首时，由簇首最后将数据传向基站，到此完成此轮的数据收集。3.2.6路由协议2.PEGASIS协议(3)PEGASIS的流程③能量模型在PEGASIS协议中，作如下假定：能量耗费主要在数据接收、数据融合和数据传输三个方面；成链阶段的能量耗费相对数据传送阶段是很小的，忽略不计。在实际中，因接收机不接收数据时，可关闭接收机以节省能量，所以接收机接收不是自己的数据的能量耗费可不计。在此，采用目前比较常用的一阶无线能量模型以及如下参数，则融合n个k位的数据信息再传输到d远处，所耗费的能量为：接收数据耗费能量为ERx(k)=ERx-elec(k)=Eeleck融合数据耗费能量为Eda-fu(k,n)=Efunk发送数据耗费能量为ETx(k,d)=ETx-elec(k)+ETx-amp(k,d)=Eeleck+εampkd23.2.6路由协议2.PEGASIS协议(3)PEGASIS的流程③能量模型由上面的模型和参数值可以看出，发送数据的增益耗费是总耗能的主要部分，但接收数据的能量也是不可忽略的，所以为减少耗能，可以从以下三个方面来考虑：减少收发数据的次数和数据量；减少传输的距离d；减少需传输信息的节点总数，尤其是向基站传输的节点数。而PEGASIS协议正是从这三个方面出发从而有效地节省了能量。3.3蓝牙无线技术“蓝牙（Bluetooth）”技术始于爱立信公司的1994方案，起初是旨在研究一种在移动电话和其他配件间进行低功耗、低成本无线通信的连接方法。其发明者希望为设备间的通信创立统一的规则（标准化协议），以解决用户间互不兼容的移动电子设备的通信问题。蓝牙技术是一种支持设备短距离通信的无线电技术，能在包括移动电话、PDA、无线耳机、笔记本计算机、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，也能成功地简化设备与因特网Internet之间的通信，使数据传输变得更加简便迅速高效，为无线通信提供了又一选择。在宽带网已经触及寻常百姓家的今天，蓝牙还享有宽带网末梢神经的美誉。3.3蓝牙无线技术蓝牙技术本身不独立构成完整的通信设备，也不涉及移动通信业务，它只是配合其他系统，使它们具有无线传输的能力，并可克服红外通信要在直射路径才能建立通信的缺陷。蓝牙的小功率设备支持距离大约10m的无线通信，大功率设备也只支持距离大约100m的无线通信。蓝牙规定了4种物理接口：通用串行总线（USB）、EIA-232、PC卡及通用异步收发器UART接口。蓝牙允许在各种环境通信，包括机电工业区的应用，其发送与接收数据的模块具有纠错功能和自动重传请求功能。蓝牙使用跳频（FrequencyHopping）、时分复用（TimeDivisionMulti-Access）和码分复用（CodeDivisionMulti-Access）等先进技术来建立多种通信。蓝牙工作在2.4GHzISM（IndustrialScientificMedical）的频段上。蓝牙作为一种射频无线技术，采用分散式网络结构短包技术，支持点对点和点对多点通信，即一个蓝牙设备可以跟一个也可以跟多个蓝牙设备通信，组成蓝牙微微网（piconet，或匹克网），也称为微网，采用时分双工传输方案来实现全双工传输。3.3.1蓝牙标准化协议进程蓝牙协议版本发布进程如下表所示。V1.1协议基本已经停用，目前市场上有不少产品采用了V2.0协议。V1.2最大数据速率已达1.3Mbps，已经足够支持串口数据传输；V2.0提速到了3Mbps，提高了大文件传输效率，但文件传输应用中，802.11才是今后发展的主流。版本规范发布日期增强功能0.71998年10月19日Baseband、LMP0.81999年1月21日HCI、L2CAP、RFCOMM0.91999年4月30日OBEX与IrDA的互通性1.0Draft1999年7月5日SDP、TCS1999年7月26日/1.0B2000年10月1日WAP应用上更具互通性1.12001年2月22日IEEE802.15.11.22003年11月5日列入IEEE802.2.02004年11月9日EDR传输率提升至2-3Mbps2.12007年7月26日简易安全配对、暂停与继续加密、Sniff省电3.02009年4月21日全新的交替射频技术，支持802.11，24Mbps3.3.1蓝牙标准化协议进程1.蓝牙V1.1由于没有考虑到设备互操作性的问题，蓝牙V1.0规范在标准方面有所欠缺。蓝牙V1.1规范解决了这一问题，蓝牙V1.1技术规范要求会话中的每一台设备都需要确认其在主设备/从设备关系中所扮演的角色。蓝牙V1.1标准取消了23子频段的副标准，所有的蓝牙V1.1设备都使用79个子频段在2.4GHz的频谱范围之内进行相互的通信。蓝牙V1.1规范也修正了互不兼容的数据格式会引发蓝牙V1.0设备之间的互操作性问题的这个问题，允许从设备主动与主设备进行通信并告知主设备有关包尺寸方面的信息。3.3.1蓝牙标准化协议进程2.蓝牙V1.2在蓝牙SIG（SpecialInterestGroup）宣布的最新的蓝牙V1.2设备标准中，新发布的1.2标准就提供了更好的同频抗干扰能力，并且加强了语言识别能力，并向下兼容1.1的设备。1.2版最大的改进在于增加了AFH自适应跳频技术(AdaptiveFrequencyHopping)这项技术，并主要针对现有蓝牙协议和802.11b/g之间的互相干扰问题进行了全面的改进，防止用户在同时使用支持蓝牙和无线局域网(WLAN)的两种装置的时候出现互相干扰的情况。增强了语音处理，改善了语音连接的品质(可以提高蓝牙耳机的音质)；并能更快速的连接设置。3.3.1蓝牙标准化协议进程3.蓝牙V2.0与蓝牙V3.0新版蓝牙规范提高了带宽，使得新版本的蓝牙设备可以传输更大的文件，同时2.0+EDR（EnhancedDataRate）版本兼容所有旧版规范。蓝牙核心规范2.0+EDR主要内容如下：3倍数据传输速率(最大可以达到10倍)更多的带宽简化了多连接模式向后兼容早期蓝牙设备降低了比特误差率BER(BitErrorRate)此外，蓝牙技术联盟(BluetoothSIG)颁布新一代标准规范“BluetoothCoreSpecificationVersion3.0+HighSpeed”(蓝牙核心规范3.0版+高速)正式版本，可简称为“蓝牙3.0+HS”，或者“蓝牙3.0”。蓝牙3.0的核心是加入了“GenericAlternateMAC/PHY”(AMP)。这是一种全新的交替射频技术，允许蓝牙协议栈针对任何具体的任务动态地选择正确的射频。使蓝牙设备能最大限度的利用多种高速无线技术中更高的传输速率。3.3.1蓝牙标准化协议进程3.3.2蓝牙系统组成蓝牙系统一般由天线单元、链路控制（固件）单元和软件（协议栈）单元三个功能单元组成。1．天线单元蓝牙要求其天线部分体积十分小巧、重量轻，因此，蓝牙天线属于微带天线。蓝牙空中接口建立在天线电平为0dB的基础之上，遵循FCC有关电平为0dB的ISM频段的标准。2．链路控制（硬件）单元在目前蓝牙产品中使用了3个IC（集成电路）分别作为连接控制器、基带处理器以及射频传输／接收器，此外还使用了30～50个单独调谐元件。本单元除了与天线相连，完成信号的调制、解调外，相应的芯片中的还应固化基带协议和其他一些低层常规协议。很明显固化的协议属于软件单元的内容。3.3.2蓝牙系统组成3．软件（协议栈）单元蓝牙的软件（协议栈）单元独立于操作系统，不与任何操作系统捆绑，同时必须符合已经制定好的蓝牙规范。蓝牙规范是为个人区域内的无线通信而制定的协议，包括两部分：第一部分为核心（Core）部分，用以规定诸如射频、基带、连接管理、服务搜寻（servicediscovery）、传输层以及与不同通信协议间的互联、互操作性等组件；第二部分为协议子集（Profile）部分，用以规定不同蓝牙应用（也称使用模式）所需的协议和过程。3.3.3蓝牙协议体系结构整个蓝牙协议栈包括蓝牙指定协议（LMP:LinkManagementProtocol;L2CAP:LogicalLinkControlandAdaptationProtocol）和非蓝牙指定协议（如对象交换协议OBEX和用户数据报协议UDP）。设计协议和协议栈的主要原则是尽可能利用现有的各种高层协议，保证现有协议与蓝牙技术的融合以及各种应用之间的互通性，充分利用兼容蓝牙技术规范的软硬件系统。蓝牙技术规范的开放性保证了设备制造商可自由地选用其他专利协议或常用的公共协议，以便在蓝牙技术规范的基础上开发新的应用。3.3.3蓝牙协议体系结构蓝牙体系结构中的协议可分为四层：核心协议：基带、LMP、L2CAP、SDP；电缆替代协议：RFCOMM；电话传送控制协议：TCS二进制、AT命令集；可选协议：PPP、UDP/TCP/IP、OBEX（ObjectExchange）、WAP（WirelessApplicationProtocol，无线应用协议）、vCard、vCal、IrMC（IrMobileCommunications）、WAE。除上述协议外，规范还定义了主机控制器接口（HCI）和音频（Audio）接口，HCI是到基带控制器、链路管理器以及访问硬件状态和控制寄存器的命令接口，利用音频接口，可以在一个或多个蓝牙设备之间传递音频数据，该接口与基带直接相连。在图3-23中HCI位于L2CAP的下层，但HCI也可位于L2CAP上层。3.3.3蓝牙协议体系结构蓝牙协议规范的目的是允许遵循规范的应用能够进行互操作，为了实现互操作，在远程设备上的对应应用程序必须以同一协议栈运行。如下图所示就是一个支持“业务卡片交换应用”的协议栈（自顶向下）实例。3.3.3蓝牙协议体系结构1.蓝牙核心协议（1）基带协议基带数据分组提供两种物理连接方式：面向连接（SynchronousConnectionOriented，SCO）和无连接（AsynchronousConnectionless，ACL），而且在同一射频上可实现多路数据传送。ACL适用于数据分组，SCO适用于语音及数据/话音的组合。蓝牙基带部分在物理层为用户提供保护和信息保密机制。所有语音与数据分组都附有不同级别的前向纠错（FEC）或循环冗余校验（CRC）。对传输错误的处理有3种解决方案：1/3比例前向纠错（ForwardErrorCorrection，FEC）码、2/3比例前向纠错码和数据的自动请求重发（ARQ）方案。此外，不同数据类型（包括连接管理信息和控制信息）都分配一个特殊通道。可使用各种用户模型在蓝牙设备间传送话音，面向连接的话音分组只需经过基带传输，而不到达L2CAP。话音模式在蓝牙系统内相对简单，只需开通话音连接，就可传送话音。3.3.3蓝牙协议体系结构1.蓝牙核心协议（2）链路管理协议链路管理协议（LMP）负责蓝牙各设备间连接的建立和设置。LMP通过连接的发起、交换、核实来进行身份验证和加密，通过协商确定基带数据分组大小；它还控制无线设备的节能模式和工作周期，以及微网内设备的连接状态。无线设备的节能模式有：呼吸（Sniff）、保持（Hold）和休眠（Park）三种模式。其具体的工作方式为：设备设为呼吸模式，主设备只能有规律地在特定的时隙发送数据，从设备降低了从微网“收听”