1、2022/7/27物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)與實(shí)踐 2022/7/27第5章 網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù) 5.1 網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)概述 網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層的核心技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)是物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)通信的基石，它是在現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上建立起來(lái)的。 物聯(lián)網(wǎng)中連接終端感知網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)器的橋梁便是各類承載網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)的承載網(wǎng)絡(luò)包括互聯(lián)網(wǎng)、無(wú)線廣域網(wǎng)、無(wú)線城域網(wǎng)、無(wú)線局域網(wǎng)、無(wú)線個(gè)域網(wǎng)等。 2022/7/27互聯(lián)網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)的核心網(wǎng)絡(luò)無(wú)線個(gè)域網(wǎng)藍(lán)牙、ZigBee無(wú)線城域網(wǎng)WiMax無(wú)線局域網(wǎng)WiFi無(wú)線廣域網(wǎng)3G/4G網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建圖2022/7/27 物聯(lián)網(wǎng)在傳輸網(wǎng)絡(luò)層存在各種網(wǎng)絡(luò)形式，通常使用的網(wǎng)絡(luò)形式有如下幾種，它們主要承

2、擔(dān)著數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ堋?）互聯(lián)網(wǎng) 互聯(lián)網(wǎng)/電信網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)的核心網(wǎng)絡(luò)、平臺(tái)和技術(shù)支持?；ヂ?lián)網(wǎng)是一個(gè)很龐大的系統(tǒng)，它包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。其核心技術(shù)就是數(shù)據(jù)交換。網(wǎng)絡(luò)接入方式分為有線接入和無(wú)線接入，數(shù)據(jù)交換分為電路交換、報(bào)文交換和分組交換。 2022/7/27 互聯(lián)網(wǎng)的TCP/IP協(xié)議是網(wǎng)絡(luò)層中的核心內(nèi)容。為了讓Internet適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)量和多終端的要求，業(yè)界正在發(fā)展一系列新技術(shù)。 互聯(lián)網(wǎng)中用IP地址對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)識(shí)，而目前的IPv4受制于資源空間耗竭，已經(jīng)無(wú)法提供更多的IP地址，所以IPv6以其近乎無(wú)限的地址空間將在物聯(lián)網(wǎng)中發(fā)揮重大作用。IPv6的使用掃清了可接入網(wǎng)絡(luò)

3、的終端設(shè)備在數(shù)量上的限制。2022/7/272）無(wú)線寬帶網(wǎng) WiFi/WiMax等無(wú)線寬帶技術(shù)的覆蓋范圍較廣，傳輸速度較快，為物聯(lián)網(wǎng)提供高速可靠廉價(jià)且不受接入設(shè)備位置限制的互聯(lián)手段。3）無(wú)線低速網(wǎng) ZigBee、藍(lán)牙和紅外等低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議能夠適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)中處理能力較低的節(jié)點(diǎn)的低速率、低通信半徑、低計(jì)算能力和低能量來(lái)源等特征的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。 2022/7/274）移動(dòng)通信網(wǎng) 移動(dòng)通信就是移動(dòng)體之間的通信，或移動(dòng)物體與固定物體之間的通信。移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)最大的特征就是可移動(dòng)。它采用蜂窩網(wǎng)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)通信區(qū)域的全覆蓋，而且可以實(shí)現(xiàn)基站無(wú)縫切換。2022/7/27 移動(dòng)通信網(wǎng)由無(wú)線接入網(wǎng)、核心網(wǎng)和骨干網(wǎng)三

4、部分組成。無(wú)線接入網(wǎng)主要為移動(dòng)終端提供接入網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，核心網(wǎng)和骨干網(wǎng)主要為各種業(yè)務(wù)提供交換和傳輸服務(wù)。從通信技術(shù)層面看，移動(dòng)通信網(wǎng)的基本技術(shù)可分為傳輸技術(shù)和交換技術(shù)兩大類。 移動(dòng)通信經(jīng)歷了3代的發(fā)展，它們是模擬語(yǔ)音、數(shù)字語(yǔ)音以及數(shù)字語(yǔ)音和數(shù)據(jù)時(shí)代。在移動(dòng)通信網(wǎng)中，當(dāng)前比較熱門的接入技術(shù)有3G和4G。2022/7/275.2 無(wú)線個(gè)人局域網(wǎng)（WPAN） 無(wú)線個(gè)人局域網(wǎng)簡(jiǎn)稱WPAN（Wireless Personal Area Network，WPAN），WPAN是一種采用無(wú)線連接的個(gè)人局域網(wǎng)。美國(guó)電子與電器工程師協(xié)會(huì)（IEEE）802.15工作組是對(duì)無(wú)線個(gè)人局域網(wǎng)做出定義說(shuō)明的機(jī)構(gòu)。 2022/7

5、/27 除了基于藍(lán)牙技術(shù)的802.15之外，IEEE還推薦了其它兩個(gè)類型，它們是低頻率的802.15.4（TG4，也被稱為ZigBee）和高頻率的802.15.3（TG3，也被稱為超波段或UWB），WPAN是為了實(shí)現(xiàn)活動(dòng)半徑小、業(yè)務(wù)類型豐富、面向特定群體、無(wú)線無(wú)縫連接而提出的新興無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。如，TG4（ZigBee）針對(duì)低電壓和低成本家庭控制方案提供20Kbps或250Kbps的數(shù)據(jù)傳輸速率，而TG3（UWB）則支持用于多媒體的介于20Mbps和1Gbps之間的數(shù)據(jù)傳輸速率。2022/7/27 支持無(wú)線個(gè)人域網(wǎng)的技術(shù)包括藍(lán)牙、ZigBee、UWB、IrDA、HomeRF等，其中藍(lán)牙技術(shù)在

6、無(wú)線個(gè)人局域網(wǎng)中使用得最廣泛。WPAN能夠有效地解決“最后的幾米電纜”的問(wèn)題，進(jìn)而將無(wú)線聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行到底。2022/7/27 WPAN是一種與無(wú)線廣域網(wǎng)(WWAN)、無(wú)線城域網(wǎng)(WMAN)、無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN)并列但覆蓋范圍相對(duì)較小的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。在網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成上，WPAN位于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)鏈的末端，用于實(shí)現(xiàn)同一地點(diǎn)終端與終端間的連接，如，連接手機(jī)和藍(lán)牙耳機(jī)等。WPAN所覆蓋的范圍一般在10m半徑以內(nèi)，必須運(yùn)行于許可的無(wú)線頻段。WPAN設(shè)備具有價(jià)格便宜、體積小、易操作和功耗低等優(yōu)點(diǎn)。2022/7/275.2.1藍(lán)牙技術(shù)1、概述 “藍(lán)牙”（Bluetooth）是一種開放的技術(shù)規(guī)范，它是一種多裝置之間通信的標(biāo)準(zhǔn)，

7、它可在世界上的任何地方實(shí)現(xiàn)短距離的無(wú)線語(yǔ)音和數(shù)據(jù)通信。 1994年，愛立信移動(dòng)通信公司開始研究在移動(dòng)電話及其附件之間實(shí)現(xiàn)低功耗、低成本無(wú)線接口的可行性。2022/7/27 隨著項(xiàng)目的進(jìn)展，愛立信公司意識(shí)到短距無(wú)線通信（Short- Distance Wireless Communication）的應(yīng)用前景無(wú)限廣闊。 愛立信將這項(xiàng)新的無(wú)線通信技術(shù)命名為“藍(lán)牙”（Bluetooth）。它的名字取自10世紀(jì)丹麥國(guó)王Harald Bluetooth的名字。2022/7/27 藍(lán)牙是一種短距無(wú)線通信的技術(shù)規(guī)范，它最初的目標(biāo)是取代現(xiàn)有的掌上電腦、移動(dòng)電話等各種數(shù)字設(shè)備上的有線電纜連接。在制定藍(lán)牙規(guī)范之初，

8、就建立了統(tǒng)一全球的目標(biāo)，向全球公開發(fā)布，工作頻段為全球統(tǒng)一開放的2.4GHz工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué)頻段。 Bluetooth提供了一種在2.4G的ISM（Industrial Scientific Medical，ISM）頻段，用于一個(gè)或多個(gè)裝置之間在10米范圍內(nèi)的無(wú)線通信方式。2022/7/27 ISM頻段(2.42.4835GHz)主要是開放給工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué)三個(gè)主要機(jī)構(gòu)使用，該頻段是依據(jù)美國(guó)聯(lián)邦通訊委員會(huì)(Federal Communications Committee，F(xiàn)CC)所定義出來(lái)，屬于Free License，并沒有所謂使用授權(quán)的限制。無(wú)需許可證，只需要遵守一定的發(fā)射功率(一般低于1

9、W)，并且不要對(duì)其它頻段造成干擾即可。 2022/7/27 最初是由美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)分配的無(wú)需許可證的無(wú)線電頻段（功率不能超過(guò)1W）。在美國(guó)分為為工業(yè)（902928MHz）、科學(xué)研究（2.422.4835GHz）和醫(yī)療（5.7255.850GHz）三個(gè)頻段。而在歐洲900MHz的頻段則有部份用于GSM通信，用于ISM的低頻段為868MHZ和433MHz。2.4GHz為各國(guó)共同的ISM頻段。因此，無(wú)線局域網(wǎng)，藍(lán)牙，ZigBee等無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，均可選擇在2.4GHz頻段上。2022/7/272、藍(lán)牙技術(shù)的應(yīng)用 從目前的應(yīng)用來(lái)看，由于藍(lán)牙體積小、功率低，其應(yīng)用已不局限于計(jì)算機(jī)外設(shè)，幾乎可以被

10、集成到任何數(shù)字設(shè)備之中，特別是那些對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速率要求不高的移動(dòng)設(shè)備和便攜設(shè)備。 藍(lán)牙技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于日常生活的各個(gè)方面，例如，引入藍(lán)牙技術(shù)，就可以去掉移動(dòng)電話與筆記本電腦之間的連接電纜而通過(guò)無(wú)線使其建立通信。2022/7/273. 藍(lán)牙技術(shù)的特點(diǎn)1）全球范圍適用，藍(lán)牙工作在2.4GHz的ISM頻段，使用該頻段無(wú)需向各國(guó)的無(wú)線電資源管理部門申請(qǐng)?jiān)S可證。2）同時(shí)可傳輸語(yǔ)音和數(shù)據(jù)，藍(lán)牙采用電路交換和分組交換技術(shù)，支持異步數(shù)據(jù)信道、三路語(yǔ)音信道以及異步數(shù)據(jù)與同步語(yǔ)音同時(shí)傳輸?shù)男诺馈?022/7/273）可以建立臨時(shí)性的對(duì)等連接，根據(jù)藍(lán)牙設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中的角色，可分為主設(shè)備（Master）與從設(shè)備（Slave

11、）。主設(shè)備是組網(wǎng)連接主動(dòng)發(fā)起連接請(qǐng)求的藍(lán)牙設(shè)備，幾個(gè)藍(lán)牙設(shè)備連接成一個(gè)微微網(wǎng)（Piconet）時(shí)，其中只有一個(gè)主設(shè)備，其余的均為從設(shè)備。 多個(gè)微微網(wǎng)之間還可以互聯(lián)形成散射網(wǎng)(Scatter net)，從而方便快捷地實(shí)現(xiàn)各類設(shè)備之間隨時(shí)隨地的通信。最簡(jiǎn)單的微微網(wǎng)是一個(gè)主設(shè)備和一個(gè)從設(shè)備組成的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信連接。2022/7/275）藍(lán)牙模塊體積很小、便于集成。 由于個(gè)人移動(dòng)設(shè)備的體積較小，所以，嵌入其內(nèi)部的藍(lán)牙模塊體積就應(yīng)該更小，如愛立信公司的藍(lán)牙模塊ROK101008的外形尺寸僅為32.8mm16.8mm2.95mm。其程序?qū)懺谝粋€(gè)9 x 9 mm的微芯片中。2022/7/276）低功耗，藍(lán)牙設(shè)

12、備在通信連接狀態(tài)下，有四種工作模式，激活（Active）模式、呼吸（Sniff）模式、保持（Hold）模式和休眠（Park）模式。Active模式是正常的工作狀態(tài)，另外三種模式是為了節(jié)能所規(guī)定的低功耗模式。 依據(jù)發(fā)射輸出電平功率不同，藍(lán)牙傳輸有3 種距離等級(jí)，它們是Class1為100m左右；Class2約為10m；Class3約為23m。一般情況下，其正常的工作范圍是10m半徑之內(nèi)。在此范圍內(nèi)，可進(jìn)行多臺(tái)設(shè)備間的互聯(lián)。2022/7/277）開放的接口標(biāo)準(zhǔn)，SIG為了推廣藍(lán)牙技術(shù)的使用，將藍(lán)牙的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)全部公開，全世界范圍內(nèi)的任何單位和個(gè)人都可以進(jìn)行藍(lán)牙產(chǎn)品的開發(fā)，只要最終能通過(guò)SIG的藍(lán)牙產(chǎn)

13、品兼容性測(cè)試，就可以推向市場(chǎng)。8）成本低，隨著市場(chǎng)需求的擴(kuò)大，各個(gè)供應(yīng)商紛紛推出自己的藍(lán)牙芯片和模塊，導(dǎo)致藍(lán)牙產(chǎn)品價(jià)格飛速下降。 2022/7/274. 藍(lán)牙匹配規(guī)則 兩個(gè)藍(lán)牙設(shè)備在進(jìn)行通信前，必須將其匹配在一起，以保證其中一個(gè)設(shè)備發(fā)出的數(shù)據(jù)信息只會(huì)被經(jīng)過(guò)允許的另一個(gè)設(shè)備所接受。1）藍(lán)牙主設(shè)備，主設(shè)備一般具有輸入端。在進(jìn)行藍(lán)牙匹配操作時(shí)，用戶通過(guò)輸入端可輸入隨機(jī)的匹配密碼來(lái)將兩個(gè)設(shè)備匹配。2022/7/27 藍(lán)牙手機(jī)、安裝有藍(lán)牙模塊的PC等都是主設(shè)備。 例如，藍(lán)牙手機(jī)和藍(lán)牙PC進(jìn)行匹配時(shí)，用戶可在藍(lán)牙手機(jī)上任意輸入一組數(shù)字，然后在藍(lán)牙PC上輸入相同的一組數(shù)字，來(lái)完成這兩個(gè)設(shè)備之間的匹配。202

14、2/7/272）藍(lán)牙從設(shè)備，從設(shè)備一般不具備輸入端。 因此，從設(shè)備在出廠時(shí)，在其藍(lán)牙芯片中，固化有一個(gè)4位或6位數(shù)字的匹配密碼。藍(lán)牙耳機(jī)、優(yōu)士通UD數(shù)碼筆等都是從設(shè)備。 例如，藍(lán)牙PC與UD數(shù)碼筆匹配時(shí)，用戶將UD筆上的藍(lán)牙匹配密碼正確的輸入到藍(lán)牙PC上，完成UD筆與藍(lán)牙PC之間的匹配。2022/7/273）主設(shè)備與主設(shè)備之間、主設(shè)備與從設(shè)備之間，是可以互相匹配在一起的；而從設(shè)備與從設(shè)備是無(wú)法匹配的。例如，藍(lán)牙PC與藍(lán)牙手機(jī)可以匹配在一起；藍(lán)牙PC也可以與UD筆匹配在一起；而UD筆與UD筆之間是不能匹配的。 一個(gè)主設(shè)備，可匹配一個(gè)或多個(gè)其他設(shè)備。例如，一部藍(lán)牙手機(jī)，一般只能匹配7個(gè)藍(lán)牙設(shè)備。而

15、一臺(tái)藍(lán)牙PC，可匹配十多個(gè)或數(shù)十個(gè)藍(lán)牙設(shè)備。在同一時(shí)間，藍(lán)牙設(shè)備之間僅支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。2022/7/275.2.2 ZigBee技術(shù) 1、概述 在藍(lán)牙技術(shù)的使用過(guò)程中，人們發(fā)現(xiàn)藍(lán)牙技術(shù)盡管有許多優(yōu)點(diǎn)，但仍存在許多缺陷。對(duì)工業(yè)，家庭自動(dòng)化控制和遙測(cè)遙控領(lǐng)域而言，藍(lán)牙技術(shù)顯得太復(fù)雜，功耗大，距離近，組網(wǎng)規(guī)模太小等，而工業(yè)自動(dòng)化對(duì)無(wú)線通信的需求越來(lái)越強(qiáng)烈。正因如此，國(guó)外對(duì)ZigBee技術(shù)的研究起步較早，研究也較成熟。2022/7/27 ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無(wú)線通信技術(shù)。由于蜜蜂（bee）是靠飛翔和“嗡嗡”（zig）地抖動(dòng)翅膀的“舞蹈”來(lái)與同伴傳遞花粉所

16、在方位和遠(yuǎn)近信息的，也就是蜜蜂依靠著這樣的方式構(gòu)成了群體中的通信“網(wǎng)絡(luò)”，因此，ZigBee的發(fā)明者們形象地利用蜜蜂的這種行為來(lái)形象地描述這種無(wú)線信息傳輸技術(shù)。2022/7/27 為了推進(jìn)該技術(shù)的快速發(fā)展，由英國(guó)Invensys公司、日本三菱電氣公司、美國(guó)摩托羅拉公司以及荷蘭飛利浦半導(dǎo)體公司等4家公司于2002年8月成立了ZigBee聯(lián)盟，如今該聯(lián)盟已經(jīng)吸引了上百家芯片公司、無(wú)線設(shè)備公司和開發(fā)商的加入，它是一個(gè)高速成長(zhǎng)的非盈利業(yè)界組織。2022/7/27 該聯(lián)盟制定了基于IEEE802.15.4，具有高可靠、高性價(jià)比、低功耗的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用協(xié)議并于2004正式問(wèn)世。 ZigBee的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是IEEE

17、802.15.4協(xié)議，它主要適合于應(yīng)用在自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入在各種設(shè)備中，同時(shí)支持地理定位功能。2022/7/27ZigBee采用DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum，DSSS即直接序列展頻技術(shù))技術(shù)調(diào)制發(fā)射，用于多個(gè)無(wú)線傳感器組成網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，是一種短距離、低速率低功耗的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，采用DSSS技術(shù)調(diào)制發(fā)射，用于多個(gè)無(wú)線傳感器組成網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，新一代的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)將采用802.15.4(ZigBee)協(xié)議。ZigBee是一種高可靠的無(wú)線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)，類似于CDMA和GSM網(wǎng)絡(luò)。ZigBee數(shù)傳模塊類似于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)基站。2022/7/27 ZigBe

18、e是一個(gè)由可多到65000個(gè)無(wú)線數(shù)傳模塊組成的一個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)模塊之間可以相互通信，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的距離可以從標(biāo)準(zhǔn)的75m無(wú)限擴(kuò)展。 2022/7/27 ZigBee與移動(dòng)通信的CDMA網(wǎng)或GSM網(wǎng)不同的是，ZigBee網(wǎng)絡(luò)主要是為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化控制數(shù)據(jù)傳輸而建立，因而，它必須具有簡(jiǎn)單、使用方便、工作可靠、價(jià)格低的特點(diǎn)。 移動(dòng)通信網(wǎng)主要是為語(yǔ)音通信而建立，每個(gè)基站價(jià)值一般都在百萬(wàn)元人民幣以上，而每個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)“基站”卻不到1000元人民幣。2022/7/272、ZigBee應(yīng)用領(lǐng)域 ZigBee技術(shù)的目標(biāo)就是針對(duì) 工業(yè)家庭自動(dòng)化遙測(cè)遙控汽車自動(dòng)化農(nóng)業(yè)自動(dòng)化醫(yī)

19、療護(hù)理 等方面的應(yīng)用。2022/7/27 ZigBee技術(shù)應(yīng)用如此廣泛，因此，在通常情況下，如果符合如下條件之一的應(yīng)用，就可以考慮采用ZigBee技術(shù)做無(wú)線傳輸。1）需要數(shù)據(jù)采集或監(jiān)控的網(wǎng)點(diǎn)多；2）要求傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不大，而要求設(shè)備成本低；3）要求數(shù)據(jù)傳輸可性高，安全性高；4）設(shè)備體積很小，不便放置較大的充電電池或者電源模塊；2022/7/275）電池供電；6）地形復(fù)雜，監(jiān)測(cè)點(diǎn)多，需要較大的網(wǎng)絡(luò)覆蓋；7）現(xiàn)有移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋盲區(qū)；8）使用現(xiàn)存移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行低數(shù)據(jù)量傳輸?shù)倪b測(cè)遙控系統(tǒng)。9）使用GPS效果差，或成本太高的局部區(qū)域移動(dòng)目標(biāo)的定位應(yīng)用。2022/7/273、ZigBee技術(shù)特點(diǎn)ZigBee作

20、為一種無(wú)線通信技術(shù)，具有如下特點(diǎn)。 1）低成本、低功耗，ZigBee技術(shù)可以應(yīng)用于8位MCU。2）高可靠性3）時(shí)延4）網(wǎng)絡(luò)容量大，ZigBee網(wǎng)絡(luò)可支持達(dá)65000個(gè)節(jié)點(diǎn)。5）高安全性，ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，加密算法采用通用的AES-128。6）高保密性，64位出廠編號(hào)和支持AES-128加密。2022/7/274、ZigBee協(xié)議棧 在設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)的軟件構(gòu)架時(shí)，一般采用分層的思想，不同的層負(fù)責(zé)不同的功能，數(shù)據(jù)只能在相鄰的層之間流動(dòng)。ZigBee規(guī)范是由ZigBee Alliance所主導(dǎo)的標(biāo)準(zhǔn)，ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)是基于標(biāo)準(zhǔn)OSI（Open System Intercon

21、nection，OSI）七層模型的，在模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，采用分層的思想實(shí)現(xiàn)。2022/7/27 ZigBee協(xié)議定義了網(wǎng)絡(luò)層（NWK）、應(yīng)用程序支持子層(APS)以及應(yīng)用層的數(shù)據(jù)傳輸規(guī)范、安全層（Security Layer）、以及各種應(yīng)用產(chǎn)品的資料（Profile）。而由國(guó)際電子電機(jī)工程協(xié)會(huì)（IEEE）所制訂的802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，則是定義了物理層（PHY）及介質(zhì)訪問(wèn)控制層（MAC）。ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)各層示意圖如圖5.2所示。2022/7/272022/7/27 在ZigBee協(xié)議棧中，PHY（Physical layer物理層）、MAC層（Media Access Co

22、ntrol 媒體介入控制層）位于最低層，且與硬件相關(guān)；NWK、APS、APL層以及安全層建立在PHY和MAC層之上，并且完全與硬件無(wú)關(guān)。分層的結(jié)構(gòu)脈絡(luò)清晰、一目了然，給設(shè)計(jì)和調(diào)試帶來(lái)了極大的方便。 2022/7/27ZigBee物理層PHY定義了物理無(wú)線信道和MAC子層之間的接口，提供物理層數(shù)據(jù)服務(wù)和物理層管理服務(wù)。物理層數(shù)據(jù)服務(wù)是從無(wú)線物理信道上收發(fā)數(shù)據(jù)。物理層管理服務(wù)是維護(hù)一個(gè)由物理層相關(guān)數(shù)據(jù)組成的數(shù)據(jù)庫(kù)。2022/7/27物理層的主要功能如下。1）ZigBee的激活； 2）當(dāng)前信道的能量檢測(cè)； 3）接收鏈路服務(wù)質(zhì)量信息； 4）ZigBee信道接入方式； 5）信道頻率選擇； 6）數(shù)據(jù)傳輸和

23、接收。 2022/7/27MAC層的主要功能如下。 1）網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器產(chǎn)生信標(biāo)； 2）與信標(biāo)同步； 3）支持PAN鏈路的建立和斷開； 4）為設(shè)備的安全性提供支持； 5）信道接入方式采用免沖突載波檢測(cè)多址接入（CSMA-CA）機(jī)制； 6）處理和維護(hù)保護(hù)時(shí)隙（GTS）機(jī)制； 7）在兩個(gè)對(duì)等的MAC實(shí)體之間提供一個(gè)可靠的通信鏈路。 2022/7/27網(wǎng)絡(luò)層的主要功能如下: 1）網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)； 2）網(wǎng)絡(luò)形成； 3）允許設(shè)備連接； 4）路由器初始化； 5）設(shè)備網(wǎng)絡(luò)連接； 6）直接將設(shè)備同網(wǎng)絡(luò)連接； 7）斷開網(wǎng)絡(luò)連接； 8）重新復(fù)位設(shè)備； 9）接收機(jī)同步； 10）信息庫(kù)維護(hù)。2022/7/27 ZigBee應(yīng)用層

24、框架包括應(yīng)用支持層（ASP）、ZigBee設(shè)備對(duì)象（ADO）和制造商所定義的應(yīng)用對(duì)象。 應(yīng)用支持層的功能包括維持綁定表、在綁定的設(shè)備之間傳送消息。 所謂綁定就是基于兩臺(tái)設(shè)備的服務(wù)和需求在邏輯上將他們匹配地連接起來(lái)。2022/7/27 ZigBee設(shè)備對(duì)象層的功能包括定義設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中的角色（如ZigBee協(xié)調(diào)器和終端設(shè)備），發(fā)起和響應(yīng)綁定請(qǐng)求，在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間建立安全機(jī)制。ZigBee設(shè)備對(duì)象還負(fù)責(zé)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備，并且決定向他們提供何種應(yīng)用服務(wù)。 ZigBee應(yīng)用層除了提供一些必要函數(shù)以及為網(wǎng)絡(luò)層提供合適的服務(wù)接口外，一個(gè)重要的功能是應(yīng)用者可在這層定義自己的應(yīng)用對(duì)象。2022/7/27 IEEE

25、 802.15.4定義的物理層有兩個(gè)物理層標(biāo)準(zhǔn)，分別是2.4GHz物理層和868/915 MHz物理層。兩者均基于直接序列擴(kuò)頻（DSSS）技術(shù)。 868MHz只有一個(gè)信道，傳輸速率為20kb/s； 902MHz928MHZ頻段有10個(gè)信道，信道間隔為2MHz，傳輸速率為40kb/s。以上這兩個(gè)頻段都采用BPSK調(diào)制。2022/7/27 2.4GHz2.4835 GHz頻段有16個(gè)信道，信道間隔為5MHz，能夠提供250kb/s的傳輸速率，采用O-QPSK調(diào)制。 為了提高傳輸數(shù)據(jù)的可靠性，IEEE 802.15.4定義的媒體接入控制（MAC）層采用了CSMA-CA和時(shí)隙CSMA-CA信道接入方式

26、和完全握手協(xié)議。2022/7/275、ZStack協(xié)議棧工程簡(jiǎn)要說(shuō)明 ZigBee整個(gè)Z-Stack采用分層的軟件結(jié)構(gòu) 硬件抽象層（HAL）提供各種硬件模塊的驅(qū)動(dòng)，包括定時(shí)器Timer，通用I/O口GPIO，通用異步收發(fā)傳輸器UART，模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC的應(yīng)用程序接口API，提供各種服務(wù)的擴(kuò)展集。 2022/7/27 操作系統(tǒng)抽象層OSAL實(shí)現(xiàn)了一個(gè)易用的操作系統(tǒng)平臺(tái)，通過(guò)時(shí)間片輪轉(zhuǎn)函數(shù)實(shí)現(xiàn)任務(wù)調(diào)度，提供多任務(wù)處理機(jī)制。用戶可以調(diào)用OSAL提供的相關(guān)API進(jìn)行多任務(wù)編程，將自己的應(yīng)用程序作為一個(gè)獨(dú)立的任務(wù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。2022/7/27 ZStack協(xié)議棧就是將各個(gè)層定義的協(xié)議都集合在一起，以函數(shù)的形式

27、實(shí)現(xiàn)，并給用戶提供一些應(yīng)用層API,供用戶調(diào)用整個(gè)協(xié)議棧的構(gòu)架，如圖5.3所示。2022/7/271）APP是應(yīng)用層目錄 這是用戶創(chuàng)建各種不同工程的區(qū)域，在這個(gè)目錄中包含了應(yīng)用層的內(nèi)容和這個(gè)項(xiàng)目的主要內(nèi)容，在協(xié)議棧里面一般是以操作系統(tǒng)的任務(wù)實(shí)現(xiàn)的。 2022/7/27 2）HAL是硬件層目錄 包含有與硬件相關(guān)的配置和驅(qū)動(dòng)及操作函數(shù)。 硬件層目錄 Common目錄下的文件是公用文件，基本上與硬件無(wú)關(guān)，其中hal_assert.c是斷言文件，用于調(diào)用，hal_drivers.c是驅(qū)動(dòng)文件，抽象出與硬件無(wú)關(guān)的驅(qū)動(dòng)函數(shù)，包含有與硬件相關(guān)的配置和驅(qū)動(dòng)及操作函數(shù)。 2022/7/27 Include目錄下

28、主要包含各個(gè)硬件模塊的頭文件， Target目錄下的文件是跟硬件平臺(tái)相關(guān)的，可能看到有兩個(gè)平臺(tái)，分別是CC2530DB平臺(tái)和一個(gè)CC2530EB平臺(tái)。 后面的DB和EB表示的是TI公司開發(fā)板的型號(hào)，其實(shí)還有一種類型是BB的，BB: Battery Board DB: Development Board EB: Evaluation Board2022/7/273）MAC是MAC層目錄 High Level和Low Level兩個(gè)目錄表示MAC層分為了高層和底層兩層. Include目錄下則包含了MAC層的參數(shù)配置文件及基MAC的LIB庫(kù)函數(shù)接口文件，這里的MAC層的協(xié)議是不開源的，以庫(kù)的形式給

29、出。 2022/7/27 4）MT是監(jiān)控調(diào)試層，主要用于調(diào)試目的，即實(shí)現(xiàn)通過(guò)串口調(diào)試各層，與各層進(jìn)行直接交互。5）NWK是網(wǎng)絡(luò)層目錄，含網(wǎng)絡(luò)層配置參數(shù)文件及網(wǎng)絡(luò)層庫(kù)的函數(shù)接口文件，APS 層庫(kù)的函數(shù)接口。6）OSAL是協(xié)議棧的操作系統(tǒng)。7）Profile是AF 層目錄，包含AF 層處理函數(shù)文件。2022/7/278）Security是安全層目錄 安全層處理函數(shù)接口文件，比如加密函數(shù)等。9）Services是地址處理函數(shù)目錄 包括著地址模式的定義及地址處理函數(shù)。10）Tools是工程配置目錄 包括空間劃分及ZStack 相關(guān)配置信息。11）ZDO是ZigBee Object設(shè)備對(duì)象目錄。2022

30、/7/2712）ZMAC是介質(zhì)訪問(wèn)層 在 802.15.4 MAC 與網(wǎng)絡(luò)層之間提供接口，包括MAC 層參數(shù)配置及MAC 層LIB 庫(kù)函數(shù)回調(diào)處理函數(shù)。其中Zmac.c是Z-Stack的MAC導(dǎo)出層接口文件，zmac_cb.c是ZMAC需要調(diào)用的網(wǎng)絡(luò)層函數(shù)。13）ZMain是主函數(shù)目錄 Zmain.c主要包含了整個(gè)項(xiàng)目的入口函數(shù)main()，在OnBoard.c包含硬件開始平臺(tái)類外設(shè)進(jìn)行控制的接口函數(shù)。14）Output是輸出文件目錄 這個(gè)EW8051 IDE自動(dòng)生成的。2022/7/276、 ZigBee節(jié)點(diǎn)類型與網(wǎng)絡(luò)配置ZigBee網(wǎng)絡(luò)定義了三種節(jié)點(diǎn)類型。1）ZigBee協(xié)調(diào)器（ZigBe

31、e Coordinator，ZC） 協(xié)調(diào)器的作用是上電啟動(dòng)和配置網(wǎng)絡(luò)（例如設(shè)定網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)符，選擇信道），一旦完成后相當(dāng)于路由器功能。每個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)必須有一個(gè)協(xié)調(diào)器。 2022/7/27 2）ZigBee路由器 (ZigBee router，ZR) 路由器允許其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備加入，多跳路由，協(xié)助子節(jié)點(diǎn)通信或自己作為終端節(jié)點(diǎn)應(yīng)用3）ZigBee終端節(jié)點(diǎn)（ZigBee end device，ZED） 終端節(jié)點(diǎn)向路由節(jié)點(diǎn)傳遞數(shù)據(jù)，沒有路由功能，低功耗，可以選擇休眠與喚醒。（路由因不斷轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)需要長(zhǎng)期保持電源供電，終端節(jié)點(diǎn)一般采用電池供電）。2022/7/27 在低數(shù)據(jù)速率的WPAN中包括兩種無(wú)線設(shè)備，

32、即是全功能設(shè)備（(Full function device，F(xiàn)FD）和精簡(jiǎn)功能設(shè)備（Reduce function device，RFD）。 其中，F(xiàn)FD可以和FFD、RFD通信， RFD只能和FFD通信 RFD之間無(wú)法通信2022/7/27 RFD的應(yīng)用相對(duì)簡(jiǎn)單，例如，在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，它們只負(fù)責(zé)將采集的數(shù)據(jù)信息發(fā)送給它的協(xié)調(diào)點(diǎn)，并不具備數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、路由發(fā)現(xiàn)和路由維護(hù)等功能。 RFD占用資源少，需要的存儲(chǔ)容量也小，在不發(fā)射和接收數(shù)據(jù)時(shí)處于休眠狀態(tài)，因此成本比較低，功耗低。 FFD除具有RFD功能外，還需要具有路由功能，可以實(shí)現(xiàn)路由發(fā)現(xiàn)、路由選擇，并轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)分組。2022/7/27 一個(gè)ZigBe

33、e網(wǎng)絡(luò)只允許有一個(gè)協(xié)調(diào)器，在一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，至少存在一個(gè)FFD充當(dāng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器，即PAN協(xié)調(diào)器。 通常，PAN協(xié)調(diào)器是一個(gè)特殊的FFD，它具有較強(qiáng)大的功能，是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的主要控制者，它負(fù)責(zé)建立新的網(wǎng)絡(luò)、發(fā)送網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)、管理網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)以及存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)信息等。2022/7/27 一旦網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng)，新的路由器和終端設(shè)備可以通過(guò)路由發(fā)現(xiàn)、設(shè)備發(fā)現(xiàn)等功能加入網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)路由器或終端設(shè)備加入ZigBee 網(wǎng)絡(luò)時(shí)，設(shè)備間的父子關(guān)系（或說(shuō)從屬關(guān)系）即形成，新加入的設(shè)備為子，允許加入的設(shè)備為父。2022/7/27 FFD和RFD都可以作為終端節(jié)點(diǎn)加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)。此外，普通FFD也可以在它的個(gè)人操作空間（PO

34、S）中充當(dāng)協(xié)調(diào)器，但它仍然受PAN協(xié)調(diào)器的控制。 ZigBee中每個(gè)協(xié)調(diào)器最多可連接255個(gè)節(jié)點(diǎn)，一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可容納65535個(gè)節(jié)點(diǎn)。 2022/7/27 全功能器件（FFD）可以擔(dān)任網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者，形成網(wǎng)絡(luò)，讓其他的全功能器件（FFD）或者是精簡(jiǎn)功能裝置（RFD）連接，全功能器件（FFD）具備控制器的功能，可提供信息雙向傳輸。RFD只能傳送信息給FFD或從FFD接收信息。在網(wǎng)絡(luò)中通常用作終端設(shè)備。圖5.4所示為節(jié)點(diǎn)類型與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備配置關(guān)系圖。由圖5.5可以看到，協(xié)調(diào)器和路由器必須是全功能器件(FFD)，精簡(jiǎn)功能設(shè)備(RFD)只能傳送信息給FFD或從FFD接收信息。終端設(shè)備可以是全功能器

35、件，也可以是精簡(jiǎn)功能設(shè)備(RFD)。 2022/7/277、ZigBee網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) ZigBee網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有三種，星型網(wǎng)、網(wǎng)狀（mesh）網(wǎng)和簇樹形網(wǎng)。圖5.5所示。2022/7/272022/7/27星型網(wǎng)是由一個(gè)PAN協(xié)調(diào)器和一個(gè)或多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)組成的。 PAN協(xié)調(diào)器必須是FFD，它負(fù)責(zé)發(fā)起建立和管理整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，其它的節(jié)點(diǎn)（終端節(jié)點(diǎn)）一般為RFD，分布在PAN協(xié)調(diào)器的覆蓋范圍內(nèi)，直接與PAN協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信。 星形網(wǎng)的控制和同步都比較簡(jiǎn)單，星型網(wǎng)通常用于節(jié)點(diǎn)數(shù)量較少的場(chǎng)合。2022/7/27 網(wǎng)狀（Mesh）網(wǎng)一般是由若干個(gè)FFD連接在一起形成，它們之間是完全的對(duì)等通信，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可

36、以與它的無(wú)線通信范圍內(nèi)的其它節(jié)點(diǎn)通信。 Mesh網(wǎng)中，一般將發(fā)起建立網(wǎng)絡(luò)的FFD節(jié)點(diǎn)作為PAN協(xié)調(diào)器。Mesh網(wǎng)是一種高可靠性網(wǎng)絡(luò)，具有“自恢復(fù)”能力，它可為傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包提供多條路徑，一旦一條路徑出現(xiàn)故障，則存在另一條或多條路徑可供選擇。 2022/7/27 Mesh網(wǎng)可以通過(guò)FFD擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)，組成Mesh網(wǎng)與星型網(wǎng)構(gòu)成的混合網(wǎng)。 混合網(wǎng)中，終端節(jié)點(diǎn)采集的信息首先傳到同一子網(wǎng)內(nèi)的根節(jié)點(diǎn)，再通過(guò)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)上傳到上一層網(wǎng)絡(luò)的PAN協(xié)調(diào)器。混合網(wǎng)都適用于覆蓋范圍較大的網(wǎng)絡(luò)。 2022/7/278、網(wǎng)絡(luò)路由 ZigBee網(wǎng)絡(luò)層的路由功能主要為網(wǎng)絡(luò)連接提供路由發(fā)現(xiàn)、路由選擇、路由維護(hù)功能，路由算法是它的核心

37、。目前ZigBee網(wǎng)絡(luò)層主要支持兩種路由算法，即是樹路由和網(wǎng)狀網(wǎng)路由。2022/7/27 樹路由采用一種特殊的算法，具體可以參考ZigBee的協(xié)議棧規(guī)范。 它把整個(gè)網(wǎng)絡(luò)看作是以協(xié)調(diào)器為根的一棵樹，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)由協(xié)調(diào)器建立，而協(xié)調(diào)器的子節(jié)點(diǎn)可以是路由器或者是末端節(jié)點(diǎn)，路由器的子節(jié)點(diǎn)也可以是路由器或者末端節(jié)點(diǎn)，末端節(jié)點(diǎn)相當(dāng)于樹的葉子沒有子節(jié)點(diǎn)。2022/7/27 樹路由利用了一種特殊的地址分配算法，使用四個(gè)參數(shù)深度、最大深度、最大子節(jié)點(diǎn)數(shù)和最大子路由器數(shù)來(lái)計(jì)算新節(jié)點(diǎn)的地址，尋址的時(shí)候根據(jù)地址計(jì)算路徑。 ZigBee路由只有兩個(gè)方向，即是向子節(jié)點(diǎn)發(fā)送或者向父節(jié)點(diǎn)發(fā)送。2022/7/27 樹狀路由不需要路

38、由表，節(jié)省存儲(chǔ)資源，缺點(diǎn)是不靈活，浪費(fèi)了大量的地址空間，并且路由效率低。 ZigBee還有一種路由方法是網(wǎng)狀網(wǎng)路由Z-AODV（Ad-hoc On-demand Distance Vector，AODV），這種方法實(shí)際上是Ad Hoc 按需路由算法的一個(gè)簡(jiǎn)化版本，是一種基于距離矢量的按需路由算法，非常適合于低成本的無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)的路由。 2022/7/27 網(wǎng)狀網(wǎng)路由Z-AODV可以用于較大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)，需要節(jié)點(diǎn)維護(hù)一個(gè)路由表，耗費(fèi)一定的存儲(chǔ)資源，但往往能達(dá)到最優(yōu)的路由效率，而且使用靈活。 Z-AODV是應(yīng)用于無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行路由選擇的路由協(xié)議，它能夠?qū)崿F(xiàn)單播和多播路由。該協(xié)議是Ad Hoc網(wǎng)

39、絡(luò)中按需生成路由方式的典型協(xié)議。2022/7/279、ZigBee組網(wǎng)技術(shù) 當(dāng)ZigBee PAN協(xié)調(diào)器希望建立一個(gè)新網(wǎng)絡(luò)時(shí)，首先掃描信道，尋找網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)空閑信道來(lái)建立新的網(wǎng)絡(luò)。如果找到了合適的信道，ZigBee協(xié)調(diào)器會(huì)為新網(wǎng)絡(luò)選擇一個(gè)PAN標(biāo)識(shí)符（PAN標(biāo)識(shí)符必須在信道中是唯一的）。一旦選定了PAN標(biāo)識(shí)符，就說(shuō)明已經(jīng)建立了網(wǎng)絡(luò)。 2022/7/27 另外，這個(gè)ZigBee協(xié)調(diào)器還會(huì)為自己設(shè)置一個(gè)默認(rèn)的16bit網(wǎng)絡(luò)地址。ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)64bit IEEE擴(kuò)展地址和一個(gè)16bit網(wǎng)絡(luò)地址，其中，16bit的網(wǎng)絡(luò)地址在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中是唯一的，也就是802.15.4中的MAC短

40、地址。 ZigBee協(xié)調(diào)器設(shè)定了自身的網(wǎng)絡(luò)地址后，就開始接受新的節(jié)點(diǎn)加入其網(wǎng)絡(luò)。2022/7/27 當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)希望加入該網(wǎng)絡(luò)時(shí)，它首先會(huì)通過(guò)信道掃描來(lái)搜索它周圍存在的網(wǎng)絡(luò)，如果找到了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，它就會(huì)進(jìn)行關(guān)聯(lián)過(guò)程請(qǐng)求加入網(wǎng)絡(luò)，只有具備路由功能的節(jié)點(diǎn)可以允許別的節(jié)點(diǎn)通過(guò)它關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。2022/7/27 ZigBee協(xié)調(diào)器設(shè)定了網(wǎng)絡(luò)地址后，就開始接受新的節(jié)點(diǎn)加入其網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)希望加入該網(wǎng)絡(luò)時(shí)，它首先會(huì)通過(guò)信道掃描來(lái)搜索它周圍存在的網(wǎng)絡(luò)，如果找到了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，它就會(huì)進(jìn)行關(guān)聯(lián)過(guò)程請(qǐng)求加入網(wǎng)絡(luò)，只有具備路由功能的節(jié)點(diǎn)可以允許別的節(jié)點(diǎn)通過(guò)它關(guān)聯(lián)加入網(wǎng)絡(luò)。 如果網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)失去聯(lián)系后想要重新加入網(wǎng)絡(luò)

41、，它可以進(jìn)行孤立通知過(guò)程重新加入網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)具備路由器功能的節(jié)點(diǎn)都維護(hù)一個(gè)路由表和一個(gè)路由發(fā)現(xiàn)表，它可以參與數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)來(lái)擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)。 2022/7/27ZigBee網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)可分為如下三類。 1）周期性數(shù)據(jù)，例如，傳感器網(wǎng)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，這一類數(shù)據(jù)的傳輸速率根據(jù)不同的應(yīng)用而確定； 2）間歇性數(shù)據(jù)，例如，電燈開關(guān)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，這一類數(shù)據(jù)的傳輸速率根據(jù)應(yīng)用或者外部激勵(lì)而確定； 3）反復(fù)性的、反應(yīng)時(shí)間低的數(shù)據(jù)，例如，無(wú)線鼠標(biāo)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，這一類數(shù)據(jù)的傳輸速率是根據(jù)時(shí)隙分配而確定的。2022/7/275.2.3 超寬帶技術(shù)UWB1、UWB的概念 超寬帶技術(shù)UWB（Ultra Wideband，UWB）

42、是一種無(wú)線載波通信技術(shù)，它不采用正弦載波，而是利用納秒級(jí)的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)，因此，其所占的頻譜范圍很寬。 UWB技術(shù)起源于20世紀(jì)50年代末，此前主要作為軍事技術(shù)在雷達(dá)等通信設(shè)備中使用。隨著無(wú)線通信的飛速發(fā)展。人們對(duì)高速無(wú)線通信提出了更高的要求，超寬帶技術(shù)又被重新提出，并倍受關(guān)注。2022/7/27 UWB是指信號(hào)帶寬大于500MHz或者是信號(hào)帶寬與中心頻率之比大于25的無(wú)線通信方案。與常見的使用連續(xù)載波通信方式不同，UWB采用極短的脈沖信號(hào)來(lái)傳送信息通常每個(gè)脈沖持續(xù)的時(shí)間只有幾十皮秒到幾納秒的時(shí)間，這些脈沖所占用的帶寬甚至高達(dá)幾GHz，因此，最大數(shù)據(jù)傳輸速率可以達(dá)到幾百M(fèi)bps。202

43、2/7/27 在高速通信的同時(shí)，UWB設(shè)備的發(fā)射功率卻很小，僅僅是現(xiàn)有設(shè)備的幾百分之一。對(duì)于普通的非UWB接收機(jī)來(lái)說(shuō)近似于噪聲，所以，從理論上講，UWB可以與現(xiàn)有無(wú)線電設(shè)備共享帶寬。UWB是一種高速而又低功耗的數(shù)據(jù)通信方式，它有望在無(wú)線通信領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。2022/7/272、UWB的特點(diǎn)1）抗干擾性能強(qiáng)2）傳輸速率高3）帶寬極寬。4）消耗電能少，通常情況下，無(wú)線通信系統(tǒng)在通信時(shí)需要連續(xù)發(fā)射載波。5）保密性好6）發(fā)送功率非常小7）成本低，適合于便攜型使用。2022/7/273、UWB的應(yīng)用前景 UWB是利用納秒級(jí)窄脈沖發(fā)射無(wú)線信號(hào)的技術(shù)，適用于高速、近距離的無(wú)線個(gè)人通信。 UWB最具特色的

44、應(yīng)用將是視頻消費(fèi)娛樂方面的無(wú)線個(gè)人局域網(wǎng)（WPAN）。2022/7/27 超寬帶系統(tǒng)同時(shí)具有無(wú)線通信和定位的功能，可方便地應(yīng)用于智能交通系統(tǒng)中，為車輛防撞、電子牌照、電子駕照、智能收費(fèi)、車內(nèi)智能網(wǎng)絡(luò)、測(cè)速、監(jiān)視、分布式信息站等提供高性能、低成本的解決方案。2022/7/27 UWB也可應(yīng)用在小范圍、高分辨率、能夠穿透墻壁、地面和身體的雷達(dá)和圖像系統(tǒng)中，諸如軍事、公安、消防、醫(yī)療、救援、測(cè)量、勘探和科研等領(lǐng)域，用做隱秘安全通信、救援應(yīng)急通信、精確測(cè)距和定位、透地探測(cè)雷達(dá)、墻內(nèi)和穿墻成像、監(jiān)視和入侵檢測(cè)、醫(yī)用成像、貯藏罐內(nèi)容探測(cè)等。2022/7/275.2.4 紅外通信技術(shù)1、紅外通信技術(shù)簡(jiǎn)介 I

45、rDA是Infrared Data Association(紅外線數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì))的英文縮寫。IrDA是一種紅外線無(wú)線傳輸協(xié)議以及基于該協(xié)議的無(wú)線傳輸接口。 IrDA技術(shù)使用一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，它替代了設(shè)備之間連接的線纜。它的通信距離一般在0到1米之間，傳輸速率最快可達(dá)16Mbps，通信介質(zhì)是波長(zhǎng)為900納米左右的近紅外線.2022/7/27 IrDA的主要優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需申請(qǐng)頻率的使用權(quán)，因而紅外通信成本低廉。并且還具有移動(dòng)通信所需的體積小、功耗低、連接方便、簡(jiǎn)單易用的特點(diǎn)。此外紅外線發(fā)射角度較?。?0度錐角以內(nèi)），短距離，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)直線數(shù)據(jù)傳輸，保密性強(qiáng)，傳輸上安全性高。2022/7/272、I

46、rDA通信標(biāo)準(zhǔn) 在紅外通信技術(shù)發(fā)展早期，存在好幾個(gè)紅外通信標(biāo)準(zhǔn)，不同標(biāo)準(zhǔn)之間的紅外設(shè)備不能進(jìn)行紅外通信。 為了使各種紅外設(shè)備能夠互聯(lián)互通，1993年，由二十多個(gè)大廠商發(fā)起成立了紅外數(shù)據(jù)協(xié)會(huì)(IrDA)，統(tǒng)一了紅外通信的標(biāo)準(zhǔn)，這就是目前被廣泛使用的IrDA紅外數(shù)據(jù)通信協(xié)議及規(guī)范。 2022/7/27 IrDA的主要優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需申請(qǐng)頻率的使用權(quán)，因而紅外通信成本低廉。并且還具有移動(dòng)通信所需的體積小、功耗低、連接方便、簡(jiǎn)單易用的特點(diǎn)。此外，紅外線發(fā)射角度較小，傳輸上安全性高。 2022/7/27 應(yīng)用紅外線收發(fā)器鏈接雖然能免去電線或電纜的連接，但使用起來(lái)仍有許多不便，不僅距離只限于12m，而且必須在視

47、線上直接對(duì)準(zhǔn)，收發(fā)裝置的光路夾角一般在30度內(nèi)，中間不能有任何阻擋。同時(shí)只限于在兩個(gè)設(shè)備之間進(jìn)行，不能同時(shí)鏈接更多的設(shè)備。而藍(lán)牙就沒有此限制，且不受墻壁的阻隔。2022/7/273、應(yīng)用目前，支持它的軟硬件技術(shù)都很成熟，在小型移動(dòng)設(shè)備上已被廣泛使用，如PDA、手機(jī)、筆記本電腦、遙制器等。當(dāng)今每一個(gè)出廠的PDA及許多手機(jī)、筆記本電腦、打印機(jī)等產(chǎn)品都支持IrDA。紅外線鏈路的數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠猛局饕獞?yīng)用在近距離的兩臺(tái)硬件之間的通信。例如，家電控制，計(jì)算機(jī)與外設(shè)、通信設(shè)備間等等。紅外線信號(hào)傳送在某些領(lǐng)域仍然具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，這種優(yōu)勢(shì)也許恰恰彌補(bǔ)了無(wú)線傳輸?shù)牟蛔阒帯?022/7/275.2.5近場(chǎng)通信技術(shù)1

48、、概述 近場(chǎng)無(wú)線通信NFC（Near Field Communication，NFC）是一種短距離的高頻無(wú)線通信技術(shù)，允許電子設(shè)備之間進(jìn)行非接觸式點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸（在10厘米內(nèi)）交換數(shù)據(jù)。 2022/7/27 NFC 技術(shù)由非接觸式射頻識(shí)別（RFID）演變而來(lái)，并向下兼容RFID，最早由飛利浦（Philips）公司、若基亞（Nokia）公司和索尼（song）公司共同開發(fā)的。NFC是一種非接觸式識(shí)別和互聯(lián)技術(shù)，可以在移動(dòng)設(shè)備、消費(fèi)類電子產(chǎn)品、PC 和智能控件工具間進(jìn)行近距離無(wú)線通信。2022/7/27 NFC 提供了一種簡(jiǎn)單、非觸控式的解決方案，可以讓消費(fèi)者簡(jiǎn)單直觀地交換信息、訪問(wèn)內(nèi)容與服務(wù)。由于

49、近場(chǎng)通信具有天然的安全性，因此，NFC技術(shù)被認(rèn)為在手機(jī)支付等領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用前景。 2022/7/27 NFC 將非接觸讀卡器、非接觸卡和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（Peer-to-Peer）功能整合在一塊單芯片中。它是一個(gè)開放接口平臺(tái)，可以對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行快速、主動(dòng)設(shè)置，也是虛擬連接器，服務(wù)于現(xiàn)有蜂窩狀網(wǎng)絡(luò)、藍(lán)牙和無(wú)線802.11設(shè)備。 NFC和RFID不同，NFC采用了雙向的識(shí)別和連接。在20cm距離內(nèi)工作于13.56MHz頻率范圍。2022/7/27 NFC最初僅僅是遙控識(shí)別和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的合并，但現(xiàn)在已發(fā)展成無(wú)線連接技術(shù)。它能快速自動(dòng)地建立無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，為蜂窩設(shè)備、藍(lán)牙設(shè)備、Wi-Fi設(shè)備提供一個(gè)“虛擬連接”，使

50、電子設(shè)備可以在短距離范圍進(jìn)行通信。 2022/7/27 通過(guò)NFC，可實(shí)現(xiàn)多個(gè)設(shè)備（如，數(shù)碼相機(jī)、PDA、機(jī)頂盒、電腦、手機(jī)等）之間的無(wú)線互連，彼此交換數(shù)據(jù)式服務(wù)。與藍(lán)牙等短距離無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)不同的是，NFC的作用距離進(jìn)一步縮短且不像藍(lán)牙那樣需要有對(duì)應(yīng)的加密設(shè)備。2022/7/272、技術(shù)特點(diǎn) NFC與其它近距離通信技術(shù)相比，NFC具有鮮明的特點(diǎn)，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。 1）距離近、能耗低，由于NFC采取了獨(dú)特的信號(hào)衰減技術(shù)，通信距離不超過(guò)20cm，所以能耗相對(duì)較低。 2）NFC更具安全性，NFC是一種能夠提供安全、快捷通信的無(wú)線連接技術(shù)。NFC是一種私密通信方式，加上其距離近、射頻范圍小的特

51、點(diǎn)，其通信更加安全。 2022/7/27 3）NFC與現(xiàn)有非接觸智能卡技術(shù)兼容，NFC標(biāo)準(zhǔn)目前已經(jīng)成為得到越來(lái)越多主要廠商支持的正式標(biāo)準(zhǔn)，很多非接觸智能卡都能夠與NFC技術(shù)相兼容。 4）傳輸速率較低，NFC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了數(shù)據(jù)傳輸速率具備了三種傳輸速率，最高的僅為424kb/s，傳輸速率相對(duì)較低，不適合諸如音視頻流等需要較高帶寬的應(yīng)用。 2022/7/273、NFC技術(shù)原理 NFC的設(shè)備可以在主動(dòng)或被動(dòng)模式下交換數(shù)據(jù)。在被動(dòng)模式下，啟動(dòng)NFC通信的設(shè)備，也稱為NFC發(fā)起設(shè)備(主設(shè)備)，在整個(gè)通信過(guò)程中提供射頻場(chǎng)。它可以選擇106kbps、212kbps或424kbps其中一種傳輸速度，將數(shù)據(jù)發(fā)送到另

52、一臺(tái)設(shè)備。2022/7/27 另一臺(tái)設(shè)備稱為NFC目標(biāo)設(shè)備(從設(shè)備)，不必產(chǎn)生射頻場(chǎng)，而使用負(fù)載調(diào)制（load modulation）技術(shù)，即可以相同的速度將數(shù)據(jù)傳回發(fā)起設(shè)備。 移動(dòng)設(shè)備主要以被動(dòng)模式操作，可以大幅降低功耗，并延長(zhǎng)電池壽命。電池電量較低的設(shè)備可以要求以被動(dòng)模式充當(dāng)目標(biāo)設(shè)備，而不是發(fā)起設(shè)備。 2022/7/274、技術(shù)優(yōu)勢(shì) NFC是一種近距離連接協(xié)議，它是一種近距離的私密通信方式，具有距離近、帶寬高、能耗低等特點(diǎn)，它與現(xiàn)有非接觸智能卡技術(shù)兼容。NFC還優(yōu)于紅外和藍(lán)牙傳輸方式。 NFC技術(shù)支持多種應(yīng)用，包括移動(dòng)支付與交易、對(duì)等式通信及移動(dòng)中信息訪問(wèn)等，它在門禁、公交、手機(jī)支付等領(lǐng)域

53、內(nèi)發(fā)揮著巨大的作用，2022/7/275、NFC的商用應(yīng)用 NFC有以下三種應(yīng)用類型。1）設(shè)備連接，除了無(wú)線局域網(wǎng)，NFC也可以簡(jiǎn)化藍(lán)牙連接。比如，手提電腦用戶如果想在機(jī)場(chǎng)上網(wǎng)，他只需要走近一個(gè)Wi-Fi熱點(diǎn)即可實(shí)現(xiàn)。2022/7/272）實(shí)時(shí)預(yù)定，飛利浦和諾基亞對(duì)于NFC的這種應(yīng)用抱有非常樂觀的態(tài)度。比如，海報(bào)或展覽信息背后貼有特定芯片，利用含NFC協(xié)議的手機(jī)或PDA，便能取得詳細(xì)信息，或是立即聯(lián)機(jī)使用信用卡進(jìn)行票卷購(gòu)買。而且，這些芯片無(wú)需獨(dú)立的能源。 2022/7/27 3）移動(dòng)商務(wù)，前面所描述的非接觸智能卡在交易中的應(yīng)用就是一個(gè)很好的例子，而且諾基亞已經(jīng)在香港和奧蘭多成功進(jìn)行過(guò)類似的商業(yè)

54、實(shí)驗(yàn)。 典型應(yīng)用有門禁控制或車票、電影院門票售賣等，使用者只需攜帶儲(chǔ)存有票證或門控代碼的設(shè)備靠近讀取設(shè)備即可。它還能夠作為簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)獲取應(yīng)用，公交車站站點(diǎn)信息、公園地圖信息等。 目前，Nokia 3220手機(jī)已集成了NFC技術(shù)，可以用作電子車票，還可在當(dāng)?shù)亓闶鄣旰吐糜尉包c(diǎn)作為折扣忠誠(chéng)卡使用。2022/7/275.2.6家庭射頻(HomeRF)1、家庭射頻概念 家庭射頻是由HomeRF工作組開發(fā)的，它是在家庭區(qū)域范圍內(nèi)的計(jì)算機(jī)和電子設(shè)各之間實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)字通信的開放性工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，它為家庭用戶建立具有互操作性的音頻和數(shù)據(jù)通信網(wǎng)帶來(lái)了便利。2022/7/272、家庭射頻頻段 HomeRF是IEEE 802

55、.11與數(shù)字增強(qiáng)無(wú)繩電話（Digital Enhanced Cordless Telephone，DECT）的結(jié)合。HorneRF工作在開放的2.46Hz頻段，采用跳頻擴(kuò)頻技術(shù)，跳頻速率為50跳/秒 ，共有75個(gè)帶寬為1MHz的跳頻信道，室內(nèi)覆蓋范圍約45m，調(diào)制方式為恒定包絡(luò)的FSK調(diào)制，且分為2FSK與4FSK兩種，采用FSK調(diào)制可以有效抑制無(wú)線通信環(huán)境下的干擾和衰落。 2022/7/27 在2FSK方式下，最大的數(shù)據(jù)傳輸速率為1Mbps ；在4FSK方式下，速率可達(dá)2Mbps。在新的HomeRF 2.X標(biāo)準(zhǔn)中，采用了寬帶跳頻（Wide Band FrequencyHopping，WBFH

56、）技術(shù)來(lái)增加跳頻帶寬，由原來(lái)的1MHz跳頻信道增加到3MHz和5MHz，跳頻的速率也提高到75跳/秒 ，數(shù)據(jù)傳輸速率峰值達(dá)10Mbps。2022/7/273、家庭射頻通信協(xié)議 HomeRF是對(duì)現(xiàn)有無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)的綜合和改進(jìn)。HomeRF把共享無(wú)線接入?yún)f(xié)議（SWAP）作為網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)指標(biāo)，當(dāng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時(shí)，采用簡(jiǎn)化的IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)，沿用類似于以太網(wǎng)技術(shù)中的載波監(jiān)聽多路訪問(wèn)沖突避免（Carrier SenseMultiple Access with Collision Aviodance，CSMACA）方式； 2022/7/27 當(dāng)進(jìn)行語(yǔ)音通信時(shí)，則采用DECT無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)，使用TDMA技

57、術(shù)。HomeRF對(duì)流媒體提供了真正意義上的支持，其規(guī)定了高級(jí)別的優(yōu)先權(quán)并采用了帶有優(yōu)先權(quán)的重發(fā)機(jī)制，這樣就滿足了播放流媒體所需的高帶寬、低干擾、低誤碼要求。2022/7/274、家庭射頻應(yīng)用前景 目前HomeRF技術(shù)僅獲得了少數(shù)公司的支持，并且由于在抗干擾能力等方面與其他技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)相比仍存在不少缺陷，這些使HomeRF技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展前景受到限制，再加上這一標(biāo)準(zhǔn)推出后，市場(chǎng)策略定位不準(zhǔn)、后續(xù)研發(fā)與技術(shù)升級(jí)進(jìn)展遲緩。 2022/7/27 從2000年之后，HomeRF技術(shù)開始走下坡路，2001年HomeRF的普及率降至30，逐漸喪失市場(chǎng)份額。尤其是芯片制造巨頭英特爾公司決定在其面向家庭無(wú)線網(wǎng)絡(luò)市場(chǎng)

58、的AnyPoint產(chǎn)品系列中增加對(duì)IEEE 802.11b標(biāo)準(zhǔn)的支持后，HomeRF的發(fā)展前景比較不樂觀，HomeRF很難沖出家庭應(yīng)用的限制。2022/7/275.3 無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）5.3.1無(wú)線局域網(wǎng)概述 1、無(wú)線局域網(wǎng)定義 無(wú)線局域網(wǎng)（Wireless Local Area Network，WLAN）是利用無(wú)線通信技術(shù)在一定的局部范圍內(nèi)建立的網(wǎng)絡(luò)，是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與無(wú)線通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它以無(wú)線多址信道作為傳輸媒介，提供傳統(tǒng)有線局域網(wǎng)LAN的功能，能夠使用戶真正實(shí)現(xiàn)隨時(shí)、隨地、隨意的寬帶網(wǎng)絡(luò)接入。2022/7/27 WPAN（無(wú)線個(gè)人局域網(wǎng)） 是以個(gè)人為中心來(lái)使用的無(wú)線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)，

59、它實(shí)際上就是一個(gè)低功率、小范圍、低速率和低價(jià)格的電纜替代技術(shù)。但WLAN卻是同時(shí)為許多用戶服務(wù)的無(wú)線局域網(wǎng)，它是一個(gè)大功率、中等范圍、高速率的局域網(wǎng)。 無(wú)線局域網(wǎng)使用無(wú)線連接把分布在數(shù)公里范圍內(nèi)的不同物理位置的計(jì)算機(jī)設(shè)備連在一起，在網(wǎng)絡(luò)軟件的支持下可以相互通信和資源共享。2022/7/272、無(wú)線局域網(wǎng)優(yōu)勢(shì)無(wú)線局域網(wǎng)的主要優(yōu)勢(shì)有如下幾點(diǎn)。1）安裝便捷2）使用靈活3）經(jīng)濟(jì)節(jié)約4）易于擴(kuò)展2022/7/273、無(wú)線局域網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域1）接入網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)2）難以布線的環(huán)境3）頻繁變化的環(huán)境4）使用便攜式計(jì)算機(jī)等可移動(dòng)設(shè)備進(jìn)行快速網(wǎng)絡(luò)連接；2022/7/275）用于遠(yuǎn)距離信息的傳輸6）專門工程或高峰時(shí)間所

60、需的暫時(shí)局域網(wǎng)7）流動(dòng)工作者可得到信息的區(qū)域8）辦公室和家庭辦公室用戶，以及需要方便快捷地安裝小型網(wǎng)絡(luò)的用戶。 2022/7/275.3.2無(wú)線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn) 以IEEE 802.11協(xié)議為基礎(chǔ)的無(wú)線局域網(wǎng)在標(biāo)準(zhǔn)之爭(zhēng)中脫穎而出，成為目前事實(shí)上占主導(dǎo)地位的無(wú)線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。1990年IEEE 802標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)成立IEEE 802.11無(wú)線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)工作組，主要研究工作在2.4 GHz開放頻段的無(wú)線設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的全球標(biāo)準(zhǔn)。1997年6月，提出IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)，別名為Wi-Fi，Wireless Fidelity，無(wú)線保真。我們常說(shuō)的“WLAN”指的就是符合802.11系列協(xié)議的無(wú)線局域網(wǎng)技