物联网通信主要包括哪些技术（通信原理物联网通信技术简介）

物联网是融合传感器、通信、嵌入式系统、网络等多个技术领域的新兴产业，是继计算机、互联网和移动通信之后信息产业的又一次革命性发展。物联网旨在达成设备间相互联通，实现局域网范围内的物品智能化识别和管理，其中通信技术是物联网系统中的核心和关键技术。物联网中所采用的通信技术以承载数据为主，是当今计算机领域发展最快、应用最广和最前沿的通信技术。

1 物联网通信技术概述

物联网是新一代信息技术的重要组成部分，也是“信息化”时代的重要发展阶段。其英文名称是：“Internet of things（IoT）”。顾名思义，物联网就是物物相连的互联网。

物联网通信是继计算机、互联网与移动通信网之后世界信息产业的第三次浪潮。目前世界上有多个国家花巨资深入研究探索物联网通信，中国与德国、美国、英国等国家一起，成为国际标准制定的主导国之一。

国际电信联盟报告提出，物联网通信的关键性应用技术包括 RFID、传感器、智能技术（如智能家庭和智能汽车）等，另外物联网的技术还包括嵌入式系统、无线传感器网络、遥感、人工智能和4G/5G通信等。

1.1 物联网通信的产生和发展

物联网的概念最早提出于1999 年，定义为Internet of Things（IoT，物与物之间的互联），即把所有物品通过射频识别和条码等信息传感设备与网络连接起来，实现智能化识别和管理。通过把短距离的移动收发器嵌入各种器件和日常用品之中，物联网将创建出全新形式的通信。

2005年11月17日，在突尼斯举行的信息社会世界峰会（WSIS）上，国际电信联盟（International Telecommunication Union，ITU）发布《ITU互联网报告2005：物联网》，引用了“物联网”的概念。国际电联政策与战略研部主任劳拉·斯里瓦斯塔瓦说：“我们现在站在一个新的通信时代的入口处，在这个时中，我们所知道的因特网将会发生根本性的变化。因特网是人们之间通信的一种前所未有的手段，现在因特网又能把人与所有的物体连接起来，还能把物体与物体连接起来。”

在中国，物联网开始向“感知中国”起跑，物联网的概念已经是一个“中国制造”的概念，其覆盖范围与时俱进。截至 2010年，国家发改委、工信部等部委正在会同有关部门，在新一代信息技术方面开展研究，以形成支持新一代信息技术的一些新政策措施，从而推动中国经济的发展。

1.2 物联网通信系统

物联网通信作为一种新兴的信息技术，是在现有的信息技术、通信技术、自动化控制技术等基础上的融合与创新。而相关通信技术的不断更新，使物联网真正能够继计算机、互联网而成为新的信息技术革命，打破了之前的传统思维。

物联网体系结构物联网是一个庞大、复杂和综合的信息集成系统，尽管在智能工业、智能交通、环境保护、公共管理、智能家庭、医疗保健等经济和社会各个领域的应用特点千差万别，但是每个应用的基本架构都包括感知层、传输层和应用层三个层次，如图8-1所示。

• 感知层感知层解决的是人类世界和物理世界的数据获取问题，由各种传感器以及传感器网关构成。该层被认为是物联网的核心层，主要是实现物品标识和信息的智能采集，由基本的感应器件（例如RFID标签和读写器、各类传感器和摄像头等基本标识和传感器件）以及由感应器组成的网络（例如RFID网络和传感器网络等）两大部组成。该层的核心技术包括射频技术、新兴传感技术、无线网络组网技术和现场总线等，涉及的核心产品包括传感器、电子标签、传感器节点、无线路由器和无线关等。
• 网络层网络层将来自感知层的信息通过各种承载网络传送到应用层，承载网络可以是现有的各种公用和专用通信网络，目前主要有移动通信网、固定通信网、互联网等。
• 应用层应用层也可称为处理层，解决的是信息处理和人机界面的问题。网络层传输而来的数据在这一层里进入各类信息系统进行处理，并通过各种设备与人进行交互。应用层由业务支撑平台、网络管理平台、信息处理平台、信息安全平台和服务支撑平台等组成，完成协同管理、计算存储、分析挖掘以及提供面向行业和大众用户的服务等功能。该层中采用的典型技术包括中间件技术、虚拟技术、高可信技术、云计算服务模式等。

物联网通信系统物联网通信系统主要包括感知层通信和网络层的核心承载网通信两方面，其中感知层采用的通信技术主要是短距离通信技术。核心承载网主要包括感知层网络与传输网络之间的互联通信技术和电信传输网络自身的通信技术。

• 感知层通信技术感知层通信的目的是将各种传感设备所感应的信息在较短的通信距离内传送到信息汇聚系统，并由该系统传送到网络层。该层通信的特点是传输距离近，传输方式灵活多样。常见的感知控制层传输通信技术有RFID射频识别、蓝牙、ZigBee和Wi-Fi技术等。RFID射频识别技术是一种非接触式的自动识别技术。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、笔记本电脑、相关外设等众多设备之间进行无线信息交换。ZigBee 技术采用DSSS（直接序列扩频）技术调制发射，是基于IEEE 802.15.4标准的低功耗局域网协议，是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通信技术。Wi-Fi是一种短程无线传输技术，最高带宽为11Mb/s，在信号较弱或有干扰的情况下，带宽可调整为5Mb/s、2Mb/s和1Mb/s。
• 网络层通信技术网络层通信是由数据通信主机、网络交换机和路由器等构成的，在数据传送网络支撑下的计算机通信系统。网络层通信系统支持计算机通信系统的数据传送网，可由公众固定网、公众移动通信网、公众数据网及其他专用传送网构成。主要采用的通信技术有LoRa（Long Range，长距离）、NB-IoT（Narrow Band Internet of Things，窄带物联网）和LTE（Long Term Evolution，长期演进）等。在上述各种网络层通信技术中，LoRa是一种基于1GHz技术的无线传感器网络，传输距离远，易于建设和部署，功耗和成本低，适合进行大范围数据采集。NB-IoT构建于蜂窝网络，可直接部署于GSM、UMTS或LTE网络，覆盖范围广、功耗极低，由运营商提供连接服务。LTE采用FDD和TFF技术，其特点是传输速度快、容量大、覆盖范围广、移动性好，有一定的空间定位功能。

2 RFID技术

射频识别（RFID，Radio Frequency Identification） 技术是一种利用射频信号在空间耦合实现无接触的信息传输，并通过所传输的信息自动识别目标对象的技术。RFID系统通常由电子标签（RFID标签）和阅读器组成。阅读器又称为读写器，可非接触地读取并识别电子标签中所保存的电子数据，从而达到自动识别物体的目的。

• RFID是物联网的基础，RFID系统如同物联网的触角，使得自动识别物联网中的每一个物体成为可能。
• RFID是一种非接触式的自动识别技术，识别目标过程中无须人工干预，可工作于各种恶劣环境，可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便。

2.1 RFID系统的组成

电子标签电子标签是指由IC芯片和无线通信天线组成的超微型芯片，其内置的射频天线用于和读写器进行通信。电子标签也是RFID系统的数据载体。电子标签芯片的内部结构主要包括射频接口、存储单元和逻辑控制单元，如图8-3所示。其中，射频接口主要包括调制器、解调器和电压调节器。

• 电子标签内各模块的功能如下：天线：用来接收由阅读器发送来的信号，并把要求的数据回送给阅读器；电压调节器：把由阅读器送来的射频信号转换为直流电源，由大电容储存，经稳压电路以提供稳定的电源；调制器：逻辑控制电路送出的数据经调制电路调制后加载到天线发送给阅读器；解调器：去除载波以取出真正的调制信号；逻辑控制单元：用于译码阅读器送来的信号，并依其要求回送数据给阅读器；存储单元：包括EEPROM与ROM，作为系统运行及存放识别数据的位置。
• 根据工作模式，电子标签可以分为主动式和被动式。主动式电子标签依靠自身的能量主动向 RFID读写器发送数据；被动式电子标签从 RFID读写器发送的电磁波中获取能量，激活后才能够向 RFID读写器发送数据。
• 根据工作频率的不同，电子标签可以分为低频、中高频、超高频与微博电子标签等。其中低频电子标签工作频率为30~300kHz，典型工作频率为125kHz与133kHz。中频电子标签工作频率为3~30MHz，典型工作频率为13.56MHz，采用电感遇合方式工作。超高频与微波频段的电子标签，简称为微波电子标签，典型工作频率为860～960MHz、2.45GHz与5.8GHz。

读写器读写器主要完成与电子标签和计算机之间的通信，对读写器与电子标签之间传送的数据进行编码、解码、加密和解密等，是RFID系统信息控制和处理中心。读写器内部主要包括射频模块和数字信号处理单元两部分。读写器的频率决定了 RFID系统工作的频段，其功率决定了RFID的有效距离。RFID读写器结构如图8-4所示。RFID标签返回的微弱电磁信号通过天线进入读写器的射频模块中转换为数字信号，再经过读写器的数字信号处理单元对其进行必要的加工整形，最后从中解调出返回的信息，完成对RFID标签的识别或读/写操作。

• 射频接口射频接口有两个分隔开的信号通道，分别用于电子标签和读写器两个方向的数据传输。射频接口模块的主要功能是：产生高频发射能量，激活电子标签并为其提供能量；对发射信号进行调制，将数据传输给电子标签；接收并调制来自电子标签的射频信号。
• 逻辑控制单元逻辑控制单元也称为读写模块，其主要功能是：与应用系统软件进行通信，并执行从应用系统软件发来的指令；控制读写器与电子标签的通信过程；信号的编码与解码；对读写器和电子标签之间传输的数据进行加密和解密；执行防碰撞算法；对读写器和电子标签的身份进行验证。
• 读写器天线在RFID系统中，读写器必须通过天线来发射能量，形成电磁场，通过电磁场对电子标签进行识别。读写器上的天线所形成的电磁场范围就是读写器的可读区域。

中间件RFID中间件是RFID读写器和应用系统之间的中介，是实现RFID硬件设备与应用系统之间数据传输、过滤、数据格式转换的一种中间程序。

使用RFID中间件主要有三个目的——隔离应用层与设备接口；处理读写器与传感器捕获的原始数据；提供应用层接口用于管理读写器、查询RFID观测数据。

大多数RFID中间件由以下三部分组成：读写器适配器程序提供一种抽象的应用接口，来消除不同读写器与API之间的差别。事件管理器用于过滤事件。过滤有两种类型：一是基于读写器的过滤；二是基于标签和数据的过滤。提供这种事件过滤的组件就是事件管理器。应用程序接口的作用是提供一个基于标准的服务接口。这是一个面向服务的接口，即应用程序层接口，它为RFID数据的收集提供应用程序层语义。

2.2 RFID系统的工作原理

从工作原理的角度看，RFID系统可以认为都由信号发射机、信号接收机、发射接收天线组成，其基本原理是利用射频信号的空间耦合（电磁感应或电磁传播）传输特性，实现对静止的、移动的待识别物品的自动识别，如图8-5所示。

读写器通过发射天线发送特定频率的射频信号，进入读写器有效工作区域的电子标签接收到该射频信号，利用射频信号的空间耦合（电磁感应或电磁传播）在其内部产生感应电流。

电子标签获得能量被激活，从而驱动无源电子标签电路将存储在芯片中的信息进行调制后，通过内置射频天线发送出去。有源电子标签则主动发送某一频率的调制信号。

读写器的接收天线接收到从电子标签发送过来的调制信号，经天线调节器传送到信号处理模块进行解调和解码，然后将经解调和解码后的有效信号送至后台信息处理系统，随后由相关的应用程序对接收到的信息进行处理。信息处理系统根据逻辑运算识别该电子标签的身份，针对不同的设定做出相应的处理和控制，最终发出指令信号控制读写器完成不同的读写操作。

电磁耦合与能量传输

RFID技术利用无线射频方式，标签与读写器之间通过耦合元件实现射频信号的非接触的空间耦合。在耦合通道内，根据时序关系，实现能量的传递和数据的交换。在读写器和标签之间进行非接触双向数据传输，以达到目标识别和数据交换的目的。

根据读写器与标签之间的通信和能量感应的方式，耦合方式可以分为电感耦合和电磁反向散射耦合两种。

• 电感耦合方式一般适合于中低频工作的近距离RFID系统，典型的工作频率为125kHz、225kHz和13.56MHz，识别作用距离小于1m，典型作用距离为10～20cm。
• 电磁反向散射耦合方式一般适合于超高频、微波工作的远距离RFID系统，典型的工作频率为433MHz、915MHz、2.45GHz和5.8GHz，识别作用距离大于1m，典型作用距离为3～l0m。

数据传输原理电感耦合式系统中的数据传输方式是负载调制方式，其原理就是通过控制电子标签天线上负载的通断来改变读写器天线的电压，从而实现对天线电压的幅度调制，如图8-6（a）所示。

电磁反向散射耦合式RFID系统是以雷达技术为RFID的反向散射耦合方式，其数据原理如图8-6（b）所示。雷达天线发射到空间中的电磁波会碰到不同的目标，到达目标以后，一部分低频电磁波能量将被目标吸收，另一部分高频能量将以不同强度散射到各个方向，其中，反射回发射天线（发射天线也是接收天线）的部分称为回波，回波中带有目标信息，可供雷达设备获知目标的距离和方位等。

从读写器到电子标签方向的数据传输过程中，所有已知的数字调制方式都可以采用，而且与工作频率和耦合方式无关。为了简化电子标签的设计和降低成本，大多采用ASK调制方式。传输的数据一般需要进行编码，以便对传输的数据进行加密。常用的数据编码方式有反向非归零码、数字双相码、差动双向编码、密勒码、单极性归零码、差动编码等方式。

2.3 RFID的典型应用

RFID技术是物联网关键技术之一，RFID技术应用是物联网的主要应用领域，被广泛应用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理等众多领域。

例如，物流过程中物流追踪、信息自动采集、仓储应用、港口应用、快递，商品的销售数据实时统计、补货、防盗，生产数据的实时监控、质量追踪、自动化生产等。

• 低频电子标签一般为无源电子标签，其工作能量通过电感耦合方式从读写器耦合线圈的辐射近场中获得。低频电子标签与读写器之间传送数据时，低频电子标签需要位于读写器天线辐射的近场区内。低频电子标签的阅读距离一般情况下小于1m。低频电子标签的典型应用有：动物识别、容器识别、工具识别、电子闭锁防盗（带有内置应答器的汽车钥匙）等。
• 中高频段电子标签的工作原理与低频电子标签完全相同，即采用电感耦合方式工作，所以宜将其归为低频电子标签类中。另一方面，根据无线电频率的一般划分，其工作频段又称为高频，所以也常将其称为高频电子标签。为了便于叙述，将其称为中频电子标签。
• 超高频与微波频段的RFID电子标签简称为微波电子标签，其典型工作频率有433.92MHz、862（902）~928MHz、2.45GHz、5.8GHz。超高频电子标签主要用于铁路车辆自动识别、集装箱识别，还可用于公路车辆识别与自动收费系统中。

3 ZigBee技术

ZigBee是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通信技术。ZigBee技术主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据的传输应用。目前在全球 ZigBee 联盟拥有成员超过400家，其中深圳华为、南京物联、中国电子工业标准化研究所等都是ZigBee联盟中比较知名的会员企业。

3.1 ZigBee技术的特点及应用

简单而言，ZigBee是一种无线自组网技术标准，ZigBee技术有自己的无线电标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现网络通信。

• 这些传感器只需要很低的功耗，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，因此通信效率非常高。与同类通信技术相比，ZigBee技术具有如下特点：（1）数据传输速率低。ZigBee网络的数据传输速率在20~250kb/s。例如在频率为2.4GHz、915MHz和868MHz波段，传输速率分别为250kb/s、40kb/s和20kb/s。（2）网络容量大。ZigBee网络中一个主节点最多可管理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个节点的大网。（3）功耗低。由于ZigBee的传输速率低，其发射功率仅为1mW，而且又采用了休眠模式使其具有较低功耗，因此ZigBee设备非常省电。（4）安全可靠。ZigBee网络提供了数据包完整性检查功能，并采用了AES-128加密算法和碰撞避免策略。此外，ZigBee技术还采用了完全确认的数据传输模式，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息，如果传输过程中出现问题可以进行重发。（5）网络速度快、时延短。ZigBee网络的通信时延以及从休眠状态激活的时延都非常短，典型的搜索设备时延为30ms，休眠激活的时延是15ms，活动设备信道接入的时延为15ms。因此ZigBee技术适用于对时延要求苛刻的无线控制应用。

ZigBee技术适合于承载数据流量较小的业务，能为低能耗的简单设备提供有效覆盖范围在数十米左右的低速连接。若需组建的网络中设备成本很低，传输的数据量小，或者网络中不方便放置较大的电源模块，或者网络中只能使用一次性电池，则可以考虑使用ZigBee技术。

3.2 ZigBee协议

ZigBee协议是基于标准的开放式系统互连参考模型OSI设计，共包括物理层PHY、数据链路层、网络层NWK和应用层APL这4个层次，各层以栈的形式表示其相互关系，通常称为协议栈。图8-7为ZigBee协议栈的层次结构模型，其中物理层和数据链路层由IEEE802.15.4标准定义，网络层和应用层标准由ZigBee联盟制定。

物理层物理层通过射频固件和射频硬件提供了一个从MAC（介质接入控制）层到物理层无线信道的接口，其任务是通过无线信道进行安全、有效的数据通信，为MAC层提供服务，对数字信号进行编码并调制到高频载波上辐射出去。图8-8为物理层的频段及信道规定。IEEE802.15.4标准中定义了两个信道，分别是868/915MHz和2.4GHz。

数据链路层IEEE802系列标准将数据链路层分为逻辑链路控制（LLC）子层和MAC子层。LLC子层在IEEE802.6标准中定义，为802标准系列所共用，实现数据包的分段、重组，并确保数据包按顺序传输。MAC子层协议依赖于各自的物理层，为两个ZigBee设备的MAC层实体之间提供可靠的数据链路。

网络层网络层的主要功能是生成网络协议数据单元、指定拓扑传输路由、网络发现和网络形成、设备连接允许、路由器初始化和设备同网络的连接等。网络层是ZigBee协议栈的核心部分。为实现与应用层的通信，网络层定义了网络层数据实体（NLDE）和网络管理实体（NLME）。NLDE通过服务接入点提供数据传输服务，NLME则通过服务接入点提供网络管理服务，并完成对网络信息库的维护和管理。

应用层应用层由应用支持子层（APS）、厂商定义的应用对象（AF）和ZigBee设备对象（ZDO）三部分构成，除了为网络层提供必要的服务接口和函数外，还允许用户自定义应用对象。ZigBee协议栈由各层定义的协议组成，以函数库的形式实现，为编程人员提供应用层 API。ZigBee协议栈的具体实现有很多版本，其中TI公司的Z-Stack协议栈已经成为ZigBee联盟认可并推广的指定软件规范，全球众多ZigBee开发商都广泛采用该协议栈。Z-Stack协议栈属于半开源，程序代码以库的形式体现，在实际应用中底层驱动的程序基本不需要修改，只需要调用 API函数即可。

3.3 ZigBee网络的拓扑结构

ZigBee技术具有强大的组网能力，基于ZigBee技术的无线传感器网络适用于网点多、积小、数据量小、传输可靠、低功耗等场合。ZigBee网络可以是星型、树型和网状网络，具体由ZigBee协议栈的网络层来管理。

设备类型ZigBee网络中包括两种无线设备，即全功能设备FFD（Full-Function Device）和精简设备RFD（Reduced-Function Device）。FFD具备控制器的功能，可设置网络。FFD可以与FFD和RFD通信，而RFD设备只能和FFD设备通信，RFD之间需要通信时只能通过FFD转发。FFD设备不仅可以发送和接收数据，还具备路由器的功能。RFD设备的应用相对简单，例如在无线传感器网络中，只负责将采集的数据信息发送给协调器，并不具备数据转发、路由发现和路由维护等功能，采用极少的存储容量就可实现。因此，相对于FFD，RFD设备具有较低的成本。

节点类型在网络配置上，ZigBee网络中有三种类型的节点，分别是ZigBee协调器节点、ZigBee路由器节点和ZigBee终端节点。

• ZigBee协调器节点ZigBee协调器节点也称作PAN协调器节点，在无线传感器网络中可以作为汇聚节点。协调器节点必须是FFD设备，而且在一个ZigBee 网络中只能有一个ZigBee协调器节点。相对于网络中的其他节点，协调器节点功能更强大，是整个网络的主控节点，主要负责发起建立新的网络，设定网络参数，管理网络中的节点以及存储网络中的节点信息等。网络建立后也可以执行路由器的功能。
• ZigBee路由器节点ZigBee路由器节点也必须是FFD设备，可以参与路由发现、消息转发、通过连接其他节点来扩展网络的覆盖范围等。此外，ZigBee路由器节点还可以在操作空间中充当普通协调器节点。
• ZigBee终端节点ZigBee终端节点可以是FFD设备或者RFD设备，通过ZigBee协调器节点或者ZigBee路由器节点连接到网络，不允许其他任何节点通过终端节点加入网络。ZigBee终端节点能够以非常低的功率运行。

ZigBee网络的拓扑结构ZigBee网络层主要支持3种拓扑结构，即星状结构、树状结构和网状结构。

• 星型结构星型结构是一种最简单的一种拓扑形式，其中包含一个协调器结点和一系列的终端节点。协调器位于网络的中心，负责建立和维护整个网络。其他的节点一般为RFD，也可以为FFD，分布在协调器节点的覆盖范围内，直接与协调器节点进行通信。
• 树型结构树型拓扑结构由星型网络连接而成，通过多个星型网络的连接以扩大网络的覆盖范围。树型网络中枝干末端的叶子结点一般为RFD，协调器节点和路由器节点可包含子节点，而终端设备不能有子节点。
• 网状结构网状结构是三种拓扑结构中最复杂的一种，这种网络一般由若干个FFD连接在一起组成骨干网，网络中的节点都具有路由功能，且采用点对点的连接方式。网络中的节点可以和网络覆盖范围内的邻居节点直接通信，而且可以通过中间节点的转发，经由多条路径将数据发送给覆盖范围之外的节点。

4 蓝牙通信技术

蓝牙（BlueTooth）作为一种短距离无线通信技术，具有低成本、低功耗、组网简单和适于语音通信等优点。最初设计的主要目的是取代设备之间通信的有线连接，以便实现移动终端与移动终端、移动终端与固定终端之间的通信设备以无线方式连接起来。蓝牙技术从诞生发展至今，已经经历了从V1.0到V5.0的5代版本。2016年，蓝牙特殊利益集团SIG（Special Interest Group）在原有基础上进一步改善并推出了蓝牙标准V5.0。该版本主要集中在以蓝牙低功耗为首的物联网布局，包括使蓝牙低功耗的传输距离提高4倍，传输速率提升至2Mb/s。

4.1 蓝牙协议

与ZigBee一样，蓝牙协议采用分层结构，遵循开放系统互连参考模型。蓝牙协议栈将蓝牙规范分为两部分，即硬件实现和软件实现，软件实现又包括中间协议层和高端应用层。在具体应用中，硬件实现和软件实现是分别设计的，两者的执行过程也是分离的，这使得二者的生产厂家都可以得到最大程度的产品互补，降低软硬件开发之间的相互影响。音通信等驱动。

按照逻辑功能，蓝牙协议栈又可以分为底层硬件模块、中间协议和高端应用协议三个部分。

• 底层硬件模块是蓝牙技术的核心，从底层到上层主要由蓝牙主机控制器接口、链路管理协议、基带以及蓝牙天线收发器等组成。任何具有蓝牙功能的设备都必须包含底层硬件模块。
• 中间协议层在蓝牙逻辑链路上工作，为高层应用协议或程序提供必要的支持，为上层应用提供各种不同的标准接口。
• 高端应用层位于蓝牙协议栈的最上部分，是由选用协议层组成的。该层是指那些位于蓝牙协议堆栈之上的应用软件和其中所涉及的协议，即蓝牙应用程序，由开发上层各种通信诸如拨号上网和语音通信等驱动。

底层硬件模块底层硬件模块传输协议的作用是使蓝牙设备间能够相互确认对方的位置，并建立和管理蓝牙设备间的物理链路和逻辑链路。这部分传输协议可以再划分为高层和低层两部分。

• （1）高层传输协议高层传输协议由逻辑链路控制与适配协议和主机控制器接口组成。这部分高层应用程序能将跳频序列选择等低层传输操作屏蔽，也能为高层应用传输提供更加有效、利于实现的数据分组格式。
• （2）低层传输协议低层传输协议主要周绕蓝牙设备的物理和逻辑链路中语音以及数据无线传输的物理实现等方面，具体包括射频部分、基带及链路控制器和链路管理协议组成。

图8-10是单芯片蓝牙硬件模块中的低层传输协议，其中主要包括微处理器CPU、蓝牙无线收发器、蓝牙基带、静态随机存储器SRAM、闪存、通用异步收发器、通用串行接口及蓝牙测试等模块。

蓝牙无线收发器蓝牙无线收发器是蓝牙设备的核心，由锁相环、发送模块和接收模块等组成。蓝牙无线收发器是蓝牙通信的空中接口，采用通断键控技术实现二进制代码序列的调制传输。发送部分包含一个倍频器，通过自适应跳频并且工作在无需授权的2.4GHz的ISM波段来实现数据信息的过滤和传输。为减少其他设备的干扰，我国规定蓝牙设备的工作频率为2.402 ~ 2.483GHz。无线收发器的主要功能是调制/解调、帧定时恢复和跳频，同时实现发送和接收操作。蓝牙协议中规定了无线收发器中所采用的蓝牙射频频段、跳频频率、发射功率、调制方式、接收机灵敏度等参数。

• 蓝牙基带层蓝牙基带层是蓝牙硬件中的关键模块。在发送数据时，将来自高层协议的数据进行信道编码，向下传给蓝牙无线收发器进行发送。在接收数据时，蓝牙无线收发器经过解调恢复接收到的数据，并传给基带模块，基带模块再对数据进行信道解码，并向高层传输。基带层主要实现跳频和数据信息的传输，并提供了两种不同的物理链路，即同步面向连接链路SCO（Synchronous Connection Oriented）和异步无连接链路ACL（Asynchronous Connectionless）。
• CPU和存储器在蓝牙模块中，CPU负责蓝牙比特流调制和解调所有比特级处理，负责控制收发器。闪存存储器用于采访基带和链路管理层中的所有软件。CPU将闪存中的信息放入静态随机存储器SRAM。
• 蓝牙测试模块蓝牙测试模块由被测试模块与测试设备及计量设备组成。通常测试和被测试设备组成一个微微网，主节点是测试设备，从节点是被测试设备。测试设备控制整个测试过程，其主要功能是提供无线层和基带层的认证和一致性规范，且管理产品的生产和售后测试。
• 主机控制器接口主机控制器接口（HCI）目前比较流行的是采用通用异步收发器（UART）或通用串行总线（USB）接口。HCI接收要发送到主机系统或来自主机系统的数据，是蓝牙模块和主机间的软件和硬件接口，对蓝牙模块实现直接控制。

中间协议层

SIG规定在蓝牙协议栈的高层尽量利用已有的成熟协议，还有一些协议是基于其他协议修改而成的，例如串口仿真协议和电话控制协议。串口仿真协议（RFCOMM） 是一个仿真有线链路的无线数据仿真协议，提供了对 RS-232串行接口的仿真，为建立在串口之上的传统应用提供接口环境，符合欧洲典型标准化规定的TS 07.10串口仿真协议，并且针对蓝牙的实际应用情况做了修改。电话控制协议采用面向比特的协议，具有支持电话的功能。该协议包括电话控制协议、AT指令集和音频，定义了蓝牙设备之间与建立语音和数据呼叫相关的控制信令，也可以完成对蓝牙设备组的移动管理。蓝牙电话控制协议规范是蓝牙的电话应用模型的基础。

高端应用层在高端应用层，所有的程序可以完全由开发人员按照自己的需要实现，很多传统的应用层程序不用修改就可直接运行。蓝牙实现与连接因特网的设备通信，主要通过采用或共享这些已有协议。通过共享这些协议，不仅可以提高应用程序的开发效率，还在一定程度上使蓝牙技术和其他通信技术之间的操作得以保证。

4.2 蓝牙网络连接

蓝牙系统采用一种灵活的Ad-Hoc的组网方式，使得一个蓝牙设备可同时与7个其他的蓝牙设备相连接。蓝牙系统采用一种无基站的灵活组网方式，使得一个蓝牙设备可同时与其他多个蓝牙设备相连，这样就形成了蓝牙微微网。

微微网和散射网

微微网（Piconet）是实现蓝牙无线通信的最基本方式，微微网不需要类似于蜂窝网基站和无线局域网接入点之类的基础网络设施。在一个微微网中，所有设备的级别是相同的，具有相同的权限，其中主设备单元负责提供时钟同步信号和跳频序列，从设备单元一般是受控同步的设备单元。图8-12（a）给出了两个独立的微微网。每个微微网中有一个主设备和多个从设备，每个微微网中所有设备级别相同，并具有相同的权限。主设备负责提供时钟同步信号和跳频序列，通过不同的跳频序列来区分各微微网。

在一个微微网中，信道参数都是由主设备进行控制的，主设备通过一定的轮询方式和所有的从设备进行通信。从设备包括激活从设备和闲置从设备。其中，正在通信的从设备称为激活从设备，处于休眠状态的设备称为闲置从设备。闲置从设备不进行实际有效数据的收发，但仍然和主设备保持时钟同步，以便需要时快速加入微微网。散射网（Scatternet）是多个微微网在时空上相互重叠形成的比微微网覆盖范围更大的蓝牙网络，其特点是微微网之间有互连的蓝牙设备，如图8-12（b） 所示。

在散射网中，连接微微网之间的串联装置角色称为桥。桥节点通过不同时隙在不同的微微网之间的转换，实现在各微微网之间的资料传输。蓝牙独特的组网方式赋予了桥节点强大的生命力，同时可以有多个移动蓝牙用户通过一个网络节点与因特网相连。它靠跳频顺序识别每个微微网，同一微微网中所有用户都与这个跳频顺序同步。蓝牙散射网是自组网的一种特例。其最大特点是可以无基站支持，每个移动终端的地位是平等的，并可以独立进行分组转发的决策，建网灵活、多跳性、拓扑结构动态变化和分布式控制是构建蓝牙散射网的基础。

蓝牙设备的状态蓝牙设备在建立连接以前，通过在固定的一个频段内选择跳频频率或由被查询的设备地址决定，迅速交换握手信息时间和地址，快速取得设备的时间和频率同步。建立连接后，设备双方根据信道跳变序列改变频率，使跳频频率呈现随机特性。蓝牙设备主要包括待机和连接两种主状态以及寻呼、寻呼扫描、查询、查询扫描、主响应、从响应和查询响应7种子状态，如图8-13所示。其中待机状态是默认状态，这是一个低功率状态。连接状态指的是设备作为主站或从设备连到微微网。

4.3 蓝牙技术的特点及应用

蓝牙是一种近距离的保证可靠接收和信息安全的开放的无线通信技术规范，它可在世界上的任何地方实现短距离的无线语音和数据通信。蓝牙技术具有如下优势：（1）短距离通信的开放系统；（2）点对点连接而不需要任何路由器；（3）成本低廉，可在100m范围内使用；（4）安全可靠，使用方便；（5）具有互操作性和兼容性。

目前，蓝牙技术的主要应用很多，蓝牙耳机是最早投放市场的蓝牙产品之一。蓝牙USB适配器可以插入带有USB接口的设备，实现与其他蓝牙设备间的无线通信，可以用于PC或笔记本电脑，实现蓝牙设备间文件等信息的相互交换。蓝牙网络接入点可以用于实现蓝牙设备接入本地局域网和互联网。集成了蓝牙技术的手机可以和蓝牙耳机实现无线通话，使得智能手机的娱乐性能得到进一步的演示。

5 Wi-Fi通信技术

Wi-Fi技术是一种可以将个人计算机、手持设备等终端以无线方式互相连接的技术。Wi-Fi是一个无线网络通信技术的品牌，由Wi-Fi联盟所持有，目的是改善基于IEEE 802.11b标准的无线网络产品之间的互通性。支持Wi-Fi技术的产品，其协议属于WLAN的一个子集。WLAN的全称是无线局域网（WLAN，Wireless Local Area Network），WLAN无线设备提供了一个世界范围内可以使用的、费用低且数据带宽高的无线空中接口。

5.1 Wi-FI和WLAN简介

与蓝牙、ZigBee一样，Wi-Fi也是一种短距离无线通信技术，支持移动设备在近100m范围内接入互联网。Wi-Fi具有覆盖范围广、传输速度快、设备提供商进入门槛低、联网无需布线、局域网组建方便、健康安全等。WLAN是利用射频无线信道或红外信道取代有线传输介质所构成的局域网络。目前，WLAN的数据传输速度已与有线网相近，既可满足各类便携设备的入网要求，也可作为传统有线网络的补充手段。与有线网络相比，WLAN不需要布线，因此可以自由地放置终端，有效合理地利用办公室的空间。WLAN可作为有线网络的无线延伸，也可用于多个有线网络之间的无线互联。

Wi-Fi的主要协议IEEE最初制定的WLAN标准主要用于解决办公室局域网和校园网中用户以及终端的接入问题，其业务主要用于数据存取，速率最高可达2Mb/s。之后，又相继推出了802.11a、802.11b、802.11g、802.11n和802.11ac等一系列标准。

802.11a标准工作在5GHz的U-NII频段，物理层速率最高可达54Mb/s，传输层速率最高可达25Mbps。可提供25Mbps的无线ATM接口和10Mbps的以太网无线帧结构接口，以及TDD/TDMA的空中接口。支持语音、数据、图像业务，一个扇区可接入多个用户，每个用户可使用多个用户终端。

IEEE802.11b的载波频率为2.4GHz，传送速度为11Mb/s，是所有无线局域网标准中最著名，也是普及程度最广的标准。2003年7月，IEEE通过了第三种调变标准802.11g，以获得更高的传输速率。802.11g采用2.4GHz频段，与802.11b后向兼容，同时又通过采用OFDM技术支持高达54Mb/s的数据流，所提供的带宽是802.11a的1.5倍。

802.11n是在802.11g和802.11a之上发展起来的一项技术，最大的特点是速率提升，理论速率最高可达600Mb/s。802.11n可工作在2.4GHz和5GHz两个频段，目的是实现高带宽、高质量的WLAN服务，使无线局域网达到以太网的性能。

IEEE 802.11ac是一个802.11 WLAN通信标准，通过5GHz频段进行通信。该标准理论上能够提供最多1Gb/s带宽进行多站式无线局域网通信，或是最少500Mb/s的单一连接传输带宽。802.11ac是802.11n的继承者，采用并扩展了源自802.11n的空中接口概念，包括更宽的RF带宽（提升至160MHz）、更多的MIMO空间流（数量增加到8）、多用户的 MIMO，以及更高阶的调制（16QAM、256QAM等）。

WLAN架构WLAN参考模型只用到OSI 7层参考模型的最低两层，即物理层和数据链路层。其中数据链路层又分为两个子层，即媒体访问控制层MAC（Media Access Control）和逻辑链路控制层LLC（Logical Link Control）。物理介质、媒体访问控制方法等对网络层的影响在MAC子层完全隐蔽起来，而数据链路层与媒体访问无关的部分都集中在LLC层。

MAC层主要完成数据的收发，具体功能如下：（1）从LLC层接收要发送的数据，并决定是否把数据递交给物理层。（2）将发送数据附加控制信息后生成帧，并把数据帧递交给物理层。（3）从物理层接收数据帧。（4）检查接收到的数据帧的控制信息，判断数据是否正确。（5）去掉数据帧中的控制信息，并把数据递交至LLC层。

LLC层的主要任务是在两通信实体之间建立的一条点到点逻辑链路上进行数据帧的传输与控制（差错控制与流量控制）。网络层与LLC层之间有多个服务访问点SAP（Service Access Point），每个SAP相当于一个逻辑信道口，这些SAP复用MAC层并与另一个层中对应的SAP构成一条点到点的逻辑链路。此外，LLC层还要为其上层提供数据报和虚电路服务。数据报服务是一种无链接服务，在发送时不需要预先建立专用逻辑链路，适合交互式数据业务。虚电路服务是一种面向连接的服务，在数据传输之前，必须要建立一条逻辑链路，适合语音等实时业务。

5.2 WLAN物理层协议

在发送端，数字信源（上层数据）经信源编码（主要是数据压缩）处理，称为信道编码。它用来引入冗余设计，使得在接收端能够监测和纠正传输错误。无线信道中的传输错误通常以突发形式出现。为了将此类在传输过程中出现的突发错误变换成随机错误，以便信道编码进行纠正，一般要对发送数据进行交织处理。为此，将信道编码和交织技术统称为差错控制编码。如果采用加密技术，只有授权的用户才能正确地检测和解密处理后的信息。为了适应无线信道的特性，进行有效的传输，将加密后的信号进行调制和放大，以一定的频率和一定的功率通过天线或发射器发射出去，如果有多个信源共用此无线链路，通常还需进行多路复用处理。多址接入在多路复用后进行。接收端处理过程刚好相反，但经常还需要用均衡机制来校正信号在传输过程中可能产生的相位和幅度失真。接收端处理过程刚好相反，但经常还需要用均衡机制来校正信号在传输过程中可能产生的相位和幅度失真。

直接序列扩频技术直接序列扩频（DSSS，Direct Sequence Spread Spectrum）技术是一种数字调制方法，通过利用高速率的扩频码序列在发射端扩展信号的频谱，而在接收端用相同的扩频码序列进行解扩，把展开的扩频信号还原为原来的信号。DSSS是IEEE 802.11标准建议的无线局域网的物理层实现方式之一，该协议包括PLCP（物理层会聚）和PMD（物理介质依赖）子层两个组成部分。

图8-15是DSSS物理层中PLCP子层帧的格式，IEEE802.11称之为PLCP协议数据单元PPDU。一个PPDU由前导码、PLCP导引头、MAC层协议数据单元MPDU组成。在前导码中，SYNC使接收器在帧的真正内容到来之前与输入信号同步。导引头字段提供帧的有关信息，MAC层提供的MPDU内含有工作站要发送的信息，在这里又作为PLCP的业务数据单元PSDU。

跳频扩频技术跳频扩频（FHSS，Frequency Hopping Spread Spectrum）同样是IEEE 802.11标准建议的一种无线局域网的物理层实现方式。相较于DSSS及IR物理层实现，FHSS物理层具有成本较低、功耗较低和抗信号干扰能力较强的优点，但其通信距离一般小于DSSS。该协议包括PLCP子层和PMD子层两个组成部分。FHSS物理层的PMD在PLCP的下层，通过跳频功能和频移键控调制技术，将PLCP子层发来的二进制PPDU转换为适合信道传输的无线电信号。

图8-16为FHSS物理层PLCP子层帧的格式。其中前导同步码使接收器在真正的内容到来知名获得与发送位时钟的同步以及天线分集的准备。导引头字段提供帧的有关信息。

图8-17是FHSS信号发射和接收的原理。跳频指令发生器根据事先定义的跳频星座或规则生成本次的跳频规则，由频率合成器根据本次的跳频规则生成跳频相位，送入混频器。混频器将调制器的信号与频率合成器的信号进行叠加，将生成的跳频后的结果发给滤波器，最后由天线发送出去。

在接收过程中，天线收到的信号进入混频器，接收端根据事先定义的跳频序列生成本次的跳频规则，频率合成器根据本次的跳频规则生成跳频相位，然后由混频器将收到信号的相位还原，生成可以识别的信号，经由滤波器和解调器，得到最终的输出信号。

OFDM技术OFDM技术是IEEE 802.11a采用的一种扩频技术。IEEE 802.11a是对IEEE 802.11标准进行的物理层扩充，与FHSS和DSSS两种技术差异较大。IEEE 802.11a工作在5GHz频段，物理层速率可达54Mb/s，传输层达25Mb/s，可提供25Mb/s的无线ATM接口和10Mb/s的无线以太网帧结构接口，支持语音、数据、图像业务。

5.3 MAC层协议

按照WLAN的协议体系结构层次划分，MAC子层是位于物理层和逻辑链路控制子层中间的一个层次，其目的是在LLC子层的支持下为共享物理媒体提供访问控制功能。MAC子层在LLC层的支持下执行寻址、帧产生和帧识别等功能。IEEE 802.11标准采用带有碰撞避免功能的载波侦听多址接入媒体访问控制协议。

MAC层的主要功能具体来说，MAC层具有的主要功能有无线媒体访问控制、加入网络连接和提供数据验证和保密。

无线媒体访问控制在帧发送之前，MAC可用利用两种方式获得网络连接，即采用具有碰撞避免功能的CSMA/CA媒体访问控制方式或基于不同服务优先级别的集中式轮询访问控制，在IEEE 802.11规范中，分别称为分布式访问控制方式和中心网络控制方式。

加入网络连接工作站的电源被打开之后，在验证和连接到合适的工作站或访问点之前，首先会检测有无现成的工作站和AP可供加入。工作站通过被动或主动扫描方式完成上述的搜索过程。加入一个BSS或ESS之后，工作站从AP接收服务组标识符（SSID，Serice Set Identifier）、时间同步函数（TSF，Timer Synchronization Function）、计时器的值和物理安装参数等。

提供认证和保密服务IEEE 802.11标准提供两种认证服务，用于增强IEEE 802.11网络的安全性能。这两种认证服务分别是开放系统认证和共享密钥认证。

MAC帧的主体框架结构

IEEE802.11定义了MAC帧格式的主体框架结构，如图8-18所示。无线局域网中发送的各种不同类型的MAC都采用这种帧结构。

MAC帧由最长30字节的帧适配头、长度可变（0~2312字节）的帧体信息（Frame Body）和4字节的帧校验序列FCS组成。其中，帧控制字段Frame Control含有在各个工作站之间发送的控制信息。持续时间/标志Duration/ID域内包含发送站请求发送持续时间的数值，值的大小取决于帧的类型。地址字段Addr1-4包含不同类型的地址，地址的类型取决于发送帧的类型。序列控制字段Sequence Control最左边的4位由称为分段号的子字段组成，后面12个位是序列号子字段。站点在数据接收过程中，可通过监视序列号和分段号来判断是否为重复帧。帧题信息字段Frame Body的有效长度可变，所载的信息取决于发送帧的类型。如果发送帧是数据帧，那么该字段会包含一个LLC数据单元。MAC管理和控制帧会在帧体中包含一些特定的参数。如果帧不需要承载信息，那么帧体字段的长度为0。接收站可以从物理层适配头的一个字段判断帧的长度。发送工作站的MAC层利用循环冗余码校验(CRC)法对帧前边诸字段内容运算，计算一个32位的FCS，并将结果存入这个字段。

5.4 WLAN的组成及拓扑结构

线局域网的物理组成包括站点STA（Station）、无线介质、基站BS（Base Station）或接入点AP（Access Point）和分布式系统DS（Distribution System）等。

• 站点站点又称为主机（Host）或终端（Terminal），是WLAN的最基本组成单元。站点一般在网络中用作客户端（Client），是具有无线网络接口的计算设备。一个站点通常包括终端用户设备（例如计算机）、无线网络接口（例如无线网络适配器或无线网卡）和网络软件（例如网络操作系统）。
• 无线介质 无线介质是无线局域网中站与站之间、站与接入点之间通信的传输介质。在这里指的是空气，它是无线电波和红外线传播的良好介质。
• 无线接入点无线接入点类似蜂窝结构中的基站，是无线局域网的重要组成单元。无线接入点是一种特殊的站，它通常处于网络基本服务区的中心，位置一般固定不动。
• 分布式系统分布式系统是用来连接不同BSA（基本服务区，又称为小区）的通信信道，可以是有线信道，也可以是频段多变的无线信道。

WLAN的拓扑结构可以从几方面进行分类。从物理拓扑来看，有单区网（SCN，Sigle Cell Network）和多区网（MCN，Multiple Cell Network）之分。从逻辑上看，有对等式、基础结构式和线型、星型、环型等。从控制方式来看，可分为无中心分布式和有中心集中控制式。从与外网的连接性来看，主要有独立WLAN和非独立WLAN。

6 物联网通信的综合应用6.1 M2M技术

M2M 技术是Machine-To-Machine/Man的简称，即“机器对机器/人”，是一种以机器终端智能交互为核心的、网络化的应用与服务。M2M是现阶段物联网最普遍的应用形式，通过嵌入无线通信模块的设备，利用现有的无线通信技术，为不同行业的客户提供全方位的信息化服务，从而使得不同行业用户可以远程完成管理监控、指挥调度、数据采集和测量等方面工作。

M2M系统架构M2M业务是一种以机器终端智能交互为核心的、网络化的应用与服务。它通过在机器内部嵌入无线通信模块，以无线通信等为接入手段，为客户提供综合的信息化解决方案，以满足客户对监控、指挥调度、数据采集和测量等方面的信息化需求。M2M系统架构包括终端、系统以及应用三层，如图8-19所示。

• M2M终端M2M终端具有接收远程M2M平台激活指令、本地故障报警、数据通信、远程升级、使用短消息/彩信/GPRS等几种接口通信协议与M2M平台进行通信。终端管理模块为软件模块，主要负责维护和管理通信及应用功能，为应用层提供安全可靠和可管理的通信服务。根据数据终端的特性，通常把M2M业务应用简单地归结为两大类，即固定终端和移动终端。固定终端是一种在某个地理位置上可以固定的应用，例如，电力设备运行状况的远程监控、气象环境监测、城市交通的智能管理等。移动终端是一种在某个移动物体上的应用，例如，对公路上的车辆地理位置进行定位并远程调度、远程疾病监控等。M2M终端可以分为 行业专用终端、无线调制解调器和手持设备等。行业终端设备主要完成行业数字模拟量的采集和转化、数据传输、终端状态检测、链路检测及系统通信功能。无线调制解调器具有无线数据收发、终端管理和无线接入能力。手持设备通常具有M2M终端设备状态查询、远程监控行业作业现场和办公文件处理等功能。
• M2M管理系统M2M管理系统为客户提供统一的移动行业终端管理、终端设备鉴权，支持多种网络援入方式，提供标准化的接口，使得数据传输简单直接，提供数据路由、监控、用户签权、内计费等管理功能，主要包括通信接入模块、终端接入模块、应用接入模块、业务处理模块、数据库模块和Web模块等。通信接入模块又包括行业网关接入模块和GPRS接入模块，其中前者负责完成行业网关的接入，通过行业网关完成与短信网关、彩信网关的接入，最终完成与M2M终端的通信。后者使用GPRS方式与M2M终端传送数据。

终端接入模块负责M2M平台系统通过行业网关或GGSN与M2M终端收发协议消息的解析和处理。应用接入模块实现M2M应用系统到M2M平台的接入。业务处理模块是M2M平台的核心业务处理引擎，实现M2M平台系统的业务消息的集中处理和控制。数据库模块用于保存各类配置数据、终端信息、集团客户信息、签约信息和黑/白名单、业务数据信息安全信息、业务故障信息等。Web 模块提供 Web方式操作维护与配置功能。

• 应用系统该层是M2M终端获得了信息以后，本身并不处理这些信息，而是将这些信息集中至应用平台上来，由应用系统来实现业务逻辑，把感知和传输来的信息进行分析和处理，做出正确的控制和决策，实现智能化的管理、应用和服务。

M2M技术组成M2M技术涉及5个重要的技术部分，包括智能化机器、M2M硬件、通信网络、中间件和应用。

• 智能化机器M2M实现首先是从机器/设备中获取数据，然后通过网络发送出去。使机器开口说话，让机器具备信息感知能力、信息加工能力、无线通信能力。
• M2M硬件M2M硬件是使机器获得远程通信和联网功能的部件，主要用于提取信息，从各种机器设备那里获取数据，并传到通信网络中。M2M硬件包括嵌入式硬件、可组装硬件、调制解调器、智能传感器和识别标识（例如条形码技术和RFID技术等）。
• 通信网络通信网络在M2M技术中处于核心地位，包括广域网（无线移动通信网络、卫星通信网络、Internet、公众电话网等）、局域网（以太网，无线局域网、Bluetooth）、个域网（ZigBee、传感器网络）等。
• 中间件中间件包括两部分，即M2M网关及数据收集/集成部件。M2M网关将从通信网络获取的数据传输给信息处理系统，完成不同通信协议之间的转换。数据收集/集成部件对原始数据进行不同加工和处理，并将结果呈现给这些信息的观察者和决策者。
• 应用M2M 技术根据终端是否可以移动，将应用技术分为两大类，即移动性应用和固定性应用。移动性应用是一种适用于外围设备位置不固定、移动性强，且需要与中心节点实时通信的应用。固定性应用是一种适用于外围设备固定，但地理分布广泛、有线接入方式部署困难或成本高昂的应用，可以利用机器到机器实现无人值守。

M2M的典型应用

6.2 WSN技术

20世纪90年代以来，具有感知、计算和无线网络通信能力的传感器以及由其构成的无线传感器网络WSN（Wireless Sensor Network）系统是备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。它综合了传感器技术，嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等。WSN技术就是在某一特定区域内部署大量的传感器节点，并将传感器采集到的数据通过无线通信方式形成的一个多跳的白组织的网络系统进行传输，最终协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知的对象信息，并发送给观察者。

WSN 核心功能WSN是由一组传感器节点以自组织的方式构成的无线网络，其目的是借助于节点中内置的形式多样的传感器协作地实时感知和采集周边环境中众多的信息，并对这些信息进行处理，目的是无论何时、何地和在何种环境条件下都可以对大量信息进行获取。

WSN技术综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等。从WSN的硬件上分析，WSN节点包括数据采集模块、数据处理模块、无线数据收发模块，这些设备节点具有成本低、功耗低、种类丰富等特点。从软件设计上，这些节点内置的传感器，可以对所在区域的温度、湿度、光强度、压力等环境参数以及待测对象的电压、电流等物理参数进行探测，并通过无线网络将探测信息传送到数据汇聚中心进行处理、分析和转发。

WSN是由一组传感器节点以自组织的方式构成的无线网络，其目的是借助于节点中内置的形式多样的传感器协作地实时感知和采集周边环境中众多的信息，并对这些信息进行处理。每个无线传感器网络节点包括4个基本单元，即数据信息获取模块、信息数据处理模块、数据信息传输模块以及电源管理模块，如图8-22所示。

应用特点与传统的通信网络不同，无线传感器网络在很多方面都有特殊性：包括网络核心功能、不同应用场景、涉及的硬件技术等。（1）网络节点数目多。（2）硬件能力严重受限。例如，节点的计算能力差、存储容量小，电池容量有限，节点之间通信信号强度受到限制。（3）网络动态性强。网络中节点间的通信断接频繁，拓扑结构动态变化。（4）多跳路由和自组织性。网络内大量节点需要借助于自组织方式形成新的网络，给其中的路由带来一定的困难。（5）以数据为中心。WSN是以数据信息的采集为核心功能的网络，在不同的应用系统，根据数据采集情况设定路由方式，构建以数据为中心的网络。（6）安全性问题严重。开放性的无线信道、有限的能量、分布式控制都使得WSN更容易收到攻击，存在一定的安全隐患。

无线传感器网络是当前信息领域中研究的热点之一，可用于特殊环境，实现信号的采集、处理和发送。无线传感器网络是一种全新的信息获取和处理技术，在现实生活中得到了越来越广泛的应用。图8-23中列举了一些典型应用。

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