智能仪器课件第3版-(9)[122页]

1、第7章 总线和数据通信技术概述7.1内总线7.2通用总线7.3串行通信接口7.4首页本章内容86 短距离无线通信技术7.6现场总线7.5工业4.0相关的数据通信技术7.7返 回上 页下 页 现场总线(Fieldbus)是计算机网络与生产过程专用网络或工业控制网络与生产现场基层的自动化测控设备之间传送信息的共同通路。 现场总线是一种工业数据总线，是自动化领域中,底层数据通信网络，是应用在生产现场，连接智能现场设备和自动化测量控制系统的通信网络。在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。它在制造业、流程工业、交通、楼宇等方面的自动化系

2、统中具有广泛的应用前景。7.5 现场总线返 回上 页下 页 1984年，美国仪表协会（ISA）下属的标准与实施工作组中的ISA/SP50开始制定现场总线标准；1985年，国际电工委员会决定由Proway Working Group负责现场总线体系结构与标准的研究制定工作；1986年，德国开始制定过程现场总线（Process Fieldbus）标准，简称为PROFIBUS，由此拉开了现场总线标准制定及其产品开发的序幕。7.5 现场总线返 回上 页下 页7.5 现场总线返 回上 页下 页7.5 现场总线返 回上 页下 页7.5.1现场总线概述 现场总线系统打破了传统控制系统的结构形式，传统模拟控制

3、系统采用一对一的设备连线，按控制回路分别进行连线。现场总线系统能够把原先DCS系统中处于控制室的控制模块，各输入输出模块置入现场设备，加上现场设备具有通信功能，现场的测量变送仪表可以与阀门等执行机构直接传送信号，因而控制系统功能能够不依赖控制室的计算机或控制仪表，直接在现场完成，实现了彻底的分散控制。7.5.1返 回上 页下 页系统的开放性 开放是指相对标准的一致性、公开性，强调对标准的共识与遵从。一个开放系统，是指它可以与世界上任何地方遵守相同标准的其他设备或系统连线。通信协议一致公开，各不同厂家的设备之间可实现信息交换。现场总线开发者就是要致力于建立统一的工厂底层网络的开放系统。用户可按自

4、己的需要和考虑，把来自不同供应商的产品组成大小随意系统。通过现场总线构筑自动化领域的开放互连系统。7.5.1现场总线系统技术特点：返 回上 页下 页互可操作性和互用性 互可操作性，是指实现互联设备间、系统间的信息传送与沟通；而互用则意味着不同生产厂家的性能类似的实现可相互替 换。现场设备的智能化和功能自治性 传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场 设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的 基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。系统结构的高度分散性 现场总线已构成一种新的 全分散性控制系统的体系结构。从根本上改变了 现有DCS集中与分散相结合的控制系统体系，简化了系统结构，提高了

5、可靠性。7.5.1现场总线系统技术特点：返 回上 页下 页对现场环境的适应性 工作在生产现场前端，作为工作网络底层的现场总线，是专为现场环境而设计的，可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现供电与通信，可满足本质安全防爆要求等。7.5.1现场总线系统技术特点：返 回上 页下 页现场总线优越性:1.节省硬件数量与投资 由于现场总线系统中分散在现场的智能设备能直接执行多种传感控制报警和计算功能，因而可减少变送器的数量，不再需要单独的调制器、计算单元等，也不需要DCS系统的信号调理、转换、隔离等功能单元及复杂连线，还可以用工控PC机作为操作站，从而

6、节省了一大笔硬件投资，并可减少控制室的占地面积7.5.1返 回上 页下 页 节省安装费用 现场总线系统的接线十分简单，一对双绞线或一条电缆线通常可挂接多个设备，因而电缆、端子、槽盒桥架的用量大大减少，连线设计与校对的工作量也大大减少。当需要增加现场设备时无需要增设新的电缆，可就近连接在原有的电缆上，既节省了投资，又减少了设计、安装的工作量。据有关典型试验工程测算资料表明，可节省安装费用60%以上。7.5.12.现场总线优越性:返 回上 页下 页 3. 节省维护开销 现场控制设备具有自诊断和简单故障处理能力，并通过数字通讯将相应的诊断维护信息送往控制室，用户可以查询所有设备的运行，诊断维护信息，

7、以便早期分析故障原因并及时排除，缩短了维护停工时间。同时系统结构简单，连线简单，减少了维护工作量。7.5.1现场总线优越性:4.提供系统的准确性与可靠性 现场总线设备的智能化、数字化，与模拟信号相比，它从根本上提高了测量与控制的精确度，减少了传送误差。同时，由于系统的结构化，设备与连线减少，现场仪表内部功能加强，减少了信号的往返运输，提高了系统的工作可靠性。 返 回上 页下 页目前，国际上各种各样的现场总线有几百种之多，统一的国际标准尚未建立。主流的现场总线包括基金会现场总线FF（Foundation Fieldbus）、CAN总线、ProfiBus现场总线、Lonworks现场总线等。7.5

8、.1返 回上 页下 页7.5.2 CAN总线的发展与特点由于现场总线的标准尚未统一，也使得现场总线的应用得以不拘一格地发挥，并将为现场总线的完善提供更加丰富的依据。控制器局部网 CAN（CONTROLLER AERANETWORK）正是在这种背景下应运而生的。CAN总线是BOSCH （博世，德国的工业企业之一）公司为现代汽车应用领先推出的一种多主机局部网，由于其卓越性能现已广泛应用于工业自动化、多种控制设备、交通工具、医疗仪器以及建筑、环境控制、电梯、纺织机器、医药系统（X射线）都有用到。新的领域的开发：如家电、娱乐等。7.5.2返 回上 页下 页在汽车应用领域，车内电控单元、电子通讯系统越来

9、越多，除了发动机控制单元外，还有传动控制、自动变速器控制系统、安全气囊、ABS防抱死制动系统、巡航控制、车载多媒体系统、门窗控制和电池管理等模块。这些模块之间均需要进行数据交换，更需要系统控制执行器和接收传感器反馈。用导线进行点对点的连接传输方式很难满足以上交换的数据量。因此，就必须采用串行数据传输系统方式。CAN总线就能实现汽车内传统的点对点互连方式向总线式系统连接的转变，大大降低汽车内电子系统布线的复杂度。7.5.2CAN总线示例：返 回上 页下 页7.5.2汽车内的CAN总线系统主要分为两部分，一种是动力系统，另一种是舒适系统，动力系统由高速CAN总线组成，传输速度快，能够达到500kb

10、/s。汽车采用CAN总线系统可以实现各ECU之间的信息共享，减少不必要的线束和传感器。而且还可实现多ECU之间的实时关联控制。7.5.2返 回上 页下 页7.5.2由于CAN为愈来愈多不同领域采用和推广，导致要求各种应用领域通信报文的标准化。 1991年9月 PHILIPS SEMICONDUCTORS制订并发布了 CAN技术规范（VERSION 2.0）。该技术规范包括A和B两部分。2.0A给出了曾在CAN技术规范版本1.2中定义的CAN报文格式，而2.0B给出了标准的和扩展的两种报文格式。此后，1993年11月ISO正式颁布了道路交通运载工具-数字信息交换-高速通信控制器局部网（CAN）国

11、际标准（ISO11898），为控制器局部网标准化、规范化推广铺平了道路。7.5.2 CAN总线的发展与特点返 回上 页下 页 CAN属于总线式串行通信网络，采用了许多新技术及独特的设计，与一般的通信总线相比，CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。其特点可概括如下：是到目前为止的唯一ISO国际标准的现场总线;遵循了ISO/OSI参考模型的三层协议。是一种有效支持分布式控制和实时控制的串行通信网络。多主方式工作，网络上任一节点均可在任一时刻 主动地向网络上其他节点发送信息，而不分主 从，通信方式灵活。且无需站地址等节点信息。 利用这一特点可方便的构成多机备份系统.2

12、 CAN总线的发展与特点返 回上 页下 页采用非破坏性总线仲裁技术，当多个节点同时向总 线 发出信息时，优先级较低的节点会主动的退出发 送，而最高优先级的节点可不受影响的传输数据， 从而大大节省了总线冲突仲裁时间。尤其是在网络 负载很重的情况下也不会出现网络瘫痪情况（以太 网则可能）。只需通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点及 全局广播等几种方式传送接收数据，无需专门的 “调度”。 CAN的直接通讯距离最远可达10km(速率在5kbps 以下)；通信速率最高可达1Mbps(此时通信距离最多为40m)。.2 CAN总线的发展与特点返 回上 页下 页节点数取决于总线驱动电路，目前

13、可达110个； 报文标识符可达2032种（CAN2.0A），而扩展 标准（CAN2.0B）的报文标识符几乎不受影响。采用短帧结构，每一帧8个字节，传输时间短，受干扰概率低，保证了数据出错率极低。 具有极好的检错效果。 通信介质可为双绞线、同轴电缆或光线，选择灵活。节点在错误严重时具有自动关闭输出功能，以使总线上其他节点的操作不受影响。网络上的节点信息分成不同的优先级，可 满足不同的实时要求，高优先级的数据最多可在134微妙内得到传输.2 CAN总线的发展与特点返 回上 页下 页7.5.3 CAN的分层结构CAN按照OSI基本模型的原则划分为两层:数据链路层和物理层。返 回上 页

14、下 页7.5.3 CAN的分层结构按照IEEE802.2和802.3标准，数据链路层又划分为逻辑链路控制层(LLC-Logic Link Control)和媒体访问控制层(MAC-Medium Access Control)。当CAN的网络结构确定后，网络的性能将主要取决于MAC层 。返 回上 页下 页（一）LLC子层功能 (1)帧接收滤波：帧由标识符命名。标识符并不指明帧 的目的地，但描述数据的含义。每个接收器通过帧 接收滤波确定此帧与其是否有关。如果相关则接 受，并通知应用层。 (2)超载通告：如果接收器内部条件要求延迟下一个 LLC数据帧或LLC远程帧，则通过LLC子层开始发 送超载帧，

15、最多可产生两个超载帧，以延迟下一个 数据帧或远程帧。 (3)恢复管理：发送期间，对于丢失仲裁或被错误干扰 的帧LLC子层具有自动重发送功能。在发送成功完 成前，帧发送服务不被应用层认可。一、 逻辑链路控制(LLC)子层7.5.3返 回上 页下 页 （二）、LLC帧结构（1）LLC数据帧 LLC数据帧由三个位场，即标识符场、数据长度码 (DLC-Data Length Code)场和LLC数据场组成， 如图（2）LLC远程帧 LLC远程帧由两个位场(标识符场和DLC场)组成， 标识符格式与数据帧标识符格式相同，如图所 示。7.5.3返 回上 页下 页二、 媒体访问控制(MAC)子层 MAC子层可

16、划分为相对独立工作的两个部分，即发送部分和接收部分。发送部分功能为发送数据封装，包括接收LLC帧及控制信息、CRC计算、在LLC帧的基础上，附加MAC特定信息构造MAC帧；发送媒体访问管理，确认总线空闲后，开始发送、并应答，包括MAC帧串行化、插入填充位(位填充)、在丢失仲裁情况下，退出仲裁并转入接收方式、错误检测(监控，格式校验)、应答校检、确认超载条件、构造超载帧、构造出错帧、输出串行位流至物理层。（一）MAC子层功能7.5.3返 回上 页下 页 接收部分功能为接收媒体访问管理，包括由物理层接收串行位流、解除串行结构并重新构筑帧结构、检测填充位(解除位填充)、错误检测、发送应答、构造错误帧

17、并开始发送、确认超载条件、重激活超载帧结构并开始发送；接收数据卸载，包括由接收帧中去除MAC特定信息和输出LLC帧和控制信息至LLC子层。7.5.3返 回上 页下 页 CAN系统中，数据在节点间发送和接收四种不同类型的帧。以CAN 2.0A为例论述MAC层的帧类型。1MAC数据帧 数据帧将数据由发送器传至接收器，MAC数据帧由七个不同位场构成，帧起始(SOF-Start Of Frame)、仲裁场、控制场(两位保留DLC场)、数据场、CRC场、ACK场和帧结束(EOF-End Of Frame)。7.5.3返 回上 页下 页2MAC远程帧 用以请示发送具有相同标识符的数据帧。远帧程由 6个位场

18、构成：帧起始(SOF)、仲裁场、控制场、CRC场、ACK场和帧结束(EOF)，如图所示。7.5.3返 回上 页下 页3出错帧CAN是广播式发送。总线上的每一个节点都对帧接收、校验，如果发现错误就向总线发出错帧。出错帧由两个不同场构成。如图出错帧结构7.5.3返 回上 页下 页4超载帧 超载帧为相邻的数据帧或远程帧之间提供附加延时。超载帧包括两个位场：超载标志和超载界定符。超载帧结构 7.5.3返 回上 页下 页（三）、MAC帧编码和发送/接收帧起始、仲裁场、控制场、数据场和CRC场均以位填充方法进行编码。位填充 一帧报文中的每一位都由不归零码表示,可保证位编码的最大效率。然而,如果在 一帧报文

19、中有太多相同电平的位,就有可能失去同步。在五个连续相等位后,发送站自动插入一个与之互补的补码位;接收时,这个填充位被自动丢掉。例如,五个连续的低电平位后,CAN自动插入一个高电平位。CAN通过这种编码规则检查错误,如果在一帧报文中有6个相同位,CAN就知道发生了错误。 如果至少有一个站通过以上方法探测到 一个或多个错误,它将发送出错标志终止当前的发送。这可以阻止其它站接收错误的报文,并保证网络上报文的一致性。当大量发送数据被终止后,发送站会自动地重新发送数据。作为规则,在探测到错误后23个位周期内重新开始发送。在特殊场合,系统的恢复时间为31个位周期。 7.5.3 帧起始、仲裁场、控制场、数据

20、场和CRC场均以位填充方法进行编码。位填充 一帧报文中的每一位都由不归零码表示,可保证位编码的最大效率。然而,如果在 一帧报文中有太多相同电平的位,就有可能失去同步。在五个连续相等位后,发送站自动插入一个与之互补的补码位;接收时,这个填充位被自动丢掉。（三）、MAC帧编码和发送/接收7.5.3当发送器在发送位流中检测到5个数值相同的连续位(包括填充位)时，它在实际发送位流中，自动插入一个补码，如下所示； 末填充位流 100000abc 0111111abc 填充位流 1000001abc 0111110abc 其中：abc0，1（三）、MAC帧编码和发送/接收7.5.3返 回上 页下 页 发送

21、器和接收器对帧的有效时点是不同的。对于发送器，若在帧结束完成前不存在错误，则该帧为有效。对于接收器，若在帧结束最后一位前不存在错误，则该帧为有效。7.5.3返 回上 页下 页（四）媒体访问和仲裁 在间歇场中未检测到显性位，即认为总线被所有节点释放。允许节点访问总线，帧可以起始发送。发送期间，发送数据帧或远程帧的节点为总线主站。当许多节点一起开始发送时，会产生冲突。解决冲突的机制是非破坏性的优先权逐位仲裁规则。数据帧和远程帧的优先权标注于帧的仲裁字段中。较高优先权的标识符具有较低的二进制数值。若具有相同标识符的数据帧和远程帧同时被发送，按照RTR位，数据帧较之远程帧具有较高优先权。7.5.3位仲

22、裁 CAN总线以报文为单位进行数据传送,报文的优先级结合在11位标识符中,具有最低二进制数的标识符有最高的优先级。这种优先级一旦在系统设计时被确立后就不能再被更改。总线读取中的冲突可通过位仲裁解决。当几个站同时发送报文时,站1的报文标识符为011111;站2的报文标识符为0100110;站3的报文标识符为0100111。所有标识符都有相同的两位01,直到第3位进行比较时,站1的报文被丢掉,因为它的第3位为高,而其它两个站的报文第3位为低。站2和站3报文的4、5、6位相同,直到第7位时,站3的报文才被丢失。注意,总线中的信号持续跟踪最后获得总线读取权的站的报文。在此例中,站2的报文被跟踪。这种非

23、破坏性位仲裁方法的优点在于,在网络最终确定哪一个站的报文被传送以前,报文的起始部分已经在网络上传送了。所有未获得总线读取权的站都成为具有最高优先权报文的接收站,并且不会在总线再次空闲前发送报文。 7.5.3返 回上 页下 页（五）、错误检测和CAN节点的状态 CAN总线中任何一个节点可能处于“错误激活 (Error Active )“错误认可(Error Passive )”和“总线关闭”三种状态。7.5.3返 回上 页下 页 在每一个节点的MAC层，都有两个错误计数器，“发送错误计数器(TEC)”和“接收错误计数器 (REC)”。根据计数器的值决定节点的状态和变化。如图7.39节点初始化后，

24、REC和TEC为零，节点是“错误激活状态”。当检测到发送错误，TEC增加，检测到接收错误，REC增加。如果发送成功，TEC减少，接收成功，REC减少。计数器采用非比例计数的方法，出错计数的比例大于成功计数的比例。错误计数器的内容反映了总线干扰的相对程度。当REC或TEC大于127，则由激活状态变为认可状态。当TEC大于255，节点由认可状态变为总线关闭状态。7.5.3返 回上 页下 页 允许“认可”、“激活”状态的节点继续参加总线通信。当它们监测到错误时，所不同的是：错误认可状态节点发具有“认可错误标志”的出错帧，错误激活状态节点发具有“活动错误标志”的出错帧。 不允许 “总线关闭”的节点参与

25、通信，即不发送也不接收。只有应用户的干预或其他节点的请求，才能恢复通信。7.5.3返 回上 页下 页三、 物理层 从实际应用的角度，CAN的物理层主要包括接口的连接方式、总线电平和传输速率等内容。CAN总线电气连接为对称差分驱动。总线末端均应接入电阻以抑制反射。CAN中的总线数值为：“显性”(Dominant)或“隐性”(Recessive)，显性表示逻辑 “0”，隐性表示逻辑 “1” CAN总线具有 “线与”的能力，显性和隐性位同时发送，总线数值是显性。CAN的传输速率与节点之间的距离有关。7.5.3返 回上 页下 页CAN总线节点之间的距离与传输速率的关系7.5.3下 页上 页返 回由于无

26、线通信的诸多便利，对无线通信的需求越来越大。通常认为，通信的收发双方通过无线电波传输信息，并且传输距离限制在较短的范围内（一般几十米以内，不超过数百米），就可以称为短距离无线通信。通信终端的发射功率普遍都很低，通常在毫瓦级，低功耗成为短距离无线通信的一大特点。对等通信是短距离无线通信的重要特征，终端之间对等通信，无须网络设备进行中转，空中接口设计和高层协议都相对比较简单。7.6 短距离无线通信技术下 页上 页返 回1998年，IEEE 802.15 工作组成立，专门从事适用于短程无线通信的标准化工作，通常称之为无线个人区域网(WPAN，Wireless Personal Area Networ

27、k)。蓝牙技术、ZigBee技术均属于该工作组的不同分支，在物联网的通信中将承担重要作用。计算机网络技术特别是局域网技术，推动了无线局域网近年来的迅猛发展，以IEEE 802.11系列标准为规范的WiFi技术作为无线局域网中的事实标准，应用广泛。7.6 短距离无线通信技术下 页上 页返 回7.6.1 蓝牙技术的产生及概况蓝牙技术作为一个全球公开的无线应用标准，通过把数据设备用无线链路连接起来，使人们能随时随地的进行数据信息的交换和传输。1994年，爱立信公司倡导建立一种低功耗，低成本的无线连接口，以解决互连设备间的电缆问题，后来将这项技术正式命名为蓝牙。7.6 短距离无线通信技术蓝牙（ Blu

28、etooth ）：一种无线技术标准，可实现固定设备、移动设备和楼宇个人域网之间的短距离数据交换返 回上 页下 页2001年，蓝牙1.1版本正式列入 IEEE 802.15.1 标准，该标准定义了物理层（PHY）和媒体访问控制（MAC）规范，用于设备间的无线连接。2004年发布的蓝牙2.0版本的传输速度大幅提高，在耳机、音箱等产品上广泛应用。几乎可以被集成到任何数字设备之中，特别是那些对数据传输速率要求不高的移动设备和便携设备。2010年发布的蓝牙4.0版本加入了低耗电的新标准BLE（Bluetooth Low Energy），适应了物联网的发展趋势。2016年发布的蓝牙5.0版本，针对物联网进

29、行底层优化，以更低的功耗和更高的性能为物联网领域服务，蓝牙SIG组织并已分步弃用、撤销原先的蓝牙版本。7.6.1随着蓝牙技术的不断完善，其芯片制造工艺的不断改进，价格的大幅度降低将使其大规模应用成为可能，并逐渐走向人们的生活。返 回上 页下 页.1 蓝牙技术的产生及概况蓝牙技术在低带宽条件下临近的两个或多个设备间的信息传输十分有用。返 回上 页下 页7.6.1蓝牙常用于电话语音传输（如蓝牙耳机）或手持计算机设备的字节数据传输（文件传输）。蓝牙产品，如电话、平板电脑、媒体播放器、机器人系统、手持设备、笔记本电脑、游戏手柄、以及一些高音质耳机、调制解调器、手表等。（1）使用2.4G

30、Hz的工业科学医疗（ISM）公用频段，无须向各国的无线电资源管理部门申请许可证。 （2）业务分配灵活，可以支持一个异步数据通道，或者3个并发的同步语音通道，或者一个同时传送异步数据和同步话音的通道，同时可传输语音和数据 。（3）采用快频段，短分组和前向纠错技术，可 有效降低干扰，提高通信的安全性。 蓝牙技术有如下特点：返 回上 页下 页7.6.1（4）具有很好的抗干扰能力。工作在ISM频段的无线电设备有很多种，如无线局域网（WLAN）等产品，为了很好地抵抗来自这些设备的干扰，蓝牙采用了跳频方式来扩展频谱，将2.4022.48GHz频段分成79个频点，相邻频点间隔1MHz。蓝牙设备在某个频点发送

31、数据之后，再跳到另一个频点发送，而频点的排列顺序则是伪随机的，每秒钟频率改变1600次，每个频率持续625。 返 回上 页下 页7.6.1返 回上 页下 页（5）低功耗。蓝牙设备在通信连接状态下，有四种工作模式：激活（Active）模式、呼吸（Sniff）模式、保持（Hold）模式、休眠（Park）模式。激活模式是正常的工作状态，另外三种模式是为了节能所规定的低功耗模式。 （6）开放的接口标准。将蓝牙的技术标准全部公开，全世界范围内的任何单位和个人都可以进行蓝牙产品的开发，只要最终通过SIG（SpecialInterestGroup）组织的蓝牙产品兼容性测试，就可以推向市场。.

32、2蓝牙技术原理1、 蓝牙协议栈的体系结构由底层硬件模块，中间层和高端应用层三大部分组成。返 回上 页下 页7.6.2（一）底层硬件模块返 回上 页下 页底层硬件模块是蓝牙技术的核心模块，所有嵌入蓝牙技术的设备都必须包括底层模块。主要组成：链路管理层LMP(Link Manager Protocol)：负责两个或多个设备链路的建立和拆除及链路的安全和控制，如鉴权和加密，控制和协商基带包的大小等，它为上层软件模块提供了不同的访问入口。基带层BB(Base Band)：提供了两种不同的物理链路：同步面向连接链路（Synchronous Connection Oriented）和异步无连接链路（Asy

33、nchronous Connection Less）,负责跳频和蓝牙数据及信息帧的传输。射频收发器RF(Radio Frequency)：通过2.4GHz频段实现数据流的过滤和传输。7.6.2（二） 中间协议层逻辑链路控制：服务发现协议SDP(Service Discovery Protocol)串口仿真协议RFCOMM二进制电话控制协议TCS(Telephone Control Protocol Spectocol)适配协议L2CAP(Logical Link Control and Adaptation Protocol)：蓝牙协议栈的核心组成部分，也是其它协议实现的基础。它位于基带之上，

34、向上层提供面向连接和无连接的数据服务，主要完成数据的拆装，服务质量控制，协议的复用，分组的分割和重组及组提取等功能。L2CAP允许高达64KB的数据分组。返 回上 页下 页7.6.2（三） 高端应用层高端应用层属于完整的蓝牙协议栈中的选用协议层。1、点对点协议PPP(Point-to-point Protocol)由封装、链路控制协议、网络控制协议组成，定义了串行点到点链路应当如何传输因特网协议数据，它主要用于LAN接入,拨号网络及传真等应用规范。TCP/IP(传输控制协议/网络层协议)UDP(User Datagram Protocol，用户数据报协议)，它定义了因特网与网络相关的通信。在蓝

35、牙设备中，使用这些协议是为了与因特网相连接的设备进行通信，既可提高效率，又可在一定程度上保证蓝牙技术和其它通信技术的互操作性。 返 回上 页下 页7.6.22、对象交换协议OBEX(Object Exchange Protocol)支持设备间的数据交换，采用客户/服务器模式提供与HTTP(超文本传输协议)相同的基本功能。该协议作为一个开放性标准还定义了可用于个人信息交换的电子名片、电子日历及日程等格式；无线应用协议3、WAP(Wireless Application Protocol)的目的是将因特网内容和电话传送的业务传送到数字蜂窝电话和其它无线终端上。4、无线应用环境WAE(Wireles

36、s Application Environment)提供用于WAP电话和个人数字助理PDA所需的各种应用软件。返 回上 页下 页7.6.22.蓝牙系统的框架结构除了保证两个蓝牙设备之间可以互相通信的协议外，蓝牙技术标准中还定义了四个主要的框架结构，其目的是为了描述如何实现用户模块，以及如何将应用和设备映射为蓝牙设备。框架与具体的应用有关，它详细说明了对于某一具体应用来说，协议中的哪些部分是必须包括的。返 回上 页下 页7.6.2（1）通用接入框架GAP(Generic Access Profile)通用接入框架定义了一个蓝牙设备如何发现另一个设备并与之建立连接，主要处理未连接的设备之间发现对方

37、以及建立连接的问题。这个框架定义的是通用的操作，保证任意厂商生产的两个蓝牙设备之间可以交换信息，并知道另一设备可以提供什么类型的服务。一个蓝牙设备必须遵守通用接入框架以保证基本的互用和共存。返 回上 页下 页7.6.2（2）服务发现应用框架SDAP(Service Discovery Application Profile)定义了发现一个蓝牙设备可用服务的方法，主要处理对已有服务的搜索。该框架依赖于通用接入框架。定义了如何在两个蓝牙设备上建立虚拟的串口，然后将这两个串口连接起来。采用这个框架，可以为蓝牙设备提供一个使用RS-232控制信令的虚拟串口。（3）串口框架SPD(Serial Port

38、 Profile)7.6.2（4）通用内容交换框架GOEP(Generic Object Exchange Profile)定义了一套用于内容交换的协议和过程，比如将数据从一个蓝牙设备如何传送到另一个蓝牙设备，以及如何从另一个蓝牙设备接收数据等。一些用户模块如文件传输和同步等都基于这个框架。笔记本电脑、移动电话等使用蓝牙进行文件传输就应用了这个框架。7.6.23. 蓝牙技术的安全机制 蓝牙技术同其它无线技术一样，无线传输特性使它非常容易受到攻击，因此安全机制在蓝牙技术中显得尤为重要。虽然蓝牙系统所采用的跳频技术和低发射功率已经提供了一定的安全保障，但是蓝牙系统仍然需要链路层和应用层的安全管理。

39、 蓝牙安全架构可以实现对业务的选择性访问，蓝牙安全架构建立在L2CAP层之上，特别是RFCOMM层。蓝牙安全架构提供了一个灵活的安全框架，此框架指出了何时涉及用户的操作，下层协议层需要哪些动作来支持所需的安全检查等。返 回上 页下 页7.6.2返 回上 页下 页 安全管理器是蓝牙安全架构中最重要的部分，负责存储与业务和设备安全有关的信息，响应来自协议或应用程序的访问要求，连接到应用程序前加强鉴权和加密，初始化或处理来自用户或者外部安全控制实体的输入，在设备级建立信任连接等。 蓝牙技术标准为蓝牙设备和业务定义安全等级，其中设备定义了三个级别的信任等级：可信任设备、不可信任设备、未知设备；业务定义

40、了三种安全级别：需要授权与鉴权的业务、仅需鉴权的业务以及对所有设备开放的业务。具体信息保存在蓝牙安全架构的设备数据库中，由安全管理器维护。7.6.2 蓝牙技术在应用层和链路层上提供了安全措施。链路层采用的四种不同实体来保证安全。所有链路级的安全功能都是基于链路密钥的概念实现的，链路密钥是对应每一对设备单独存储的一些128位的随机数。加密密钥可以由链路密钥推算出来，这将确保数据包的安全，而且每次传输都会重新生成。返 回上 页下 页7.6.2根据用户输入的PIN生成一个共用随机数作为初始化密钥，此密钥只用一次，然后即被丢弃。两个设备第一次通信时，要进行“结对”，结对过程要求用户输入16字节PIN（

41、Personal Identification Number） 码到两个设备，根据蓝牙技术标准，结对过程如下：返 回上 页下 页在整个鉴权过程中，始终检查PIN是否与结对设备相符。7.6.2基带连接加密不需要用户的输入，当成功鉴权并检索到当前链路密钥后，链路密钥会为每个通信会话生成一个新的加密密钥。返 回上 页下 页生成一个普通的128位随机数链路密钥，暂时储存在结对的设备中。只要该链路密钥储存在双方设备中，就不再需要重复结对过程，只需实现鉴权过程。7.6.2用户隐私：由于蓝牙设备内的蓝牙地址具有全球唯 一性，一旦这个地址与某用户相关联，他的行动都可以被记录，所以隐私就得不到保障。 蓝牙安全技

42、术存在的问题：返 回上 页下 页PIN （Personal Identification Number）问题：为了初始化一个安全连接，两个蓝牙设备必须输入相同的PIN码。PIN是唯一的可信的用于生成密钥的数据，链路密钥和加密密钥都与它有关。用户有可能将其存在设备上，或者输入过于简单，所以PIN易受到攻击，解决的方法是使用较长的PIN，或者使用密钥变更系统。7.6.2链路密钥：鉴权和加密都是基于双方共享的链路密钥，这样，某一设备很可能利用早就得到链路密钥以及一个伪蓝牙地址计算出加密密钥，从而监听数据流。虽然这种攻击需要花一些功夫，但贝尔实验室已证实了其可能性。 蓝牙芯片市场目前主流为英国CSR公

43、司所占据，该公司提供了多种蓝牙解决方案，所生产芯片大量应用在蓝牙耳机、蓝牙键盘、蓝牙鼠标等为手机、计算机配套的设备上。建议在使用中，直接采购相应模块，无需从芯片级进行电路制作。返 回上 页下 页7.6.2 7.6.3 ZigBee技术概述 在蓝牙技术的使用过程中，人们发现蓝牙技术尽管有许多优点，但仍存在许多缺陷。对工业、家庭自动化控制和遥测遥控领域而言，蓝牙技术显得太复杂，功耗大，距离近，组网规模太小等，而工业自动化对无线通信的需求越来越强烈。ZigBee技术迅速发展，2005年正式公布。返 回上 页下 页7.6.4 ZigBee技术概述ZigBee联盟成立于2001年8月，2004年12月Z

44、igBee 1.0标准(又称为ZigBee2004)敲定，2006年12月进行标准修订，推出ZigBee 1.1版(又称为ZigBee2006)。ZigBee标准于2007年10月完成再次修订(称为ZigBee2007)，推出ZigBee 及ZigBee Pro Feature Set二个指令集。返 回上 页下 页 ZigBee的基础是IEEE 802.15.4标准，IEEE 802.15.4是IEEE无线个人区域网(Wireless Personal Area Network，WPAN)工作组的一项标准。WPAN为近距离范围内的设备建立无线连接，把几米到几十米范围内的多个设备通过无线方式连接

45、在一起，使他们可以相互通信甚至接入局域网或者因特网。 Zigbee是一个由可多到65535个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，十分类似现有的移动通信的CDMA网或GSM网，每一个Zigbee网络数传模块类似移动网络的一个基站，在整个网络范围内，它们之间可以进行相互通信；每个网络节点间的距离可以从标准的75米，到扩展后的几百米，甚至几公里。返 回上 页下 页7.7.11低功耗：由于ZigBee的传输速率低,发射功率仅为1mW,而且采用了休眠模式，功耗低,因此ZigBee设备非常省电。据估算，ZigBee设备仅靠两节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间2可靠：采用了碰撞避免机制，

46、同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突；节点模块之间具有自动动态组网的功能，信息在整个Zigbee网络中通过自动路由的方式进行传输，从而保证了信息传输的可靠性。Zigbee 技术的主要特点 ：7.7.13时延短：针对时延敏感的应用做了优化，通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短。因此ZigBee技术适用于对时延要求苛刻的无线控制(如工业控制场合等)应用。4网络容量大：一个星型结构的Zigbee网络最多可以容纳254个从设备和一个主设备， 一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络, 而且网络组成灵活。可支持达65535个节点。5安全：ZigBee提供了

47、数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用通用的增强加密标准AES-128算法。.4 ZigBee技术原理1、ZigBee的网络架构和协议框架IEEE 802.15.4标准的架构是在OSI七层模型的基础上，根据市场和应用的实际需要定义的，标准只定义了两个底层：物理层PHY（Physical Layer）和媒体访问控制层MAC（Medium Access Control Sub-Layer）。ZigBee联盟在此基础上定义了网络层NWK（Network Layer），应用层APL（Application Layer）架构。返 回上 页下 页 在WPAN中有三种网络角色：PAN网络协调

48、器、协调器和设备。这三种角色在IEEE 802.15.4规范中分别对应ZigBee协调器ZC（ZigBee Coordinator）、ZigBee路由器ZR（ZigBee Router）和终端设备ZED（ZigBee End Device）。典型的由三种角色构成的ZigBee网络如图8-44所示。返 回上 页下 页（1）ZigBee网络的组成7.6.4 ZigBee技术原理1、ZigBee的网络架构和协议框架ZigBee网络的组成（1）ZigBee网络的组成 协调器和路由器只能是全功能器件FFD（Full Function Device）。一个PAN网络中，至少要有一个全功能器件成为网络的协调

49、器。协调器可以看作是一个PAN的网关节点，它是网络建立的起点，负责PAN网络的初始化，确定PAN的ID号和PAN操作的物理信道并统筹短地址分配，充当信任中心和储存安全密钥，与其他网络的连接等。协调器在加入网络之后获得一定的短地址空间。这个空间内，他有能力允许其他节点加入网络，并分配短地址。当然协调器还具备路由和数据转发的功能。在设备发起连接时采用的是64位IEEE长地址，只有连接成功后，系统分配了PAN的标志符后，才能采用16位的短地址来通信。（1）ZigBee网络的组成 路由器可以只运行一个存放有路由协议的精简协议栈，负责网络数据的路由，实现数据中转功能。在网络中最基本的节点就是终端节点ZE

50、D，一个终端节点可以是全功能器件FFD或者是精简功能器件RFD（Reduced Function Device）。RFD具有部分的通信能力，RFD设备之间不能直接通信，只能与FFD通信，或者通过一个FFD设备向外传输数据。（1）ZigBee网络的组成（2）物理层和媒体访问控制子层 IEEE 802.15.4定义了两个物理层PHY：868/915 MHz和2.4GHz频段，都工作在工业科学医疗（ISM）公用频段。这两个物理层都基于直接序列扩频DSSS（Direct Sequence Spread Spectrum），使用相同的物理层数据格式。物理层的作用主要是利用物理介质为数据链路层提供物理连接

51、，负责处理数据传输率并架空数据出错率，以便透明低传送比特流。 IEEE 802.15.4的MAC层沿用了无线局域网中的带冲突避免的载波多路侦听访问技术CSMA/CA （Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance）方式，以提高系统的兼容性。这种设计，不但使多种拓扑结构网络的应用变得简单，还可以实现非常有效的功耗管理。在MAC层中引入了超帧结构和信标帧的概念。每个超帧都以网络协调器发出信标帧为始，在这个信标帧中包含了超帧将持续的时间以及对这段时间的分配等信息。网络中的普通设备接收到超帧开始时的信标帧后，就可以根据其中的内容安排自己的

52、任务。MAC子层提供两种服务：数据服务和管理服务。前者保证MAC协议数据单元在物理层数据服务中正确收发，后者维护一个存储MAC子层协议相关信息的数据库。（2）物理层和媒体访问控制子层（3）网络层和应用层 ZigBee网络层主要用于Zigbee的WPAN网的组网连接，数据管理以及网络安全等。为了向应用层提供接口，网络层提供了两个功能服务实体，分别为数据服务实体NLDE和管理服务实体NLME。NLDE为应用层提供数据传输服务，NLME为应用层提供网络管理服务，并且，NLME还完成对网络信息库NIB的维护和管理。 ZigBee应用层包括应用支持子层APS（Application Support Su

53、b-Layer）、应用框架AF（Application Framework）、ZigBee设备对象ZDO（Zigbee Device Objects）。它们共同为各应用开发者提供统一的接口，以便对Zigbee技术的开发应用。其中，应用框架主要为Zigbee技术的实际应用提供一些应用框架模型等，为各个用户自定义的应用对象提供了模板式的活动空间，为每个应用对象提供了键值对KVP服务和报文MSG服务两种服务，供数据传输使用。 返 回上 页下 页 应用框架层可以通过这些信息来决定服务类型。设备对象ZDO是一个特殊的应用层的端点，实际上是介于应用层端点和应用支持子层中间的端点，其主要功能集中在网络管理和

54、维护上。应用层的端点可以通过 ZDO提供的功能来获取网络或者是其他节点的信息，包括网络的拓扑结构、其它节点的网络地址和状态以及其他节点的类型和提供的服务等信息。 ZigBee联盟还开发了可以选用的安全层，以保证这种便携设备不会意外泄漏其标识，而且这种利用网络的远距离传输不会被其它节点获得。（3）网络层和应用层 2、ZigBee组网技术分析 ZigBee网络支持多种网络拓扑结构，最典型的网络结构是星型网络的拓扑结构。对于星型网络，由一个协调器和多个终端节点组成。在星型网络中，所有的通信都是通过协调器转发，节点间不能直接通信，中心节点的能量消耗大。这样的网络结构有三个缺点：一是会增加协调器的负载，

55、对协调器的性能要求很高；二是协调协作都通过协调器转发的话，会极大的增加系统的延时，使得系统的实时性受到影响；三是单一节点的破坏造成整个网络的瘫痪，降低了网络的鲁棒性。因此，星型网络适合于网络节点较少、网络结构简单、小范围的网络应用。返 回上 页下 页ZigBee还支持树状（Tree）和网状（Mesh）等对等网络。在对等网络中，也存在一个PAN协调器（Coordinator），但是它已经不是网络的主控制器，而是主要起到发起网络和组网的作用。在对等网络中，一个设备在另一设备的通信范围之内，他们就可以互相通信。对等网络拓扑结构主要在工业检测和控制，无线传感网络，供应物资跟踪，农业智能化以及安全监控方

56、面都有广泛的应用。返 回上 页下 页2、ZigBee组网技术分析（1）地址分配在ZigBee网络中，使用两种地址： 一个是64位全球唯一的IEEE地址，作为设备（产品）的终生地址被分配。 一个是16位网络地址（也可以叫逻辑地址或短地址），在设备加入网络的时候被分配，由这个网络自动分配。返 回上 页下 页2、ZigBee组网技术分析（2）组网的路由协议 在ZigBee网络中，各个设备之间发送消息时，使用了多跳传输，以增大网络的覆盖范围。其中，组网的路由协议是采用了ClusterTree与无线自组网按需距离矢量AODV路由协议相结合的路由算法。节点可以按照父子关系使用ClusterTree簇树算法

57、选择路径，即当一个节点接收到分组后发现该分组不是给自己的，则只能转发给它的父节点或子节点。显然这并不一定是最优的路径，为了提高路由效率，ZigBee网络中也让具有路由功能的节点使用AODV发现路由，即具有路由功能的节点可以不按照父子关系而直接发送信息到其通信范围内的其它具有路由功能的节点，而不具有路由功能的节点仍然使用ClusterTree路由发送数据分组和控制分组。返 回上 页下 页二、ZigBee组网技术分析 ZigBee的标准版本变动较快，我们既要看到它快速发展的势头，也要注意里面可能存在的一些问题。ZigBee1.1较原有ZigBee1.0作了若干修改，依然无法达到最初期望的用单一标准

58、来满足各种应用，最终不得不另订新标准。ZigBee Pro与之前的ZigBee 1.1有诸多的不同，且推翻许多在ZigBee 1.0、1.1版中的设计，既有去除的，也有新增的。尽管ZigBee和ZigBee Pro在大部分特性上相同，但只有在有限条件下二者的设备才能在同一网络上同时使用。ZigBee 1.0与ZigBee 1.1之间已有若干兼容性问题，而ZigBee 1.1与ZigBee Pro兼容问题更为扩大，由于标准规范内容尚不够完善，以致依据标准开发设计出的ZigBee芯片，也还没全部达到可交换互通性，存在许多芯片只支持部分标准的情况。另外，在标准未明确定义规范的地方，多数厂商采行自有设

59、计加以解决 。二、ZigBee组网技术分析 8.6.5 WiFi技术概述 1999年，为了统一兼容IEEE802.11标准的设备，各厂商结成了一个标准联盟WiFi（ Wireless-Fidelity ）联盟，IEEE802.11系列标准成为无线局域网WLAN 中的事实标准。IEEE802.11标准家族有802.11a、802.11b、802.11g、802.11n等。WiFi一定程度上成了WLAN、IEEE802.11系列标准的代名词。 WiFi技术使用2.4GHz和5GHz周围频段，将有线网络外接一个无线路由器，把有线信号转换成WiFi信号，达到网络延伸的目的，扩展了无线上网的多样性，因而

60、，WiFi技术在掌上设备上应用极其广泛，智能手机、平板电脑都是其中的突出代表，而传统计算机中，笔记本电脑全部支持WiFi功能，新型的台式电脑也越来越多的具备了WiFi无线上网功能。返 回上 页下 页 8.6.5 WiFi技术概述 （1）其无线电波覆盖范围广，适宜单位楼层以及办公室内部运用。（2）速度不仅快，而且可靠性高。以802.11b的无线网络为例，最高带宽是11Mbps，在信号有干扰或者比较弱的情况之下，带宽可以调整到1Mbps、5.5Mbps及2Mbps，带宽自动调整，有效保障网络的可靠性和稳定性。（3）无需布线。WiFi的优势主要在不需要布线，可不受布线条件的限制。所以十分适宜移动办公