5 物联网通信 5.1 短距离通信技术

5.物联网通信物联网概论主讲教师：12物联网五大关键要素物联网关键要素及涉及的技术示例IoT关键要素涉及的技术示例识别命名电子产品代码（EPC）、泛在码（UCode）寻址IPv4、IPv6感知智能传感器、可穿戴设备、嵌入式传感器、执行器、射频识别标签通信射频识别通信（RFID）、近场通信（NFC）、超宽带通信（UWB）、蓝牙通信（BT）、蓝牙低功耗通信（BLE）、紫蜂通信（Zigbee）、Z-Wave、WiFi、LTE、LTE-A计算硬件Arduino、树莓派、MediaTekLinkItONE等物联网硬件平台软件Contiki、TinyOS、LiteOS、AndroidThings等物联网操作系统服务身份服务（如供应链管理）信息聚合服务（如智能电网）协作感知服务（如智能家居）3现代通信系统一般模型信源：信息的发布者，是信息的源头，即产生信息的所在。发信机和收信机：分别负责发送和接收信号，在双工系统中，发信机和收信机通常集成在一起以负责信息的收发。信道：是信息传输的通道，可以是有线或者无线。在通信的过程中，还有可能迭加噪声。信宿：是信息的归宿，即是信息最终的接收者。4选用合适的网络和通信技术应用场景宽泛丰富终端节点异构性终端节点能力受限要在对应用场景及客观需求进行分析的基础上，选用合适的网络和通信技术55.物联网通信5.25.1短距离通信技术5.3低功耗广域网通信技术长距离通信技术和物联网密切相关的典型短距离无线通信技术WiFi蓝牙

Bluetooth紫蜂

ZigBee超宽带UWB光保真LiFiZ-Wave近场通信NFC射频识别RFID7短距离通信技术——WiFi工作频段：2.4GHz和5GHz覆盖范围广。与蓝牙技术的覆盖范围大约只有15米左右相比，WiFi的覆盖半径可达100米左右。一些厂家进行增强后，覆盖半径可达到200至300米，特别适合写字楼、商场、学校等场合使用。传输速度快。802.11n是当前WiFi最常用的标准，支持多入多出（MultipleInputMultipleOutput，简称MIMO）技术、空时分组码技术、以及标准带宽和双倍带宽。数据传输速率通常为300Mbps，双倍带宽下最高可达600Mbps，传输范围也进一步增加。搭建成本低，进入门槛低。功耗较低，健康安全。IEEE802.11规定的发射功率不可超过100毫瓦，实际发射功率约60~70毫瓦；相比之下，手机发射功率约200毫瓦至1瓦，手持式对讲机高达5瓦。8短距离通信技术——蓝牙标准传输距离：通常为10米，使用增强技术可将有效传输距离扩充到百米以上。低功耗。设备在通信连接状态下，有四种工作模式：激活（Active）、呼吸（Sniff）、保持（Hold）和休眠（Park）。除了激活模式外，其余三种都是低功耗模式。语音数据同传。支持异步数据和同步语音的同时传输。工作在2.4GHz的ISM频段，抗干扰能力强。工作在ISM频段的无线电设备有很多，如家用微波炉、WiFi及HomeRF等。为抵抗来自这些设备的干扰，蓝牙采用跳频的方式来扩展频谱，在工作频段2.402~2.48GHz内分成79个频点，相邻频点间隔1MHz。设备在某频点发送数据后，会以伪随机的规律跳到另一个频点发送数据。9短距离通信技术——蓝牙模块体积小，便于集成。超小型蓝牙模块尺寸：长宽高均小于1cm。开放的接口标准。蓝牙技术联盟将蓝牙标准全部公开，任何单位和个人可依照标准进行产品开发，只要最终通过蓝牙技术联盟的产品兼容性测试，就可以推向市场。低成本。蓝牙作为国际标准，在全球拥有最广泛的的通用性，刺激了庞大的市场需求，并将蓝牙技术的使用成本摊薄。10蓝牙历经多版本，速度不断提高蓝牙4.1@2013提供蓝牙低能耗提供高数据速率提供IP连接以支持物联网的需求。蓝牙4.2@2014改善数据传输速度：提高了2.5倍。改善隐私保护：连接或追踪用户设备必须经过用户许可。11蓝牙5.0的改善传输速度相对于蓝牙4.2翻倍，标准数据速率为2Mb/s123456蓝牙5.0传输距离是蓝牙4.2的4倍，有效工作距离可达300米。支持八倍广告信息容量，扩展广告允许每个数据包发送最多255个字节的有效负载数据，而不是旧版本的31字节数据有效载荷。室内定位辅助功能，结合WiFi可实现精度小于1m的室内定位。功耗进一步大大降低，巩固了蓝牙作为智能可穿戴设备以及智能家居设备的主要连接方式的地位。进一步支持物联网应用，有针对性的进行了底层优化。12蓝牙5.0：两倍速度两倍速度相同数量数据可以在更短时间内传输完毕，从而带来功耗的降低。功耗的降低无线共存性能的改善支持更丰富的物联网应用更少的无线电接通时间，带来无线共存性能的改善。视频流、音频流和突发大数据传输（图像）等可以通过蓝牙来传输，带来更多丰富的物联网应用。13蓝牙5.0：四倍距离四倍距离蓝牙5.0的传输距离是旧版本蓝牙技术的4倍，可达到300米左右。达300米支持远程遥控设备低功耗优势更远的传输距离意味着远程遥控设备，对家庭自动化和工业应用等场景的支持。相比WiFi，蓝牙用于智能家居（智能灯、智能锁、智能电视盒子）在低功耗性能方面优势明显。14蓝牙5.0：八倍广告消息容量八倍广告消息容量低功耗蓝牙（BLE）设备可以运行在三种主要状态：广告、扫描或连接。BLE三种状态引入扩展广告模式支持更丰富的物联网应用扩展广告模式允许每个数据包发送最多255字节的有效负载数据，是早期蓝牙版本字节限制的八倍。随着广告消息容量的增加，保持广告状态的信标设备可以传输更多的数据，从而支持更多新型物联网应用。15蓝牙5.0：底层优化和功能增强底层优化功能增强新的远程和高速模式是可选功能，声称支持蓝牙5.0的芯片组或设备可能不支持这些可选功能。功能可选功能实现需要收发两端的支持功能实现需要软硬件的支持新功能实现需要蓝牙通信的两端设备均确保支持。例如，若想在传感器设备和智能手机之间长距离传输传感器数据，二者都需要支持蓝牙5.0和增强远程模式。目前能完整支持蓝牙5.0及其新特性的设备（特别是智能手机）并不常见。除去硬件支持外，还需要其API为移动开发人员使用这些功能进行授权。16案例分析：基于iBeacon的信息推送17什么是iBeacon是苹果公司在iOS7版本所发布的新特性。基于低功耗蓝牙BLE4.0技术实现。iBeacon基站基于低功耗蓝牙BLE向周边广播蓝牙信号，终端根据接收信号场强随距离衰减的模型计算终端与iBeacon基站的距离，并将与基站的靠近程度区分为贴近（Immediate，几厘米）、近距（Near，1米以内）、远距（Far，大于1米）三个范围等级。苹果公司将iBeacon相关的技术开发标准完全对外开放，只要满足iBeacon技术标准，就可以应用它，比如谷歌公司在Android4.3中就支持iBeacon。18iBeacon结合微信实现广告推送结合微信实现广告等信息推送是iBeacon最常见的应用之一。在商场、电梯间甚至公交车的电视屏幕旁，常有微信摇一摇的提示，打开微信摇一摇界面，会看到多出一个“周边”的标签，摇动手机，就会摇出一个公众号，点击进去一般是广告或优惠券页面，商家以此吸引用户到店消费。1920iBeacon结合微信实现广告推送iBeacon结合微信实现广告推送的具体步骤（1-3）21参数申请与配置。商家购买iBeacon基站，在微信后台申请iBeacon基站ID，该ID是识别iBeacon基站的唯一标识符，包括厂商识别号（UUID，128位）、群组号（Major，16位）和组内单个Beacon号（Minor，16位）。商家将这些参数配置到iBeacon基站。结果页面配置。商家配置摇一摇周边的指向HTML5结果页面，如优惠券信息、公众号、广告页面等，将这个页面和iBeacon设备绑定。iBeacon基站部署。商家将iBeacon设备放到某个位置，一般可以在地面或墙面部署。iBeacon结合微信实现广告推送的具体步骤（5-8）22用户获取iBeacon基站的广播信号。iBeacon基站基于BLE技术向周边广播蓝牙信号，当持有智能终端的用户走进iBeacon基站周边设定区域，用微信摇一摇周边，就会收到iBeacon基站发出的信号。用户向服务器上传iBeacon基站ID。微信应用从iBeacon基站发出的信号中获取该iBeacon基站的ID（UUID+Major+Minor），并将该基站ID上传至微信服务器。服务器向用户推送结果页面链接。微信服务器将iBeacon基站ID对应的结果页面的链接返回给用户。用户点击链接，终端内置浏览器打开链接，即看到结果页面对应的信息。短距离通信技术——ZigBeeZigBee与蓝牙类似，是一种新兴的短距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线通信技术，用于传感控制类(SensorandControl)应用。工作频段：ISM频段，2.4GHz（全球）、868MHz（欧洲）、915MHz（北美）。传输速率：最高250kbps、20kbps以及40kbps。传输距离在10m到75m之间，可通过增加功率放大模块的方式提升传输距离。23短距离通信技术——ZigBee24ZigBee依据802.15.4标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波相互协调实现通信。星状树状网状ZC：协调器ZR：路由器ZED：终端短距离通信技术——ZigBee25低功耗。低耗电待机模式下，2节5号干电池可支持1个节点工作6～24个月，甚至更长。相比较，蓝牙能工作数周、WiFi可工作数小时。ZigBee的响应速度较快，从睡眠转入工作状态（休眠激活时延）只需15ms，节点连接入网只需30ms，进一步节省了电能。相比较，完成同样动作，蓝牙和WiFi都需要数秒。低成本。大幅简化协议，降低了对通信控制器的要求，免协议专利费。低速率。可提供250kbps(@2.4GHz)、40kbps(@915MHz)和20kbps(@868MHz)的原始数据吞吐率，专注于低速率传输应用的需求。短距离通信技术——ZigBee26近距离。传输范围（相邻节点）介于10～100m之间，增加发射功率后，可增加到1～3km。再通过路由和节点间通信接力，传输距离可以更远。超大容量。采用星状、片状和网状网络结构，由一个主节点管理若干子节点（最多254个）；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。高安全。可灵活设置的三级安全模式，包括安全设定、使用访问控制清单(AccessControlList,ACL)防止非法获取数据以及采用高级加密标准（AES-128加密算法）的对称密码。自组织组网。自愈能力强，通信可靠性高。短距离通信技术——ZigBee27智能家居机顶盒、卫星接收器、家庭网关等：家庭监控和能源管理等解决方案Zigbee手机（韩国）：将个人电脑、家用设备和电动开关连接智能工业传感器+ZigBee：数据的自动采集、分析和处理，如危险化学成分的检测、火警的早期检测和预报、高速旋转机器的检测和维护基于ZigBee的自动抄表系统交通运输分布式交运信息系统：跟踪公共交通情况、根据不同交通流量动态调节红绿灯，追踪超速的汽车或被盗的汽车、精确定位和交通环境分析等楼宇自动化电灯开关、烟火检测器、抄表系统、无线报警、安保系统、HVAC、厨房器械：远程控制服务智慧农业农业蔬果大棚监测组网系统（深圳）：实时采集温室内温度、土壤温度、CO2浓度、湿度信号以及光照、叶面湿度、露点温度等环境参数，自动开启或者关闭指定设备案例：ZigBee智能照明28光照感知与控制的实现示意29短距离通信技术——UWB超宽带无线通信技术（Ultra-WideBand,UWB）：一种新型无线通信技术，利用纳秒至微秒级的非正弦波窄脉冲（而不是载波）传输数据。传播距离：在较宽的频谱上传送极低功率的信号，10米左右。传输速率：数百Mbps至数Gbps的数据传输速率。频率范围：3.1GHz到10.6GHz之间30UWB技术特点通过发送纳秒级脉冲（而不是载波）来传输数据，通信系统的结构大大简化，容易实现。123456系统结构简单高速数据传输低功耗高安全性定位精确工程简单造价低以超宽的频率带宽（数GHz）换取高速数据传输（高达1Gbps）。高速通信时系统的耗电量仅为几百微瓦到几十毫瓦。设备功率是传统移动电话功率的1/100，蓝牙设备功率的1/20。信号能量弥散在极宽的频带内，相当于白噪声，信号功率谱密度低于自然电子噪声。监测困难，安全性高。具有极强的穿透能力，可在室内和地下进行精确定位，不同于GPS的绝对地理定位，可实现相对定位，定位精度达厘米级。以全数字化的方式在工程上实现。只需要以一种数学方式产生脉冲，并对脉冲产生调制，涉及电路可被集成到一个芯片上。31UWB：适合较高定位精度需求的物联网应用高危行业人员监控和救援1234UWB采用纳秒级非正弦窄脉冲通信，穿透力强，可以达到厘米级别的定位精度特别适合有较高定位精度需求的物联网应用，是未来十年的室内定位主流技术可实时监控人员或物资的位置信息，实现对人员与物资的风险管理和安全保障公司访客管理存货物资管理展馆位置优化32全球UWB定位技术五巨头33定位精度：1-10cm最大射程：400米支持大范围定位和三维实时定位短距离通信技术——LiFiLiFi（LightFidelity），又称“光保真技术”或“可见光通信”，由德国物理学家哈拉尔德•哈斯教授发明。基本原理：通过改变房间照明光线的闪烁频率进行数据传输。当电流被施加到LED灯泡上时，LED灯泡所发出光的亮度可以以极高的速度改变，这意味着可以以不同速率调制光来发送信号。LiFi接入点：借助LiFi，只要有电灯存在的环境，就有LiFi接入，LiFi热点成为互联网的新型入口。组网：在LiFi接入点后面，通常使用以太网供电（POE）或电力线通信（PLC）连接到骨干网络。34LiFi的优势高速数据传输。数据速率高达数Gbps。在一个有6个LiFi集成灯的房间中，每个灯传输数据速率为42Mbps，则房间的总无线容量可以达到252Mbps。抗干扰性。不依靠无线电波，而是由照明区域来定义，没有电磁干扰，特别适合医院、电厂、飞机等不宜采用无线通信技术的场合。安全可靠。可见光被容纳和限制在一个物理空间中，只沿直线传播，不能穿透物体，不易被截取和泄露，且有利于资产追踪及用户认证的精确定位。低延时。比WiFi低约三倍的延时。可定位。支持部署高级地理围栏功能。低能耗。照明和通信的深度耦合，光照明的同时就能传输信号，为通信所消耗的功率不到发光功率的5%。部署方便。只要有光源的地方，如街边路灯都可以作为LiFi热点。35LiFi国内外现状研究实验阶段，完整产业链尚未形成。国内LED设备商：对LiFi的参与程度相对较高国内通讯设备供应商：对LiFi的研究集中在控制、通信、定位三个方面，如华为、中兴等。国内电力运营商：国家电网等正在联合科研院所进行LiFi技术的实验室研究。国外：韩国三星电子的半导体芯片在LiFi领域布局较多。36LiFi的缺陷光信号不能穿墙，传输距离有限，仅为10米左右。如果想在建筑物内或家居环境里无间断地上网，必须确保每个房间里都有安装了LiFi芯片的智能灯泡。LiFi在户外（特别是白天）工作不易。如果自然环境光（如太阳光）过于强烈，会对信号传输形成干扰。双向传输存在难度。下行传输依靠可见光通信，上行传输依靠红外通信。37短距离通信技术——Z-Wave38基于射频的短距离无线通信技术专为住宅和轻型商业环境中的控制、监测和状态读取应用而设计传输速率：9.6/40/100kbit/s，小数据包传输信号有效覆盖范围：室内30m，室外100m+工作频率@1GHzISM频段：868.4MHz@欧洲/中国大陆908.4/916MHz@美国/加拿大919.8/921.4MHz@澳大利亚/巴西39支持网状网连接以及消息确认机制可支撑智能家庭和智慧建筑的无线控制类应用，支持各类智能设备相互连接并交换控制命令和数据低功耗性能上优于Wi-Fi，远程覆盖性能上优于蓝牙在短距离无线通信技术中，相对较低的传输频率、相对较远的传输距离和一定的价格优势。在智能抄表、照明及家电控制、供热通风与空气调节、接入控制、防盗及火灾检测等物联网应用中，都可以考虑采纳Z-Wave作为连接技术方案。Z-Wave：控制监测类应用@住宅及商业环境40控制节点：存储全网拓扑信息，计算信息传输路径，规定所有节点的路由地址，可充当中继器路由节点：只储存与自身相关的部分节点的拓扑信息，定义部分节点的路由地址，可充当中继器从节点：不存储拓扑信息，不计算信息传输路径，只响应来自控制节点和路由节点的命令，可充当中继器Z-Wave灯光控制系统Z-Wave的网络结构：网状拓扑，三种节点类型企业经验——Z-Wave网络部署41企业经验：Z-Wave在户外的距离单跳传播距离约为100m，但建筑物的存在会缩短这个距离。实践中，建议大约每10m（或更近）安装一个Z-Wave设备，以实现较好的覆盖效果。Z-Wave网络可以连接在一起，用于更大的部署。每个Z-Wave网络可以支持多达232个Z-Wave设备，用户可以在这样的限制下灵活地添加尽可能多的设备。Z-Wave的双向应答机制42当一个节点被分配了网络ID和节点ID并接入Z-Wave网络之后，节点能够自动寻找周围的邻居节点，邻居节点也会向该新节点发送确认信息。

如上图的Z-Wave组网：控制节点发出寻找节点的信息后，获取新加入节点A的信息，然后分配地址给节点A，节点A反馈信息给控制节点，确认加入Z-Wave网络。43Z-Wave：在网状