物联网关键技术笔记37

叵I

知识补充:

大数据与移动互联网、物联网以及传统

物联网,a,J原.取自《互联习强化论》一多

大数据

传

统

互

联

网

生产设％

云，算移动氧用

《物联网关键技术》

物联网技术概论

老子曰：“不出户知天下，不窥牖见天道。其出弥远，其知弥少。是以圣人不行而知，

不见而名，不为而成。”物联网正是可以实现这种境界。

物联网的本事是互联网的落地，即进一步实现物物相连。

在安全、健康、能源、效率、环境等等方面依然存在着巨大的隐患问题。物联网的发展,

能大大促进当前以效率、节能、环保、安全、健康为可信的全球信息化发展，例如智能交通、

电子医疗、智能电网等等技术应用的成熟。

物联网(IOT,InternetofThings)。也是“传感网”在国际上的通称。通俗地讲，物联网

就是万物都可以上网，物体通过装入射频识别设备、红外感应器、全球定位系统或其他方式

进行连接，然后接入到互联网或移动通信网络，最终形成智能网络，通过电脑或手机实现对

物体的智能化管理。

PS：美国IBM公司“智慧地球”，日本和韩国分别提出“U-JAPAN”和“U-KOREA”

战略。中国提出“感知中国”的发展策略。

从技术的角度讲，物联网应该具备3个特征，一是全面感知，即利用RFID、传感器、

二维码等随时随地获取物体的信息；二是可靠传递，通过各种电信网络与互联网的融合，将

物体的信息实时、准确的传递出去；三是智能处理，利用云计算、模糊识别等各种智能计算

技术，对海量数据和信息进行分析和处理，对物体实施智能化控制。这三个特征也提供了物

联网体系结构划分的基础。

物联网体系结构

感知层网络层应用层

1.感知层：智能终端和智能小物体（传感器）。

2.网络层：编码寻址（IPV4,IPV6）和统一管理（针对多样格式的数据）。_____

3.应用层：应用支撑平台子层和应用服务子层。“三网结合”即传感网、互联网和通信网自

相结合=物联网。

物联网总体架构

1.在感知层：物联网终端形态包括普通物联网终端、M2M终端、感知接入网关、感知子网

节点、终端外设及卡识读物。

2.在网络层：主要包括接入网、传输网、核心网、业务网、网管系统和业务支撑系统。

3.在应用层：要求应用系统通过统一接口来实现与感知层的通信。

物联网核心技术

物联网的结构大致可以分为三个层次：首先是传感网络，以二维码、RFID

技术）、传感器为主，实现“物”的识别；其次是传输网络，通过现有的互联网，广

通信网络或者未来的NGN（下一代网络），实现数据的传输与计算；第三是应用网Z

入/输出控制终端，可基于现有的手机、PC等终端进行。

物联网与泛在网概念的差异

泛在网（UbiquitousNetwork）是指基于个人和社会的需求，实现人与人、人与物、物

与物之间按需进行的信息获取、传递、存储、认知、决策、使用等服务，网络具有超强的环

境感知、内容感知及其智能性，为个人和社会提供凡在的、无所不含的信息服务和应用。泛

在网具有比物联网更广泛的内涵。

表1传感网、物联网及泛在网三者的比较

标退化组於

定义终端基础网络通信对象

A・

实现传感器的互联和信

传感网传感器物对物▼

息收集

・

将各种信息传感设备如传感器、

RFID、红外感应器、GPS、RFID、二维一个或多TERR

物对物、

物联网激光扫描器等与互联网码、内置移动个基础网ETSI

物对人

结合，实现对所有物品的通信的各种络EPCGlobal

智能化识别与管理模块

通过网络的泛在互联、实

传感器、

现物与物、物与人、人与

RFID、二维ITU

人之间按需的信息获取、物对物、

码、内置移动所有的网3GPP

泛在网传递、储存、认知、分析、物对人、

通信的各种络GSMA

使用等服务，强调人机自人对人

模块、手机、OMA

然交互、异构网络融合和

上网卡等

智能应用

物联网的行业应用

应用场景：城市安全管控、城市环境管控、城市能源管控（楼宇设施能源管理和IT设施能

源管理）、家庭数字生活等。

影响物联网发展的因素

1、物联网协议问题：在物联网核心层面是基于TCP/IP,但在接入层面，协议类别繁多，

GPRS、短信、传感器、TD-SCDMA、WCDMA、有线等等多种通道。物联网需要一个同意

的协议基础。

2、个人隐私与数据安全

3、网关形态

4、产业链复杂，需要整合

5、公众信任

6、标准化

7、系统开放

8、研究发展

物联网发展步骤

预计物联网的发展情况将会分为以下几个阶段：

1、2009-2012：物联网市场规模小，主要以M2M的形态出现

2、2013-2015：M2M开始有一定规模，物联网有了一定规模的企业应用。承载网络也需要

一定升级以适应大量的M2M及物联网应用，市场需求增加。

3、2016往后，物联网行业应用数量激增，已广泛渗透到大中企业，家庭应用。

—无线传感器网络

无线传感器网络（WSN,WirelessSensorNetworks）综合了传感器技术、嵌入式计

现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等，能够通过各类集成化的微型传

地实时检测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，这些信息通过无线方式被发送，并以

自组织多跳中继①方式传送到用户终端，从而实现物理世界、计算世界以及人类社会三元世

界的连通。

无线传感器网络的发展历史

1.简单传感器网络：20世纪70年代，使用具有简单信息信号获取能力的传统传感器，采用

点对点传输，与传感控制器连接构成传感器网络。

2.智能传感器：将计算能力嵌入到传感器中，使得传感器节点不仅具有数据采集能力，而且

具有滤波和信息处理能力。

3.无线传感器网络：20世纪90年代，将网络和无线通信技术引入到传感器节点中，降低了

网络部署成本，使得传感器节点不仅仅是感知单元，而变成了可交换信息、协同工作的网络

有机体。

无线传感器网络体系结构

从器件上来看，这种节点集成了传感单元（由传感器和模/数转换功能模块组成）、处理

单元（由嵌入式系统构成，包括CPU、存储器、嵌入式操作系统等）、通信单元（由无线通

信模块、收发器等组成）以及电源等部分，有些节点还具有定位系统和移动系统。

®中继：中继是两点间的一条传输信道，这两点通常是交换中心。中继线是承载多条逻辑链路的一条物理

连接。随着科技发展，中继的概念不仅应用于无线通信中，网络通信交换机的trunk也可以称之为一种中继。

图2-1无线传感器网络节点结构

图1无线传感器网络体系结构

在传感器网络中，节点通过各种方式大量部署在被感知对象内部或附近。这些节点通过

自组织方式构成无线网络，以协作的方式感知、采集和处理网络覆盖区域中特定的信息，可

以实现对任意地点信息在任意时间的采集，处理和分析。一个典型的传感器网络的结构包括

分布式传感器节点（群）、sink节点①、互联网和用户界面等。传感节点之间可以相互通信，

自己组织成网并通过多跳的方式连接至Sink（基站节点），Sink节点收到数据后，通过网关

（Gateway）完成和公用Internet网络的连接。整个系统通过任务管理器来管理和控制。

无线传感器网络的特点

总的来说：分布式控制、无中心和多跳②传输

主要体现：1、节点数量庞大

2、节点密集部署

3、节点易于破坏（所处环境通常恶劣）

4、网络拓扑结构③变化剧烈

5、节点资源受限（为了降低成本导致的）

6、节点不必具有全局ID（不用关心单个节点信息）

7、以数据为中心（节点可随机部署，节点部署位置信息不是很重要）

其典型应用有：军事应用、抢险救灾、环境监测、医疗保健等

无线传感器网络协议栈

网络体系结构是网络的协议分层以及网络协议的集合，是对网络及其部件所应完成功能

的定义和描述。该网络体系结构由分层的网络通信协议、传感器网络管理以及应用支撑技术

部分组成，如下表所示：

®Sink节点：在无线传感器网络指汇聚结点，主要负责传感器网与外网（eg：gprs,internet等）的连

接，可看作网关节点。

®多跳：由发站到收站的传输，需经过多次卫星转发的方式。

®网络拓扑结构：网络拓扑是网络形状，它的结构主要有星型结构、环形结构、总线结构、分布式结构、

网状结构、蜂窝结构、树形结构等等。

表1无线传感器网络协议

分层的网络通信协议物理层数据链路层网络层传输层应用层

能量管理拓扑管理QOS支持网络管理网络安全移动面远A.

传感器网络管理

程管理

应用支撑技术时间同步节点定位分布式协同应用服务接口

分层的网络通信协议之物理层协议

传输媒体：

1.光通信

2.红外通信

3.无线电®通信：使用ISM（工业、科学、医学）频段，其中某些部分已经用于无绳电话和

无线局域网②（WLAN）。两大难点：一是天线尺寸应为〃4左右，尺寸越小价格约昂贵，

使用的频段越高；二是讲笑调制、滤波、解调的能耗。四种工作状态：发射、接收、空闲、

休眠。

分层的网络通信协议之MAC协议

MAC协议@,即媒体访问控制子层协议。在网络协议中，数据链路层的媒体接入控制协

议（MAC）协议直接控制无线通信模块的工作，建立点到点或者点到多点的通信链路，与传

统的无线网络MAC协议不同，无线传感器网络的MAC协议要考虑节点功耗问题。传感器

无线通信模块四种工作状态中，发送、接收和空闲这三个状态的节点功耗都很大，其中空闲

侦听是无线传感器网络中最主要的无效功耗来源。

表1MAC协议性能评价指标

传统无线网络公平性传输延迟等

能量高效性可扩展性（针对不同应用环境）自适应性（针对可

无线传感器网络

变的网络拓扑结构）

。无线电：无线电是指在自由空间（包括空气和真空）传播的电磁波，是其中的一个有限频带，上限频率

在300GHz（吉赫兹），下限频率较不统一

@无线局域网：工作于2.5GHz或5.8GHz频段，以无线方式构成的局域网。利用RF射频技术，

®Mac协议：MAC协议的主要作用是保证公平性和有效的资源共享。MAC机制主要分为两类：1基于竞

争的协议2无竞争的信道协议。

表2MAC协议分类

4

根据信道数量单信道双信道多信道

根据控制方式集中式控制分布式控制

根据接入方式竞争型分配型混合型

出于整体网络成本的考虑，近期研究中，单信道MAC协议为主流。

典型的MAC协议：Sensor-MAC(S-MAC)、Timeout-MAC(T-MAC)>X-MAC、P-MAC、

Data-gatheringMAC(D-MAC)>Berkeley-MAC(B-MAC)>Z-MAC等等。

分层的网络通信协议之路由①协议

无线传感器网络的特点使得众多传统固定网络与移动自组织网络的路由协议不能有效

地应用于无线传感器网络，必须为传感器网络设计专用协议。

无线传感器网络与其他网络的比较和为其设计专用协议所需考虑的方面如下表1和表2

所示。

表1无线传感器网络路由协议性能评价

能网络拓扑变数据报文长节点资源限以数据为中

数据流分布

化度制心

移动自组织

高长小不明显不明显

网络

无线传感器地理位置相

低短大明显

网络关

表2无线传感器网络路由协议设计

能量消耗单个节点功耗和功耗的节点平均分配

节点或链路的异构性路由协议应充分利用不同能力的节点

数据融合问题路由协议能分组汇聚类似节点以有效节能和数据传输优化

考虑网络拓扑结构的变化，路由协议算法应快速收敛并尽量简单，

算法的收敛性和复杂度

占用少量存储空间

动态性和扩展性适应网络结构变化

。路由：工作在OSI参考模型第三层一一网络层的数据包转发设备。路由器根据收到数据包中的网络层地

址以及路由器内部维护的路由表决定输出端口以及下一跳地址，并且重写链路层数据包头实现转发数据包。

路由器通过动态维护路由表来反映当前的网络拓扑，并通过网络上其他路由器交换路由和链路信息来维护

路由表。

分层的网络通信协议之传输层②协议

OSI参考模型TCPIP妙考嘤型

应用层

表示层应用层数据段

会讯层

传愉成传愉层数据包

网络层网络互连层数据帧

数据链路层

主列利网络L2比特

物理层

1

无线传感器网络数据传输的特点：

1.传感器网络大多选择免费的ISM频段且节点资源受限，使得网络传输误码率较高。

2.数据流量树形分布，越靠近Sink网关®节点的区域发生拥塞的可能性越大。

®QoS：(QualityofService)即服务质量。对于网络业务，服务质量包括传输的带宽、传送的时延、数据的

丢包率等。

。传输层：OSI层模型中负责数据通信的最高层，又是面向网络通信的低三层和面向信息处理的高三层之

间的中间层。该层弥补高层所要求的服务和网络层所提供的服务之间的差距，是唯一负责总体的数据传输

和数据控制的一层。传输层提供端到端的交换数据的机制，传输层对会话层等高三层提供可靠的传输服务,

对网络层提供可靠的目的地站点信息。

®网关：网关(Gateway)又称网间连接器、协议转换器。网关在传输层上以实现网络互连，是最复杂的网络

互连设备，仅用于两个高层协议不同的网络互连。网关既可以用于广域网互连，也可以用于局域网互连。

在使用不同的通信协议、数据格式或语言，甚至体系结构完全不同的两种系统之间，网关是一个翻译器。

3.传感器节点的存储资源极其有限，在网络流量过大时，容易导致协议栈内的数据包油储缓

冲区溢出，产生丢包。

4.传感器节点易损，造成网络拓扑和传输路径剧烈变化。

5.数据融合对传输协议造成影响。

为什么UDP不适合无线传感器网络？

答：UDP为无连接传输服务，没有拥塞控制机制，当网络发生拥塞后造成大量丢:浪卜

能量，与上述第二点不兼容。

为什么TCP不适合无线传感器网络？

LTCP对于融合掉的数据包，视为丢包而引发重传，与上述第五点不兼容。

2.无线传感器网络拓扑变化较大，会给TCP连接的建立和维护带来很困难

3.TCP保证每个数据包都正确传输的特点不适用与无线传感器网络中数据强冗余性和关联

性的性质。

4.TCP重传实现机制对于数据量小的无线传感器网络数据包情况会造成无谓的能量浪费。

5.TCP要求每个节点具有全局的网络地址，很明显不适用于无线传感器网络中的节点。

无线传感器网络常见的传输层协议：

1.PumpSlowly,FetchQuickly(PSFQ)缓发快取

2.ESRT

无线传感器网络安全

无线传感器网络影响安全机制设计的几点因素：

1.节点能量®有限：所有的安全机制都需要引入控制保温或者增加数据包长度，这必将增加

节点的能量消耗。

2.节点存储受限

3.通信的不可靠性：无线信道的不可靠性和开放性

4.通信的高延迟：传感器网络大多采用多跳方式将数据包传输给Sink节点

5.安全需求多样性

6.网络无人值守

7.感知数据量大

无线传感器网络安全攻击:

协议层攻击方法防御手段

拥塞攻击跳频、优先级消息、低占空比、区域映射

物理层

物理破坏破坏证明、节点伪装和隐藏

碰撞攻击纠错码

数据链路层耗尽攻击设置竞争门限

非公平竞争使用短帧策略和非优先级策略

与网桥只是简单地传达信息不同，网关对收到的信息要重新打包，以适应目的系统的需求。同时，网关也

可以提供过滤和安全功能。大多数网关运行在OSI7层协议的顶层-应用层。

®节点能量：节点能量消耗来源主要为：传感器消耗、节点通信、处理器功耗，通信功耗远大于计算功耗。

虚假路由信息

选择性重发

女巫攻击

HELLO攻击

网络层告知欺骗

丢弃和贪婪破坏使用冗余路径、探测机浦u

汇聚节点攻击使用加密和逐跳认证机制1t

黑洞攻击认证、监视、冗余机制

方向误导攻击出口过滤、认证和监视机制

洪泛攻击客户端谜题

传输层

失步攻击认证

无线传感器网络安全技术:

1.加密技术

2.密钥管理

3.安全路由

盲区无线传感器网络分析和仿真技术

无线传感器网络nesC语言

nesC是对C的扩展，它基于体现TinyOS的结构化概念和执行模型而设计。TinyOS

是为传感器网络节点而设计的一个事件驱动的操作系统，传感器网络节点拥有非常有限的资

源（举例来说.，8K字节的程序储存器,512个字节的随机存取储存器）。TinyOS用nesC

重新编写。

1.结构和内容的分离：程序有组件®构成，它们装配在一起（"配线"）构成完整程序.

组件定义两类域，一类用于它们的描述（包含它们的接口请求名称），另一类用于它们的补

充。组件内部存在作业形式的协作。控制线程可以通过它的接口进入一个组件。这些线程

产生于一件作业或硬件中断。

2.根据接口的设置说明组件功能。接口②可以由组件提供或使用。被提供的接口表现

它为使用者提供的功能，被使用的接口表现使用者完成它的作业所需要的功能。

3.接口有双向性：它们叙述一组接口供给者（指令）提供的函数和一组被接口的使用者

（事件）实现的函数。这允许一个单一的接口能够表现组件之间复杂的交互作用（举例来说.，

当某一事件在一个回调之前发生时，对一些事件的兴趣登记）。这是危险的，因为TinyOS

①组件：组件（Component）是对数据和方法的简单封装。C++Builder中，一个组件就是一个从TComponent

派生出来的特定对象。组件可以有自己的属性和方法。属性是组件数据的简单访问者。方法则是组件的一

些简单而可见的功能。使用组件可以实现拖放式编程、快速的属性处理以及真正的面向对象的设计。VCL

和CLX组件是C++Builder系统的核心。

®接口：一系列声明的有名函数集合，同时接口也是连接不同组件的纽带。接口是一些抽象方法和常量所

组成的集合以使不相关的对象能够彼此通信。接口中不能实现任何方法，它的方法必须在继承它的类中实

中所有的长指令（举例来说.发送包）是非中断的；他们的完成由一个事件（发送完成）标志。

通过叙述接口，一个组件不能调用发送指令除非它提供sendDone事件的实现。通常推令向

下调用，比如，从应用组件到那些比较靠近硬件的调用,而事件则向上调用。特定的废始事

件与硬件中断是关联的（这种关联是由系统决定的，因此在本参考手册中不作进一步描］bo

4.组件通过接口彼此静态地相连。这增加运行时效率，支持rubust设计，许更

好的程序静态分析。

5.nesC基于由编译器生成完整程序代码的需求设计。这考虑到较好的代码重用和分

析。这方面的一例子是nesC的编译-时间数据竞争监视器。

6.nesC的协作模型基于一旦开始直至完成作业，并且中断源可以彼此打断作业.

nesC编译器标记由中断源引起的潜在的数据竞争。

盲区：nesC语法、£

TinyOW

TinyOS操作系统

简介

TinyOS的构件包括网络协议、分布式服务器、传感器驱动及数据识别工具。其良好的电

源管理源于事件驱动执行模型，该模型也允许时序安排具有灵活性。TinyOS已被应用于多

个平台和感应板中。

♦TinyOS操作系统、库和程序服务程序是用nesC写的

♦nesC是一种开发组件式结构程序的语言

♦nesC是一种C语法风格的语言，但是支持TinyOS的并发模型，以及组织、命名和连接组

件成为健壮的嵌入式网络系统的机制

◊nesC应用程序是由有良好定义的双向接口的组件构建的

OnesC定义了一个基于任务和硬件事件处理的并发模型，并能在编译时检测数据流组件

规范

♦nesC应用程序由一个或多个组件连接而成

♦一个组件可以提供或使用接口

•组件中command接口由组件本身实现

•组件中event接口由调用者实现

•接口是双向的，调用command接口必须实现其event接口

并发模型

♦TinyOS只能运行单个由所需的系统模块和自定义模块构成的应用程序

♦两个线程

◊任务

•一次运行完成，非抢占式

◊硬件事件处理

•处理硬件中断

•一次运行完成，抢占式

0

•用于硬件中断处理的command和event必须用

async关键字声明

盲区:TinyOS操作系级的使用___

无线传感器网络与通信网络的结合

芟于检联网应用的门户展承系燎

展示层

门，”站点也海期分单点登录电r地图苗础麒务

数字•(字故字融宇现提现处

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蜃闷感皿由的物联网应用系统

梅联怖:力朝腌力月泵

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(二)海・京第H成।三,云f能力■

(一)面向取务的架构信明胴务

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HinoUr冰停疑.叫夫

无线传感器网络部署在被监测对象内部或者附近，在大多数应用中每用户与网络的部署

地区相距甚远，如果在被监测区域到观察者之间的数据传输完全依靠无线传感器网络实现,

将极大的增加网络成本。同时，由于节点能力受限，很难保证数据传输的及时、安全和可靠。

由此可见，无线传感器网络和电信网①互联网②等通信网络的结合是发展的大趋势。

®电信网：(telecommunicationnetwork)利用有线、无线或二者结合的电磁、光电系统，传递文字、声音、

数据、图像或其他任何媒体信息的网络。在我国，电信网是指原邮电部建设、管理的网，如传统的电话交

换网(PSTN)、数字数据网(DDN)、帧中继网(FR)、ATM网等。电信网由终端设备、传输链路和交换设备三

要素构成，运行时还应辅之以信令系统、通信协议以及相应的运行支撑系统。

②互联网：(internet)互联网，即广域网、局域网及单机按照一定的通讯协议组成的国际计算机网络。互

联网是指将两台计算机或者是两台以上的计算机终端、客户端、服务端通过计算机信息技术的手段互相联

系起来的结果，人们可以与远在千里之外的朋友相互发送邮件、共同完成一项工作、共同娱乐。

业务和应用场景

图246货物追踪

物联网掀起了继计算机、互联网和移动通信网之后的又一波世界信息产业新浪潮。物联

网相关技术已成为各国竞争的焦点，它将成为未来经济发展、社会进步和科技创新的最重要

的基础设施。

-----Zigbee

Zigbee简介

Zigbee®的设计目标是在保证低耗电性的前提下，开发一种易部署、低复杂度、低成本、

短距离、低速率、自组织的无线网络，在工业控制、家庭智能化、无线传感器网络等领域有

广泛的应用前景。简而言之，Zigbee就是一种便宜的、低功耗的近距离无线组网技术。

Zigbee技术优势：

1.低功耗：Zigbee〈蓝牙＜WIFI

2.低成本：简化协议

3.低速率：20~250kbit/s

4.近距离：10m~100m之间

5.短时延：响应速度快，设备搜索时延一般为30ms,休眠激活时延15ms,设备信道接入

时延15mso进一步节省电能

6.网络容量大：适宜支持简单器件。全功能器件(FFD)和简化功能器件(RFD)。一个Zigbee

网络可以最多包括255个Zigbee网络节点，通过网络协调器，整个网络最多可支持超

过64000个Zigbee网络节点

7.高安全：在数据传输中提供了三级安全性。

8.免执照频段：物理层采用ISM频段

9.数据传输可靠：媒体接入控制层(MAC层)采用talk-when-ready的碰撞避免机制。

Zigbee联盟

联盟制定了IEEE802.15.4,具有高可靠、高性价比、低功耗的网络层和应用层开发。

Zigbee联盟对Zigbee标准的制定：IEEE802.15.4的物理层、MAC层及数据链路层。并对网

络层协议和API进行了标准化。

Zigbee应用领域

Zigbee网络的冗余、自组织和自愈能力适合于许多类型的应用，主要包括数字家庭、工

业控制和智慧交通等领域。

(一)zigbee模块：

ZigBee模块是一种物联网无线数据终端，利用ZigBee网络为用户提供无线数据传输功

能。

®Zigbee：简单的说，ZigBee是一种高可靠的无线数传网络，类似于CDMA和GSM网络。与移动通信的

CDMA网或GSM网不同的是，ZigBee网络主要是为工业现场自动化控制数据传输而建立，每个ZigBee

网络节点不仅本身可以作为监控对象，例如其所连接的传感器直接进行数据采集和监控，还可以自动中转

别的网络节点传过来的数据资料。

该产品采用高性能的工业级ZigBee方案，提供SMT与DIP接口，可直接建接T]'L接

口设备，实现数据透明传输功能；低功耗设计，最低功耗小于1mA；提供6路I/O,“实现

数字量输入输出、脉冲输出；其中有3路I/O还可实现模拟量采集、脉冲计数等功能。

该产品已广泛应用于物联网产业链中的M2M行业，如智能电网、智能交通、耀*居、

金融、移动POS终端、供应链自动化、工业自动化、智能建筑、消防、公共安保

护、气象、数字化医疗、遥感勘测、农业、林业、水务、煤矿、石化等领域。叫

zigbee组网模式

（二）Zigbee自组织网

ZigBee技术所采用的自组织网是怎么回事？

举一个简单的例子就可以说明这个问题，当一队伞兵空降后，每人持有一个ZigBee网

络模块终端，降落到地面后，只要他们彼此间在网络模块的通信范围内，通过彼此自动寻

找，很快就可以形成一个互联互通的ZigBee网络。而且，由于人员的移动，彼此间的联络

还会发生变化。因而，模块还可以通过重新寻找通信对象，确定彼此间的联络，对原有网

络进行刷新。这就是自组织网。

为什么要使用自组织网来通信？

网状网通信实际上就是多通道通信，在实际工业现场，由于各种原因，往往并不能保证

每一个无线通道都能够始终畅通，就像城市的街道一样，可能因为车祸，道路维修等，使

得某条道路的交通出现暂时中断，此时由于我们有多个通道，车辆（相当于我们的控制数据）

仍然可以通过其他道路到达目的地。而这一点对工业现场控制而言则非常重要。

为什么要采用动态路由的方式？

所谓动态路由是指网络中数据传输的路径并不是预先设定的，而是传输数据前，通过对

网络当时可利用的所有路径进行搜索，分析它们的位置关系以及远近，然后选择其中的一条

路径进行数据传输。在我们的网络管理软件中，路径的选择使用的是“梯度法”，即先选择

路径最近的一条通道进行传输，如传不通，再使用另外一条稍远一点的通路进行传输，以此

类推，直到数据送达目的地为止。在实际工业现场，预先确定的传输路径随时都可能发生变

化，或者因各种原因路径被中断了，或者过于繁忙不能进行及时传送。动态路由结合网状拓

扑结构，就可以很好解决这个问题，从而保证数据的可靠传输。

Zigbee网络拓扑

Zigbee采用IEEE802.15.40标准作为物理层和MAC层标准。

网络的基本组成单元是设备，在同一个物理系到范围内，两个或者两个以上切晟…可以■

构成一个无线个人网(WPAN)。Zigbee网络中的设备可分为协调器、路由器和喇警•3

种。通俗的讲：

一个协调器节点+多个路由器节点+n多个终端设备节点=一个Zigbee网络

建立和配置网络，它是网络上的第一个设备，一旦网络建立完成，网

协调器：

络的后续操作不依赖这个协调器的存在。

路由器：是其他设备加入网络的媒介，全时间处在活动状态，能源消耗较大。

终端设备：

工作载体，可以根据需要进入休眠。

注：全功能设备(FFD)：可以作为无线个域网的协调器、路由器和终端设备。网络中

大部分设备都是精简功能设备。路由节点和协调器节点才具有转发功能。

Zigbee网络有两种组网方式：星型网络和对等网络。

在星型结构中，所有设备都与中心设备PAN网络协调器通信。在这种网络中，网络协

调器一般使用持续电力系统供电，而其他设备采用电池供电。星型网络适合家庭自动化、个

人计算机的外设以及个人健康护理等小范围的室内应用。地址模式：网络号+设备标识

点对点网络中，任意两个设备只要能够彼此收到对方的无线信号，就可以进行直接通信,

不需要其他设备的转发。但点对点网络中仍然需要一个网络协调器，不过该协调器的功能不

再是为其他设备转发数据，而是完成设备注册和访问控制等基本的网络管理功能。地址模式:

直接使用源/目的地址

-全功能设菁(FFD);O简化功能设备(RFD);

一通信流

®IEEE.802.15.4：IEEE802.15.4描述了低速率无线个人局域网的物理层和媒体接入控制协议。它属于IEEE

802.15工作组。正££802.15.4是218866,\^^16$511人1＜工和MiWi规范的基础。这个工作组致力于WPAN

网络的物理层(PHY)和媒体访问层(MAC)的标准化工作，目标是为在个人操作空间(personaloperating

space,POS)内相互通信的无线通信设备提供通信标准。任务组TG4：制定IEEE802.15.4标准，针对低速

无线个人区域网络(low-ratewirelesspersonalareanetwork,LR-WPAN)制定标准。该标准把低能量消耗、

低速率传输、低成本作为重点目标，旨在为个人或者家庭范围内不同设备之间的低速互连提供统一标准。

任务组TG4定义的LR-WPAN网络的特征与传感器网络有很多相似之处，很多研究机构把它作为传感器的

通信标准。

星型网络拓扑结构…

在星型网络的形成过程中，第一步就是建立网络协调器。任何一个FFD设备都有成为

网络协调器的可能，一个网络如何确定自己的网络协调器由上层协议决定。

一种简单的策略是：一个FFD设备在第一次被激活后，首先广播查询网络协调器的请

求，如果接收到回应说明网络中已经存在网络协调器，再通过一系列认证过程，设备就成为

了这个网络中的普通设备。如果没有收到回应，或者认证过程不成功，这个FFD设备就可

以建立自己的网络，并且成为这个网络的网络协调器。当然，这里还存在一些更深入的问题,

一个是网络协调器过期问题，如原有的网络协调器损坏或者能量耗尽；另一个是偶然因素造

成多个网络协调器竞争问题，如移动物体阻挡导致一个FFD自己建立网络，当移动物体离

开的时候，网络中将出现多个协调器。

网络协调器要为网络选择一个未被使用的惟一的PAN标识符，所有该星型网络中的设

备都是用这个标识符来规定自己的属主关系。不同星型网络之间独立运行，互不干扰，但可

通过设置专门的网关完成相互通信。选择一个标识符后，网络协调器就允许其他设备加入自

己的网络，并为这些设备转发数据分组。星型网络中的两个设备如果需要互相通信，都是先

把各自的数据包发送给网络协调器，然后由网络协调器转发给对方。

对等(点对点)网络拓扑结构

网络协调器的产生同样由上层协议规定，比如把某个信道上第一个开始通信的设备作为

该信道上的网络协议器。簇树网络是点对点网络的一个例子，下面以簇树网络为例描述点到

点网络的形成过程：

在簇树网络中，绝大多数设备是FFD设备，而RFD设备总是作为簇树的叶设备连接到

网络中。任意一个FFD都可以充当RFD协调器或者网络协调器，为其他设备提供同步信息。

(不同于星型拓扑结构之处)在这些协调器中，只有一个可以充当整个点对点网络的网络协

调器。网络协调器可能和网络中其他设备一样，也可能拥有比其他设备更多的计算资源和能

量资源。网络协调器首先将自己设为簇头(clusterheader,CLH),并将簇标识符(cluster

identifier,CID)设置为0,同时为该簇选择一个未被使用的PAN网络标识符，形成网络中的

第一个簇。接着，网络协调器开始广播信标帧4邻近设备收到信标帧后，就可以申请加入

该簇。设备可否成为簇成员，由网络协调器决定。如果请求被允许，则该设备将作为簇的子

设备加入网络协调器的邻居列表。新加入的设备会将簇头作为它的父设备加入到自己的邻居

列表中。

最简单的簇树结构是只有一个簇的网络，一旦第一簇网络达到预先设定的上限后，PAN

协调器会指定一个从设备构建一个新的簇网络，这个新设备成为另一个PAN协调器，新加

入网络的设备将进入这个簇中。随着设备的不断加入，就形成了多簇网络。

©信标帧：信标帧的功能是同步网络中的设备，标示PAN,并给出超帧的起始。

PAN协调器工作：

1.组建第一个簇，簇号（CID）为0,自己成为这个簇的簇头（CLH）；

2.选取一个没有使用的PANID；

3.向其他设备广播信标帧。

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\5

•PAN主城器。觑（CLH）。瀛

树卷网络

网络功能简介

超帧结构

IEEE802.15.4允许选择性的使用超帧①结构。超帧②的格式是由协调器定义的。由抽调

发出的网络信标（beacon）对超帧进行了限定，并且将一个超帧分为了16个等大

槽。超帧可以由活跃时段和不活跃时段组成。在不活跃时段，协调器可能会进入省电模式。

在超帧结构的16个时间槽中，第一个时间槽传输的是信标帧，如果协调器不想使用超帧结

构，那么他可以关闭信标的传输。信标常被用来对附属的设备进行同步、辨识一个PAN个

域网或对超帧结构进行描述。任何设备想要在一个超帧内的竞争访问时段（CAP）通信必须

使用开槽的CSMA/CA（载波监听-碰撞避免）机制。所有的传输都必须在下一个信标到来

之前完成。

低延迟或需要指定数据带宽的应用中，PAN协调器可以将超帧中部门活跃的时段贡献

给这样的应用。这些时段就叫做保证时隙（GTSs）。同一超帧中的多个GTSs组成了无竞争

时段（CFP）,无竞争时段经常是位于超帧结构的末尾、紧跟竞争访问时段（CAP）后出现

的。一个PAN协调器在一个超帧中最多能分配7个这样的GTSs,并且一个GTSs可以占用

多个时间槽（但是一个GTSs不可以横跨两个超帧）。虽然超帧中可以有7个多的GTSs时

段，但是超帧中绝大多数时段还是留给了联网的设备或想要联网的设备用于竞争访问时段

（CAP）。所有用于竞争的信息都在无竞争时段（CFP）到来前传输完毕。同样，GTSs时段

的数据也必须在下一个超帧到来前传输。

数据传输模型

网络中存在3种类型的数据传输：

1.从设备向主协调器起发送数据；

2.主协调器向从设备传输数据；

3.对等设备之间传输数据。

帧结构

IEEE802.15.4定义了四种帧：

1）信标帧，协调器用信标帧发送信标；

2）数据帧，用于传输数据；

3）确认帧，用于确认成功的数据交换；（可选）

4）MAC命令帧，用于处理所有的MAC层对等实体（或非信标网络）间的控制传输。

◎超帧”这个概念在GSM移动通信系统里。GSM的一个超帧长度为6.12是，其中包含51个复帧；一个

复帧长度为120ms,其中包含26个帧。

®帧：在数据和数字通信中，按某一标准预先确定的若干比特或字段组成的特定的信息结构。“帧”数据由

两部分组成：帧头和帧数据。

健壮性a

IEEE802.15.4采用多种机制保证数据传输的健壮性：

1.CSMA/CA机制：非时隙的CSMA/CA机制访问信道（非信标网络）和“附陵的

CSMA/CA机制访问信道（信标网络）。

2.确认帧：可选机制。

3.数据校验：16bit循环冗余检验码来保护帧中的信息。

安全性（P132）

Zigbee协议栈（略）

S

I

APSAPS响应信息HT

安全管理值息中间%

用络层数据实体

服务接入点

网络发E

间络安全用络层路由管理

管理信息中间

ZZ(\fLDE-SAP

ML5IE-SAP

VAC层

PL、正5Ap，

PDS.AP

物理（PHY展

24GHz86$915MHz

Zigbee应用举例

煤矿安全系统（P154）

M2M技术

M2M解析0

M——指带有传感能力和网络功能的各种设备（电网、公路、交通、油田等）

M——指各个行业的智能应用和控制系统（计算、存储、软件）

M2M的本质：信息基础设施和实体基础设施结合，通过网络技术和IT技术实现智能化，从

而解决各个行业面临的“效率、安全、成本、环保”等一系列的问题。

国内M2M业务涉及的行业和主要应用

行业M2M的典型应用

电力无线远程抄表

交通物流移动定位、条码扫描

金融商业无线ATM、无线POS

公共管理环境检测（水文、森林火警、空气质量监控）

生产部门生产过程检测与控制