《网络与通信》PPT课件.ppt

物联网应用技术与实践,2016.8,第5章 网络与通信技术,5.1 网络与通信技术概述,网络与通信技术是物联网网络层的核心技术。物联网的网络是物联网数据通信的基石，它是在现有通信网络的基础上建立起来的。物联网中连接终端感知网络与服务器的桥梁便是各类承载网络。物联网的承载网络包括互联网、无线广域网、无线城域网、无线局域网、无线个域网等。,网络层网络构建图,物联网在传输网络层存在各种网络形式，通常使用的网络形式有如下几种，它们主要承担着数据传输的功能。1）互联网 互联网/电信网是物联网的核心网络、平台和技术支持。互联网是一个很庞大的系统，它包括物理层、数据链路层、传输层、网络层和应用层。其核心技术就是数据交换。网络接入方式分为有线接入和无线接入，数据交换分为电路交换、报文交换和分组交换。,互联网的TCP/IP协议是网络层中的核心内容。为了让Internet适应物联网大数据量和多终端的要求，业界正在发展一系列新技术。互联网中用IP地址对节点进行标识，而目前的IPv4受制于资源空间耗竭，已经无法提供更多的IP地址，所以IPv6以其近乎无限的地址空间将在物联网中发挥重大作用。IPv6的使用扫清了可接入网络的终端设备在数量上的限制。,2）无线宽带网WiFi/WiMax等无线宽带技术的覆盖范围较广，传输速度较快，为物联网提供高速可靠廉价且不受接入设备位置限制的互联手段。3）无线低速网ZigBee、蓝牙和红外等低速网络协议能够适应物联网中处理能力较低的节点的低速率、低通信半径、低计算能力和低能量来源等特征的无线传感网络系统。4）移动通信网移动通信就是移动体之间的通信，或移动物体与固定物体之间的通信。移动通信网络最大的特征就是可移动。它采用蜂窝网结构，实现对通信区域的全覆盖，而且可以实现基站无缝切换。,移动通信网由无线接入网、核心网和骨干网三部分组成。无线接入网主要为移动终端提供接入网络服务，核心网和骨干网主要为各种业务提供交换和传输服务。从通信技术层面看，移动通信网的基本技术可分为传输技术和交换技术两大类。移动通信经历了3代的发展，它们是模拟语音、数字语音以及数字语音和数据时代。在移动通信网中，当前比较热门的接入技术有3G和4G。,5.2 无线个人局域网（WPAN）,无线个人局域网简称WPAN（Wireless Personal Area Network，WPAN），WPAN是一种采用无线连接的个人局域网。美国电子与电器工程师协会（IEEE）802.15工作组是对无线个人局域网做出定义说明的机构。,除了基于蓝牙技术的802.15之外，IEEE还推荐了其它两个类型，它们是低频率的（TG4，也被称为ZigBee）和高频率的（TG3，也被称为超波段或UWB），WPAN是为了实现活动半径小、业务类型丰富、面向特定群体、无线无缝连接而提出的新兴无线通信网络技术。如，TG4（ZigBee）针对低电压和低成本家庭控制方案提供20Kbps或250Kbps的数据传输速率，而TG3（UWB）则支持用于多媒体的介于20Mbps和1Gbps之间的数据传输速率。,支持无线人域网的技术包括蓝牙、ZigBee、UWB、IrDA、HomeRF等，其中蓝牙技术在无线个人局域网中使用得最广泛。WPAN能够有效地解决“最后的几米电缆”的问题，进而将无线联网进行到底。WPAN是一种与无线广域网(WWAN)、无线城域网(WMAN)、无线局域网(WLAN)并列但覆盖范围相对较小的无线网络。在网络构成上，WPAN位于整个网络链的末端，用于实现同一地点终端与终端间的连接，如，连接手机和蓝牙耳机等。WPAN所覆盖的范围一般在10m半径以内，必须运行于许可的无线频段。WPAN设备具有价格便宜、体积小、易操作和功耗低等优点。,蓝牙技术1、概述“蓝牙”（Bluetooth）是一种开放的技术规范，它是一种多装置之间通信的标准，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。1994年，爱立信移动通信公司开始研究在移动电话及其附件之间实现低功耗、低成本无线接口的可行性。随着项目的进展，爱立信公司意识到短距无线通信（Short-Distance Wireless Communication）的应用前景无限广阔。爱立信将这项新的无线通信技术命名为“蓝牙”（Bluetooth）。它的名字取自10世纪丹麦国王Harald Bluetooth的名字。,蓝牙是一种短距无线通信的技术规范，它最初的目标是取代现有的掌上电脑、移动电话等各种数字设备上的有线电缆连接。在制定蓝牙规范之初，就建立了统一全球的目标，向全球公开发布，工作频段为全球统一开放的2.4GHz工业、科学和医学频段。Bluetooth提供了一种在2.4G的ISM（Industrial Scientific Medical，ISM）频段，用于一个或多个装置之间在10米范围内的无线通信方式。,ISM频段(2.42.4835GHz)主要是开放给工业、科学和医学三个主要机构使用，该频段是依据美国联邦通讯委员会(Federal Communications Committee，FCC)所定义出来，属于Free License，并没有所谓使用授权的限制。无需许可证，只需要遵守一定的发射功率(一般低于1W)，并且不要对其它频段造成干扰即可。,最初是由美国联邦通信委员会(FCC)分配的无需许可证的无线电频段（功率不能超过1W）。在美国分为为工业（902928MHz）、科学研究（2.422.4835GHz）和医疗（5.7255.850GHz）三个频段。而在欧洲900MHz的频段则有部份用于GSM通信，用于ISM的低频段为868MHZ和433MHz。2.4GHz为各国共同的ISM频段。因此，无线局域网，蓝牙，ZigBee等无线网络，均可选择在2.4GHz频段上。,2、蓝牙技术的应用,从目前的应用来看，由于蓝牙体积小、功率低，其应用已不局限于计算机外设，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。蓝牙技术已经应用于日常生活的各个方面，例如，引入蓝牙技术，就可以去掉移动电话与笔记本电脑之间的连接电缆而通过无线使其建立通信。,3.蓝牙技术的特点蓝牙技术的特点可归纳为如下几点。1）全球范围适用，蓝牙工作在2.4GHz的ISM频段，使用该频段无需向各国的无线电资源管理部门申请许可证。2）同时可传输语音和数据，蓝牙采用电路交换和分组交换技术，支持异步数据信道、三路语音信道以及异步数据与同步语音同时传输的信道。,每个语音信道数据速率为64kbit/s，语音信号编码采用脉冲编码调制（PCM）或连续可变斜率增量调制（CVSD）方法。当采用非对称信道传输数据时，速率最高为721kbit/s，反向为57.6kbit/s；当采用对称信道传输数据时，速率最高为342.6kbit/s。蓝牙有两种链路类型：异步无连接（ACL）链路和同步面向连接（SCO）链路。,3）可以建立临时性的对等连接，根据蓝牙设备在网络中的角色，可分为主设备（Master）与从设备（Slave）。主设备是组网连接主动发起连接请求的蓝牙设备，几个蓝牙设备连接成一个微微网（Piconet）时，其中只有一个主设备，其余的均为从设备。,微微网是蓝牙最基本的一种网络形式，一个微微网由28个蓝牙单元组成，即可以组成以一个为主、其他27个为副的电器组成的微微网。这些电器可以是PC机、打印机、传真机、数码相机、移动电话、笔记本电脑等等。多个微微网之间还可以互联形成散射网(Scatternet)，从而方便快捷地实现各类设备之间随时随地的通信。最简单的微微网是一个主设备和一个从设备组成的点对点的通信连接。,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，如家用微波炉、无线局域网（WLAN）、Home RF等产品，为了能很好地抵抗来自这些设备的干扰，蓝牙采用了跳频（Frequency Hopping）方式来扩展频谱（Spread Spectrum），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625S。,5）蓝牙模块体积很小、便于集成。由于个人移动设备的体积较小，所以，嵌入其内部的蓝牙模块体积就应该更小，如爱立信公司的蓝牙模块ROK101008的外形尺寸仅为32.8mm16.8mm2.95mm。其程序写在一个9 x 9 mm的微芯片中。,6）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）模式和休眠（Park）模式。Active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。依据发射输出电平功率不同，蓝牙传输有3 种距离等级，它们是Class1为100m左右；Class2约为10m；Class3约为23m。一般情况下，其正常的工作范围是10m半径之内。在此范围内，可进行多台设备间的互联。,7）开放的接口标准，SIG为了推广蓝牙技术的使用，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，只要最终能通过SIG的蓝牙产品兼容性测试，就可以推向市场。8）成本低，随着市场需求的扩大，各个供应商纷纷推出自己的蓝牙芯片和模块，导致蓝牙产品价格飞速下降。,4.蓝牙匹配规则 两个蓝牙设备在进行通信前，必须将其匹配在一起，以保证其中一个设备发出的数据信息只会被经过允许的另一个设备所接受。1）蓝牙主设备，主设备一般具有输入端。在进行蓝牙匹配操作时，用户通过输入端可输入随机的匹配密码来将两个设备匹配。蓝牙手机、安装有蓝牙模块的PC等都是主设备。例如，蓝牙手机和蓝牙PC进行匹配时，用户可在蓝牙手机上任意输入一组数字，然后在蓝牙PC上输入相同的一组数字，来完成这两个设备之间的匹配。,2）蓝牙从设备，从设备一般不具备输入端。因此，从设备在出厂时，在其蓝牙芯片中，固化有一个4位或6位数字的匹配密码。蓝牙耳机、优士通UD数码笔等都是从设备。例如，蓝牙PC与UD数码笔匹配时，用户将UD笔上的蓝牙匹配密码正确的输入到蓝牙PC上，完成UD笔与蓝牙PC之间的匹配。,3）主设备与主设备之间、主设备与从设备之间，是可以互相匹配在一起的；而从设备与从设备是无法匹配的。例如，蓝牙PC与蓝牙手机可以匹配在一起；蓝牙PC也可以与UD笔匹配在一起；而UD笔与UD笔之间是不能匹配的。一个主设备，可匹配一个或多个其他设备。例如，一部蓝牙手机，一般只能匹配7个蓝牙设备。而一台蓝牙PC，可匹配十多个或数十个蓝牙设备。在同一时间，蓝牙设备之间仅支持点对点通信。,5.2.2 ZigBee技术 1、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。正因如此，国外对ZigBee技术的研究起步较早，研究也较成熟。,ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通信技术。由于蜜蜂（bee）是靠飞翔和“嗡嗡”（zig）地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位和远近信息的，也就是蜜蜂依靠着这样的方式构成了群体中的通信“网络”，因此，ZigBee的发明者们形象地利用蜜蜂的这种行为来形象地描述这种无线信息传输技术。,为了推进该技术的快速发展，由英国Invensys公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦半导体公司等4家公司于2002年8月成立了ZigBee联盟，如今该联盟已经吸引了上百家芯片公司、无线设备公司和开发商的加入，它是一个高速成长的非盈利业界组织。该联盟制定了基于，具有高可靠、高性价比、低功耗的网络应用协议并于2004正式问世。ZigBee的网络协议是协议，它主要适合于应用在自动控制和远程控制领域，可以嵌入在各种设备中，同时支持地理定位功能。,ZigBee采用DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum，DSSS即直接序列展频技术)技术调制发射，用于多个无线传感器组成网状网络，是一种短距离、低速率低功耗的无线网络传输技术，采用DSSS技术调制发射，用于多个无线传感器组成网状网络，新一代的无线传感器网络将采用802.15.4(ZigBee)协议。ZigBee是一种高可靠的无线数传网络，类似于CDMA和GSM网络。ZigBee数传模块类似于移动网络基站。,ZigBee是一个由可多到65000个无线数传模块组成的一个无线网络平台，在整个网络范围内，每一个网络模块之间可以相互通信，每个网络节点间的距离可以从标准的75m无限扩展。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，因而，它必须具有简单、使用方便、工作可靠、价格低的特点。而移动通信网主要是为语音通信而建立，每个基站价值一般都在百万元人民币以上，而每个ZigBee网络“基站”却不到1000元人民币。,2、ZigBee应用领域 ZigBee技术的目标就是针对工业、家庭自动化、遥测遥控、汽车自动化、农业自动化和医疗护理等方面的应用。例如，在家庭自动化控制方面，可以利用ZigBee技术对照明、空调、窗帘等家用设备进行远程控制；在消费性电子设备方面，可以利用ZigBee技术对电视、DVD、CD机等电器设备进行远程遥控；在PC外设方面，可以利用ZigBee技术对无线键盘、鼠标、游戏操纵杆等进行操作；,在工业控制方面，可以利用ZigBee技术使数据的自动采集、分析和处理变得更加容易；在医疗设备控制方面，可以利用ZigBee技术获取医疗传感器、病人的紧急呼叫等信号，对病人的生理状况进行实时监控；也可以利用ZigBee技术开发交互式玩具等产品；ZigBee技术在油田、电力、矿山和物流管理等领域也得到了广泛应用。另外它还可以对局部区域内移动目标进行定位，例如，对城市中的车辆进行定位。,ZigBee技术应用如此广泛，因此，在通常情况下，如果符合如下条件之一的应用，就可以考虑采用ZigBee技术做无线传输。1）需要数据采集或监控的网点多；2）要求传输的数据量不大，而要求设备成本低；3）要求数据传输可性高，安全性高；4）设备体积很小，不便放置较大的充电电池或者电源模块；5）电池供电；6）地形复杂，监测点多，需要较大的网络覆盖；7）现有移动网络的覆盖盲区；8）使用现存移动网络进行低数据量传输的遥测遥控系统。9）使用GPS效果差，或成本太高的局部区域移动目标的定位应用。,3、ZigBee技术特点ZigBee作为一种无线通信技术，具有如下特点。1）低成本、低功耗，ZigBee技术可以应用于8位MCU。2）高可靠性，ZigBee采用了碰撞避免机制，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。,3）时延短，ZigBee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。4）网络容量大，ZigBee网络可支持达65000个节点。5）高安全性，ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用通用的AES-128。6）高保密性，64位出厂编号和支持AES-128加密。,4、ZigBee协议栈 在设计网络的软件构架时，一般采用分层的思想，不同的层负责不同的功能，数据只能在相邻的层之间流动。ZigBee规范是由ZigBee Alliance所主导的标准，ZigBee协议栈结构是基于标准OSI（Open System Interconnection，OSI）七层模型的，在模型的基础上，结合无线网络的特点，采用分层的思想实现。,ZigBee协议定义了网络层（NWK）、应用程序支持子层(APS)以及应用层的数据传输规范、安全层（Security Layer）、以及各种应用产品的资料（Profile）。而由国际电子电机工程协会（IEEE）所制订的标准，则是定义了物理层（PHY）及介质访问控制层（MAC）。ZigBee无线网络各层示意图如图5.2所示。,在ZigBee协议栈中，PHY（Physical layer物理层）、MAC层（Media Access Control 媒体介入控制层）位于最低层，且与硬件相关；NWK、APS、APL层以及安全层建立在PHY和MAC层之上，并且完全与硬件无关。分层的结构脉络清晰、一目了然，给设计和调试带来了极大的方便。ZigBee物理层PHY定义了物理无线信道和MAC子层之间的接口，提供物理层数据服务和物理层管理服务。物理层数据服务是从无线物理信道上收发数据。物理层管理服务是维护一个由物理层相关数据组成的数据库。,物理层的主要功能如下:1）ZigBee的激活；2）当前信道的能量检测；3）接收链路服务质量信息；4）ZigBee信道接入方式；5）信道频率选择；6）数据传输和接收。,MAC层的主要功能如下:1）网络协调器产生信标；2）与信标同步；3）支持PAN链路的建立和断开；4）为设备的安全性提供支持；5）信道接入方式采用免冲突载波检测多址接入（CSMA-CA）机制；6）处理和维护保护时隙（GTS）机制；7）在两个对等的MAC实体之间提供一个可靠的通信链路。,网络层的主要功能如下:1）网络发现；2）网络形成；3）允许设备连接；4）路由器初始化；5）设备网络连接；6）直接将设备同网络连接；7）断开网络连接；8）重新复位设备；9）接收机同步；10）信息库维护。,ZigBee应用层框架包括应用支持层（ASP）、ZigBee设备对象（ADO）和制造商所定义的应用对象。应用支持层的功能包括维持绑定表、在绑定的设备之间传送消息。所谓绑定就是基于两台设备的服务和需求在逻辑上将他们匹配地连接起来。ZigBee设备对象层的功能包括定义设备在网络中的角色（如ZigBee协调器和终端设备），发起和响应绑定请求，在网络设备之间建立安全机制。ZigBee设备对象还负责发现网络中的设备，并且决定向他们提供何种应用服务。ZigBee应用层除了提供一些必要函数以及为网络层提供合适的服务接口外，一个重要的功能是应用者可在这层定义自己的应用对象。,定义的物理层有两个物理层标准，分别是2.4GHz物理层和868/915 MHz物理层。两者均基于直接序列扩频（DSSS）技术。868MHz只有一个信道，传输速率为20kb/s；902MHz928MHZ频段有10个信道，信道间隔为2MHz，传输速率为40kb/s。以上这两个频段都采用BPSK调制。2.4GHz2.4835 GHz频段有16个信道，信道间隔为5MHz，能够提供250kb/s的传输速率，采用O-QPSK调制。为了提高传输数据的可靠性，定义的媒体接入控制（MAC）层采用了CSMA-CA和时隙CSMA-CA信道接入方式和完全握手协议。,5、ZStack协议栈工程简要说明 ZigBee整个Z-Stack采用分层的软件结构，硬件抽象层（HAL）提供各种硬件模块的驱动，包括定时器Timer，通用I/O口GPIO，通用异步收发传输器UART，模数转换ADC的应用程序接口API，提供各种服务的扩展集。操作系统抽象层OSAL实现了一个易用的操作系统平台，通过时间片轮转函数实现任务调度，提供多任务处理机制。用户可以调用OSAL提供的相关API进行多任务编程，将自己的应用程序作为一个独立的任务来实现。,ZStack协议栈就是将各个层定义的协议都集合在一起，以函数的形式实现，并给用户提供一些应用层API,供用户调用整个协议栈的构架，如图5.3所示。,1）APP是应用层目录，这是用户创建各种不同工程的区域，在这个目录中包含了应用层的内容和这个项目的主要内容，在协议栈里面一般是以操作系统的任务实现的。2）HAL是硬件层目录，包含有与硬件相关的配置和驱动及操作函数。硬件层目录，Common目录下的文件是公用文件，基本上与硬件无关，其中hal_assert.c是断言文件，用于调用，hal_drivers.c是驱动文件，抽象出与硬件无关的驱动函数，包含有与硬件相关的配置和驱动及操作函数。,Include目录下主要包含各个硬件模块的头文件，而Target目录下的文件是跟硬件平台相关的，可能看到有两个平台，分别是CC2530DB平台和一个CC2530EB平台。后面的DB和EB表示的是TI公司开发板的型号，其实还有一种类型是BB的，BB:Battery Board DB:Development Board EB:Evaluation Board,3）MAC是MAC层目录，High Level和Low Level两个目录表示MAC层分为了高层和底层两层，Include目录下则包含了MAC层的参数配置文件及基MAC的LIB库函数接口文件，这里的MAC层的协议是不开源的，以库的形式给出。4）MT是监控调试层，主要用于调试目的，即实现通过串口调试各层，与各层进行直接交互。5）NWK是网络层目录，含网络层配置参数文件及网络层库的函数接口文件，APS 层库的函数接口。,6）OSAL是协议栈的操作系统。7）Profile是AF 层目录，包含AF 层处理函数文件。8）Security是安全层目录，安全层处理函数接口文件，比如加密函数等。9）Services是地址处理函数目录，包括着地址模式的定义及地址处理函数。10）Tools是工程配置目录，包括空间划分及ZStack 相关配置信息。11）ZDO是ZigBee Object设备对象目录。,12）ZMac是介质访问层，即 ZMAC，在 802.15.4 MAC 与网络层之间提供接口，包括MAC 层参数配置及MAC 层LIB 库函数回调处理函数。其中Zmac.c是Z-Stack的MAC导出层接口文件，zmac_cb.c是ZMAC需要调用的网络层函数。13）ZMain是主函数目录，Zmain.c主要包含了整个项目的入口函数main()，在OnBoard.c包含硬件开始平台类外设进行控制的接口函数。14）Output是输出文件目录，这个EW8051 IDE自动生成的。,6、ZigBee节点类型与网络配置ZigBee网络定义了三种节点类型。1）ZigBee协调器（ZigBee Coordinator，ZC），协调器的作用是上电启动和配置网络（例如设定网络标识符，选择信道），一旦完成后相当于路由器功能。每个ZigBee网络必须有一个协调器。2）ZigBee路由器(ZigBee router，ZR)，路由器允许其他网络设备加入，多跳路由，协助子节点通信或自己作为终端节点应用3）ZigBee终端节点（ZigBee end device，ZED），终端节点向路由节点传递数据，没有路由功能，低功耗，可以选择休眠与唤醒。（路由因不断转发数据需要长期保持电源供电，终端节点一般采用电池供电）。,在低数据速率的WPAN中包括两种无线设备，即是全功能设备（(Full function device，FFD）和精简功能设备（Reduce function device，RFD）。其中，FFD可以和FFD、RFD通信，而RFD只能和FFD通信，RFD之间是无法通信的。RFD的应用相对简单，例如，在传感器网络中，它们只负责将采集的数据信息发送给它的协调点，并不具备数据转发、路由发现和路由维护等功能。RFD占用资源少，需要的存储容量也小，在不发射和接收数据时处于休眠状态，因此成本比较低，功耗低。FFD除具有RFD功能外，还需要具有路由功能，可以实现路由发现、路由选择，并转发数据分组。,一个ZigBee网络只允许有一个协调器6，在一个ZigBee网络中，至少存在一个FFD充当整个网络的协调器，即PAN协调器。通常，PAN协调器是一个特殊的FFD，它具有较强大的功能，是整个网络的主要控制者，它负责建立新的网络、发送网络信标、管理网络中的节点以及存储网络信息等。一旦网络启动，新的路由器和终端设备可以通过路由发现、设备发现等功能加入网络。当路由器或终端设备加入ZigBee 网络时，设备间的父子关系（或说从属关系）即形成，新加入的设备为子，允许加入的设备为父。,FFD和RFD都可以作为终端节点加入ZigBee网络。此外，普通FFD也可以在它的个人操作空间（POS）中充当协调器，但它仍然受PAN协调器的控制。ZigBee中每个协调器最多可连接255个节点，一个ZigBee网络最多可容纳65535个节点。全功能器件（FFD）可以担任网络协调者，形成网络，让其他的全功能器件（FFD）或者是精简功能装置（RFD）连接，全功能器件（FFD）具备控制器的功能，可提供信息双向传输。,RFD只能传送信息给FFD或从FFD接收信息。在网络中通常用作终端设备。图5.4所示为节点类型与网络设备配置关系图。由图5.5可以看到，协调器和路由器必须是全功能器件(FFD)，精简功能设备(RFD)只能传送信息给FFD或从FFD接收信息。终端设备可以是全功能器件，也可以是精简功能设备(RFD)。,2023/7/29,7、ZigBee网络的拓扑结构 ZigBee网络的拓扑结构主要有三种，星型网、网状（mesh）网和簇树形网。图5.5所示。,2023/7/29,星型网是由一个PAN协调器和一个或多个终端节点组成的。PAN协调器必须是FFD，它负责发起建立和管理整个网络，其它的节点（终端节点）一般为RFD，分布在PAN协调器的覆盖范围内，直接与PAN协调器进行通信。星形网的控制和同步都比较简单，星型网通常用于节点数量较少的场合。,网状（Mesh）网一般是由若干个FFD连接在一起形成，它们之间是完全的对等通信，每个节点都可以与它的无线通信范围内的其它节点通信。Mesh网中，一般将发起建立网络的FFD节点作为PAN协调器。Mesh网是一种高可靠性网络，具有“自恢复”能力，它可为传输的数据包提供多条路径，一旦一条路径出现故障，则存在另一条或多条路径可供选择。,Mesh网可以通过FFD扩展网络，组成Mesh网与星型网构成的混合网。混合网中，终端节点采集的信息首先传到同一子网内的根节点，再通过网关节点上传到上一层网络的PAN协调器。混合网都适用于覆盖范围较大的网络。,8、网络路由 ZigBee网络层的路由功能主要为网络连接提供路由发现、路由选择、路由维护功能，路由算法是它的核心。目前ZigBee网络层主要支持两种路由算法，即是树路由和网状网路由。,树路由采用一种特殊的算法，具体可以参考ZigBee的协议栈规范。它把整个网络看作是以协调器为根的一棵树，整个网络由协调器建立，而协调器的子节点可以是路由器或者是末端节点，路由器的子节点也可以是路由器或者末端节点，末端节点相当于树的叶子没有子节点。树路由利用了一种特殊的地址分配算法，使用四个参数深度、最大深度、最大子节点数和最大子路由器数来计算新节点的地址，寻址的时候根据地址计算路径。ZigBee路由只有两个方向，即是向子节点发送或者向父节点发送。,树状路由不需要路由表，节省存储资源，缺点是不灵活，浪费了大量的地址空间，并且路由效率低。ZigBee还有一种路由方法是网状网路由Z-AODV（Ad-hoc On-demand Distance Vector，AODV），这种方法实际上是Ad Hoc 按需路由算法的一个简化版本，是一种基于距离矢量的按需路由算法，非常适合于低成本的无线自组织网络的路由。它可以用于较大规模的网络，需要节点维护一个路由表，耗费一定的存储资源，但往往能达到最优的路由效率，而且使用灵活。Z-AODV是应用于无线网状网络中进行路由选择的路由协议，它能够实现单播和多播路由。该协议是Ad Hoc网络中按需生成路由方式的典型协议。,9、ZigBee组网技术 当ZigBee PAN协调器希望建立一个新网络时，首先扫描信道，寻找网络中的一个空闲信道来建立新的网络。如果找到了合适的信道，ZigBee协调器会为新网络选择一个PAN标识符（PAN标识符必须在信道中是唯一的）。一旦选定了PAN标识符，就说明已经建立了网络。另外，这个ZigBee协调器还会为自己设置一个默认的16bit网络地址。ZigBee网络中的所有节点都有一个64bit IEEE扩展地址和一个16bit网络地址，其中，16bit的网络地址在整个网络中是唯一的，也就是中的MAC短地址。ZigBee协调器设定了自身的网络地址后，就开始接受新的节点加入其网络。,当一个节点希望加入该网络时，它首先会通过信道扫描来搜索它周围存在的网络，如果找到了一个网络，它就会进行关联过程请求加入网络，只有具备路由功能的节点可以允许别的节点通过它关联网络。ZigBee协调器设定了网络地址后，就开始接受新的节点加入其网络。当一个节点希望加入该网络时，它首先会通过信道扫描来搜索它周围存在的网络，如果找到了一个网络，它就会进行关联过程请求加入网络，只有具备路由功能的节点可以允许别的节点通过它关联加入网络。,如果网络中的一个节点与网络失去联系后想要重新加入网络，它可以进行孤立通知过程重新加入网络。网络中每个具备路由器功能的节点都维护一个路由表和一个路由发现表，它可以参与数据节点来扩展网络。,ZigBee网络中传输的数据可分为如下三类。1）周期性数据，例如，传感器网中传输的数据，这一类数据的传输速率根据不同的应用而确定；2）间歇性数据，例如，电灯开关传输的数据，这一类数据的传输速率根据应用或者外部激励而确定；3）反复性的、反应时间低的数据，例如，无线鼠标传输的数据，这一类数据的传输速率是根据时隙分配而确定的。,5.2.3 超宽带技术UWB1、UWB的概念 超宽带技术UWB（Ultra Wideband，UWB）是一种无线载波通信技术，它不采用正弦载波，而是利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，因此，其所占的频谱范围很宽。UWB技术起源于20世纪50年代末，此前主要作为军事技术在雷达等通信设备中使用。随着无线通信的飞速发展。人们对高速无线通信提出了更高的要求，超宽带技术又被重新提出，并倍受关注。,UWB是指信号带宽大于500MHz或者是信号带宽与中心频率之比大于25的无线通信方案。与常见的使用连续载波通信方式不同，UWB采用极短的脉冲信号来传送信息通常每个脉冲持续的时间只有几十皮秒到几纳秒的时间，这些脉冲所占用的带宽甚至高达几GHz，因此，最大数据传输速率可以达到几百Mbps。在高速通信的同时，UWB设备的发射功率却很小，仅仅是现有设备的几百分之一。对于普通的非UWB接收机来说近似于噪声，所以，从理论上讲，UWB可以与现有无线电设备共享带宽。UWB是一种高速而又低功耗的数据通信方式，它有望在无线通信领域得到广泛的应用。,2、UWB的特点1）抗干扰性能强2）传输速率高3）带宽极宽。4）消耗电能少，通常情况下，无线通信系统在通信时需要连续发射载波。5）保密性好6）发送功率非常小7）成本低，适合于便携型使用。,3、UWB的应用前景 UWB是利用纳秒级窄脉冲发射无线信号的技术，适用于高速、近距离的无线个人通信。UWB最具特色的应用将是视频消费娱乐方面的无线个域网（WPAN）。超宽带系统同时具有无线通信和定位的功能，可方便地应用于智能交通系统中，为车辆防撞、电子牌照、电子驾照、智能收费、车内智能网络、测速、监视、分布式信息站等提供高性能、低成本的解决方案。,UWB也可应用在小范围、高分辨率、能够穿透墙壁、地面和身体的雷达和图像系统中，诸如军事、公安、消防、医疗、救援、测量、勘探和科研等领域，用做隐秘安全通信、救援应急通信、精确测距和定位、透地探测雷达、墙内和穿墙成像、监视和入侵检测、医用成像、贮藏罐内容探测等。,5.2.4 红外通信技术1、红外通信技术简介IrDA是Infrared Data Association(红外线数据标准协会)的英文缩写。IrDA是一种红外线无线传输协议以及基于该协议的无线传输接口。IrDA技术使用一种点对点的数据传输协议，它替代了设备之间连接的线缆。它的通信距离一般在0到1米之间，传输速率最快可达16Mbps，通信介质是波长为900纳米左右的近红外线。IrDA的主要优点是无需申请频率的使用权，因而红外通信成本低廉。并且还具有移动通信所需的体积小、功耗低、连接方便、简单易用的特点。此外红外线发射角度较小（30度锥角以内），短距离，点对点直线数据传输，保密性强，传输上安全性高。,2、IrDA通信标准 在红外通信技术发展早期，存在好几个红外通信标准，不同标准之间的红外设备不能进行红外通信。为了使各种红外设备能够互联互通，1993年，由二十多个大厂商发起成立了红外数据协会(IrDA)，统一了红外通信的标准，这就是目前被广泛使用的IrDA红外数据通信协议及规范。,IrDA的主要优点是无需申请频率的使用权，因而红外通信成本低廉。并且还具有移动通信所需的体积小、功耗低、连接方便、简单易用的特点。此外，红外线发射角度较小，传输上安全性高。应用红外线收发器链接虽然能免去电线或电缆的连接，但使用起来仍有许多不便，不仅距离只限于12m，而且必须在视线上直接对准，收发装置的光路夹角一般在30度内，中间不能有任何阻挡。同时只限于在两个设备之间进行，不能同时链接更多的设备。而蓝牙就没有此限制，且不受墙壁的阻隔。,3、应用 目前，支持它的软硬件技术都很成熟，在小型移动设备上已被广泛使用，如PDA、手机、笔记本电脑、遥制器等。当今每一个出厂的PDA及许多手机、笔记本电脑、打印机等产品都支持IrDA。红外线链路的数据传输的用途主要应用在近距离的两台硬件之间的通信。例如，家电控制，计算机与外设、通信设备间等等。红外线信号传送在某些领域仍然具有独特的优势，这种优势也许恰恰弥补了无线传输的不足之处。,近场通信技术1、概述 近场无线通信NFC（Near Field Communication，NFC）是一种短距离的高频无线通信技术，允许电子设备之间进行非接触式点对点数据传输（在10厘米内）交换数据。这个技术由非接触式射频识别（RFID）演变而来，并向下兼容RFID，最早由飞利浦（Philips）公司、若基亚（Nokia）公司和索尼（song）公司共同开发的。NFC是一种非接触式识别和互联技术，可以在移动设备、消费类电子产品、PC 和智能控件工具间进行近距离无线通信。,NFC 提供了一种简单、非触控式的解决方案，可以让消费者简单直观地交换信息、访问内容与服务。由于近场通信具有天然的安全性，因此，NFC技术被认为在手机支付等领域具有很大的应用前景。NFC 将非接触读卡器、非接触卡和点对点（Peer-to-Peer）功能整合在一块单芯片中。它是一个开放接口平台，可以对无线网络进行快速、主动设置，也是虚拟连接器，服务于现有蜂窝状网络、蓝牙和无线802.11设备。NFC和RFID不同，NFC采用了双向的识别和连接。在20cm距离内工作于13.56MHz频率范围。,NFC最初仅仅是遥控识别和网络技术的合并，但现在已发展成无线连接技术。它能快速自动地建立无线网络，为蜂窝设备、蓝牙设备、Wi-Fi设备提供一个“虚拟连接”，使电子设备可以在短距离范围进行通信。通过NFC，可实现多个设备（如，数码相机、PDA、机顶盒、电脑、手机等）之间的无线互连，彼此交换数据式服务。与蓝牙等短距离无线通信标准不同的是，NFC的作用距离进一步缩短且不像蓝牙那样需要有对应的加密设备。,2、技术特点 NFC与其它近距离通信技术相比，NFC具有鲜明的特点，主要体现在以下几个方面。1）距离近、能耗低，由于NFC采取了独特的信号衰减技术，通信距离不超过20cm，所以能耗相对较低。2）NFC更具安全性，NFC是一种能够提供安全、快捷通信的无线连接技术。NFC是一种私密通信方式，加上其距离近、射频范围小的特点，其通信更加安全。,3）NFC与现有非接触智能卡技术兼容，NFC标准目前已经成为得到越来越多主要厂商支持的正式标准，很多非接触智能卡都能够与NFC技术相兼容。4）传输速率较低，NFC标准规定了数据传输速率具备了三种传输速率，最高的仅为424kb/s，传输速率相对较低，不适合诸如音视频流等需要较高带