《物联网通信》知识提纲-第1章 概述

Posted 2021-10-01 白`~`灰

第一章-物联网通信概述

• 1.1 物联网的起源与定义
• 1.2 物联网的特征与体系架构
• • 三个特征：
  • 三层架构：
• 1.3 物联网通信体系架构
• • 1.3.1 通信问题算法
  • 1.3.2 协议体系
  • • • 1.分层架构
      • 2.开放系统互联OSI参考模型
• 1.4 物联网通信技术
• • 1.4.1 有线通信
  • • 1.仪表总线
    • 2.以太网
  • 1.4.2 无线通信
  • • 1. RFID
    • 2. 短距离通信NFC
    • 3. 蓝牙
    • 4. ZigBee
    • 5. 窄带物联网NB-IoT
    • 6. LoRaWAN

1.1 物联网的起源与定义

起源：
1999年美国麻省理工学院自动识别中心的凯文·阿什顿教授，在研究RFID和互联网解决方案中，首次提出了“物联网的概念”。
定义：
物联网是指，将无处不在的末端设备，通过有线或无线的通信网络，实现互联互通，应用大数据、云计算等技术，实现对“万物”的“高效、节能、安全、环保”的“管、控、营”一体化。

1.2 物联网的特征与体系架构

三个特征：

• 全面感知：利用传感器、RFID、二维码、摄像头等能随时随地获取物体的各种信息。
• 可靠传输：通过各种电信网络和互联网的融合，将感知的各种信息进行实时准确的传递。
• 智能处理：利用云计算、数据挖掘等智能计算技术，即使对海量数据和信息进行分析和处理，对物体实施智能化管理。

三层架构：

• 感知层（感知控制层）：最底层，负责获取感知信息。
• 网络层：中间层，负责传输感知信息到应用层。
• 应用层：最上层，主要功能是为用户提供智能应用。

1.3 物联网通信体系架构

1.3.1 通信问题算法

通信系统三要素：信源、信道、信宿
通信的本质：空间上一点产生的消息在空间上另一点的有效再现

无论是哪种通信网络，都要解决以下3个问题：

1. 采用何种介质连接通信节点，用何种电信号能高效实现数据传输。
2. 多节点如何占用信道资源进行收发信息，如何减小碰撞。
3. 如何将数据有效地传输到目的地。

1.3.2 协议体系

1.分层架构

通信流程7个阶段：业务、操作、规程、运输、路由、链路、传播。发送方的流程是业务到传播，而接收方相反。

2.开放系统互联OSI参考模型

7层：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层。

传感测量数据的传输与互联网的接入是本书关注的重点。

1.4 物联网通信技术

• 根据接入介质不同分为有线通信和无线通信
• 根据传输距离的远近，分为近距离通信和远距离通信
  

1.4.1 有线通信

1.仪表总线

• 定义：仪表总线（Meter Bus, Mbus）是欧洲标准的2线的二总线，通常用于构建各类仪表或相关装置的能耗类智能管理系统。

• 组成：MBus是一个层次化的系统，由一个主站、若干从站和一对连接线缆组成，所有从站并行连接在总线上，由主站控制总线上的所有串行通信进程。

• 系统示意图：
  

• 传输介质：总线所用的两线电缆通常采用标准电话双绞线，没有正负极之分。

• 特点：可靠、低成本、长距离（几千米连接几百个从设备），适用于公共事业仪表。

2.以太网

• 目前局域网最通用的通信协议标准

• 所有节点在通信上是平等的，没有主站和从站之分，采用总线型拓扑结构

• 以太网络使用载波监听多路访问及冲突检测（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection, CSMA/CD）技术，可以避免发送分组冲突，并可以运行在多种类型的电缆上

• 有两种传输介质：双绞线和同轴电缆

• 为了减少冲突，提高的网络速度和使用效率最大化，目前的快速以太网（100BASE-T、1000BASE-T）使用集线器来进行网络连接和组织

1.4.2 无线通信

1. RFID

• 短距离传输技术

• 在产品中嵌入电子芯片（称为电子标签），通过射频信号自动将产品的信息发送给读写器进行识别

• RFID系统主要由三部分组成：电子标签、读写器和天线

  • 电子标签或称射频标签、应答器。它内部含有芯片，芯片内具有数据存储区，用于存储待识别物品的标识信息
  • 读写器是将约定格式的待识别物品的标识信息写入电子标签的存储区中（写入功能），或在读写器的阅读范围内以无接触的方式将电子标签内保存的信息读取出来（读出功能）
  • 天线用于发射和接收射频信号，是标签与阅读器之间传输数据的收发部件

2. 短距离通信NFC

• Near Field Communication，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交换数据

• 通信频率为13.56MHz，通信距离最大10cm左右，支持主动和被动两种工作模式及多种传输数据速率，目前的数据传输速率为106kbit/s、212kbit/s和424kbit/s

• 主动：
  

• 被动：
  

3. 蓝牙

• 无线数据与语音通信的开放性全球规范

• 工作在全球通用的2.4GHz ISM（即工业、科学、医学）频段，使用IEEE 802.15协议，数据传输速率为1Mb/s

• 蓝牙通信有主站和从站之分。通信时，必须由主站进行查找并发起配对。双方建链成功后即可收发数据

• 蓝牙系统结构：
  

• 蓝牙可以建立临时性的对等连接。由主站主动发起连接请求，几个从站加入连接成一个皮网（Piconet）

• 通过时分复用技术，一个蓝牙设备可以同时与几个不同的皮网保持同步

• 蓝牙采用了跳频方式来扩展频谱

• 蓝牙网络结构：
  

4. ZigBee

• 短距离、低功耗、高可靠的无线数传网络，是IEEE 802.15.4协议的代名词

• 由可多到65000个无线节点组成的无线网络平台

• 传输距离从标准的75m到几百米、几公里，并且支持无限扩展

• ZigBee可工作在三个频段上，分别是2.4GHz的公共通用频段、欧洲的868MHz频段和美国的915MHz频段上,分别具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的传输速率,它的传输距离在10-75m的范围内

• ZigBee广泛应用在家居、建筑物、公共场所、工厂、码头等场所

5. 窄带物联网NB-IoT

• ZigBee网络中的节点主要包含三个：终端节点（End device）、路由器节点（Router）、协调器节点（Co-ordinator）

• ZigBee根据网络结构可分为三种：星状网络、树状网络和网状网络

• 星状网络包含一个协调器和若干个路由器和终端

• 树状网络同星状网络

• 网状网络是建立在ZigBee树状网络结构上，除了满足ZigBee 树状网络的所有功能之外，其相邻路由器之间也存在通信关系

• ZigBee网络拓扑结构：
  

• IEEE 802.15.4定义了两个物理层标准：2.4GHz物理层和868/915MHz物理层，两者均基于直接序列扩频技术

• 868MHz只有一个信道，传输速率为20kb/s；在902MHz～928MHZ频段共有10个信道，信道间隔为2MHz，传输速率为40kb/s。在2.4GHz～2.4835GHz频段共有16个信道，信道间隔为5MHz，能够提供250kb/s的传输速率

• 网络中节点在信道占用上没有主从之分，地位平等，共享信道

• 采用CSMA/CA（CSMA with Collision Avoidance）接入协议来实现高吞吐量的信道传输

6. LoRaWAN

• Semtech公司创建的低功耗局域网无线标准

• 实现低功耗和远距离的统一，在同样的功耗下比传统的无线射频通信距离扩大3-5倍

• LORA的传输距离在城镇可达2-5Km，在郊区可达15Km

• LoRa广域网（LoRa Wide Area Network，LoRaWAN）的整体网络结构分为终端、网关、网络服务、应用服务几个功能

• LoRa网络结构示意图：
  

• 终端节点可以同时发给多个基站，一般LoRa终端和网关之间可以通过LoRa无线技术进行数据传输

• 网关和核心网或广域网之间的交互可以通过TCP/IP协议，可以是有线连接的以太网，或3G/4G类的无线连接

• LoRa工作频率采用ISM频段，执行标准为IEEE802.15.4g，调制方式是基于线性调制扩频（Chirp Spread Spectrum，CSS）的一个变种，具有前向纠错（Forward Error Correction，FEC）能力，传输速率从几百bps到几十Kbps