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1、物联网智能感知与无线通信技术王博然王建财王群讲述物联网智能感知与无线通信技术王群、王建财、王博然交通运输学院摘 要：近些年间，由于无线产品使用方便，加之价格不断降低，无线网络技术已经逐渐渗透到人们的日常生活中。在现有的无线网络技术发展条件下，无线标准增加了灵活性，并降低了集成专利无线通信的风险。在工控场合的应用条件下，短距离的无线传输尤其受到瞩目。流行的无线数据通信的标准有蓝牙、Wi-Fi和ZigBee等，本文就这三部分作出了详细介绍。关键词：无线通信；Wi-Fi；蓝牙；ZigBee1.无线通信常用形式1.1 Wi-Fi1.1.1 Wi-Fi技术简介Wi-Fi(Wireless Fidelit

2、y，无线保真技术)是IEEE 802.11的简称，是一种可支持数据、图像、语音和多媒体且输出速率高达54Mb/s的短程无线传输技术，在几百米的范围内可让互联网接入者接收到无线电信号。外语缩写WI-FI，关于“Wi-Fi”这个缩写词的发音，根据英文标准韦伯斯特词典的读音注释，标准发音为/wa.fa/因为Wi-Fi这个单词是两个单词组成的，所以书写形式最好为Wi-Fi。由澳洲政府的研究机构CSIRO在90年代发明并于1996年在美国成功申请了无线网技术专利，是IEEE定义的无线网链接技术。Wi-Fi是一种可以将个人电脑、手持设备（如pad、手机）等终端以无线方式互相连接的技术，事实上它是一个高频无

3、线电信号。可以简单的理解为无线上网，几乎所有智能手机、平板电脑和笔记本电脑都支持无线保真上网，是当今使用最广的一种无线网络传输技术。1.1.2 Wi-Fi的形态 图1.1图1.1描述了一个Wi-Fi能量场的大小，以及信号的传播方式。Wi-Fi是一种以波的形式传输的能量场。信号波具有一定高度，彼此间存在距离，以一定的速度传输。Wi-Fi信号波之间的距离介于无线电波短和微波之间，使得Wi-Fi具有特殊的传输频带，可以免受其他信号干扰。Wi-Fi波波长约3至5英寸。波峰代表1，波谷代表0。用0和1两个数码来表示的二进制数据生成网站、邮件和其他网络内容上的字母，数字和代码。典型的Wi-Fi波从波源向外

4、传输时振幅逐渐减弱，所以图中右边部分信号波大于左边部分。可以想象出波源在图片右侧。此图片显示出在一个频带上传输的理想话Wi-Fi数据，该频带分为不同的子信道，呈现出红色、黄色、绿色和其他不同颜色。Wi-Fi波以编码了数据的快速脉冲或者波的形式传输。图中定格的脉冲显示彼此间距离约为6英寸。Wi-Fi路由器可以同时以多个频率发送数据。不同频率显示为蓝色、绿色、黄色和红色，弥漫在广场周围。这些频率的数据形成图中所示的漩涡状，使用可为无线设备识别的普通标签系统可以将其转换。Wi-Fi在电磁频谱中的无线电频段介于实际无线电波和微波之间（无线电波用于收听比赛，而微波用于做晚餐）。图中所示的Wi-Fi脉冲五

5、彩斑斓，从波源处辐射开来。Wi-Fi传输设备是配有传输协议的天线，传输协议将频段分成若干部分，简称为信道。数据可以在单一信道上传输，也可以以更快 的速率发送和接收更多数据。我们使用红色、橙色、黄色等显示看不见的、形成整个Wi-Fi信号的Wi-Fi信道。Wi-Fi场通常呈球形或椭圆形，向外延伸约20-30米。1.1.3 Wi-Fi的技术原理图1.2 Wi-Wi组织结构图一般架设无线网络的基本配备就是无线网卡及一台AP，配合既有的有线架构来分享网络资源。AP为Access Point简称，一般翻译为“无线访问接入点”，或“桥接器”。它主要在媒体存取控制层MAC中扮演无线工作站及有线局域网络的桥梁。

6、有了AP，就像一般有线网络的Hub一般，无线工作站可以快速且轻易地与网络相连。特别是对于宽带的使用，无线保真更显优势，有线宽带网络(ADSL、小区LAN等）到户后，连接到一个AP，然后在电脑中安装一块无线网卡即可。 一个无线网卡主要包括网卡(NIC)单元、扩频通信机和天线三个组成功能块。NIC单元属于数据链路层，由它负责建立主机与物理层之间的连接。扩频通信机与物理层建立了对应关系，实现无线电信号的接收与发射。当计算机要接收信息时，扩频通信机通过网络天线接收信息，并对该信息进行处理，判断是否要发给NIC单元，如是则将信息帧上交给NIC单元，否则丢弃。如果扩频通信机发现接收到的信息有错，则通过天线

7、发送给对方一个出错信息，通知发送端重新发送此信息帧。当计算机要发送信息时，主机先将待发送的信息传送给NIC单元，由NIC单元首先监测信道是否空闲，若空闲立即发送，否则暂不发送，并继续监测。图1.3 IEEE802.11b现在我们普遍使用的Wi-Fi基本都工作在2.4G无线频段，使用的是IEEE 802.11b/g协议。IEEE802.11b是无线局域网的一个标准。其载波的频率为2.4GHz，传送速度为11Mbit/s。IEEE802.11b是所有无线局域网标准中最著名，也是普及最广的标准。它有时也被错误地标为Wi-Fi。实际上Wi-Fi是无线局域网联盟（WLANA）的一个商标，该商标仅保障使用

8、该商标的商品互相之间可以合作，与标准本身实际上没有关系。在2.4-GHz-ISM频段共有14个频宽为22MHz的频道可供使用。不过随着2.4G频段的设备越来越多，在 2.4-2.485GHz内信道显得十分拥挤，因为包括如无线键盘、无线鼠标、蓝牙等各类电子设备都工作在此频段。IEEE标准技术协议标准发布时间工作频段标准速度理想最高速率覆盖范围(室内+室外)802.11a19995.15-5.35/5.47-5.725GHz25Mbps54Mbps30米/45米802.11b19992.4-2.5 GHz6.5Mbps11Mbps30米/100米802.11g20032.4-2.5 GHz25Mb

9、ps54Mbps30米/100米802.11n20092.4GHz或5GHz300Mbps600Mbps70米/250米802.11ac20115GHz433Mbps/867Mbps867Mbps/1.73Gbps/3.47Gbps/6.93Gbps1.1.4. Wi-Fi技术特点（1）传输范围广Wi-Fi的电波覆盖范围半径高达100m，甚至连整栋大楼都可以覆盖，相对于半径只有15m蓝牙，优势相当明显。（2）传输速度快高达54Mb/s的传输速率使得Wi-Fi的用户可以随时随地接收网络，并可快速地享受到类似于网络游戏、视频点播(VOD)、远程教育、网上证券、远程医疗、视频会议等一系列宽带信息增值

10、服务。在这飞速发展的信息时代，速度还在不断提升的Wi-Fi必能满足社会与个人信息化发展的需求。（3）健康安全Wi-Fi设备在IEEE 80211的规定下发射功率不能超过100 mW，而实际的发射功率可能也就在6070 mW。与类似的通信设备相比，手机发射功率约在200 mW1 W，而手持式对讲机更是高达5 W。相对于这两者Wi-Fi产品的辐射更小。（4）普及应用度高现今配置Wi-Fi的电子设备越来越多，手机、笔记本电脑、平板电脑、MP4几乎都将Wi-Fi列入了他们的主流标准配置。1.2 3/4G技术图1.41.2.1 3G技术简介1G即第一代模拟制式手机，2G即第二代GSM、CDMA等数字手机

11、，3G（3rd-Generation）即第三代移动通信技术，是高速率蜂窝移动通讯技术。3G技术能够支持高速数据传输，可同时传送声音及数据，速率可达到几百kbps。3G技术有4种标准，即CDMA2000、WCDMA、TD-SCDMA和WiMAX。3G技术结合无线通信与互联网等多媒体通信，即WAP与WEB结合，与2G的最大差别在于声音及数据传输速度的提升，提供全球范围内无线漫游，图像、音乐、视频等多媒体，网页浏览、电话会议、电子商务等信息服务。3G技术可提供室内2Mbps（兆比特/每秒）、室外384Kbps和行车。1.2.2 4G技术简介第四代移动电话行动通信标准，指的是第四代移动通信技术，外语缩

12、写：4G。该技术包括TD-LTE和FDD-LTE两种制式4G是集3G与WLAN于一体，并能够快速传输数据、高质量、音频、视频和图像等。4G能够以100Mbps以上的速度下载，比目前的家用宽带ADSL（4兆）快25倍，并能够满足几乎所有用户对于无线服务的要求。4G通信技术并没有脱离以前的通信技术，而是以传统通信技术为基础，并利用了一些新的通信技术，来不断提高无线通信的网络效率和功能的。如果说3G能为人们提供一个高速传输的无线通信环境的话，那么4G通信会是一种超高速无线网络，一种不需要电缆的信息超级高速公路，这种新网络可使电话用户以无线及三维空间虚拟实境连线。1.2.3 4G核心技术（1）正交频分

13、复用（OFDM）技术OFDM是一种无线环境下的高速传输技术，其主要思想就是在频域内将给定信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，各子载波并行传输。尽管总的信道是非平坦的，即具有频率选择性，但是每个子信道是相对平坦的，在每个子信道上进行的是窄带传输，信号带宽小于信道的相应带宽。OFDM技术的优点是可以消除或减小信号波形间的干扰，对多径衰落和多普勒频移不敏感，提高了频谱利用率，可实现低成本的单波段接收机。（2）软件无线电软件无线电的基本思想是把尽可能多的无线及个人通信功能通过可编程软件来实现，使其成为一种多工作频段、多工作模式、多信号传输与处理的无线电系统。也可以说，是一种用

14、软件来实现物理层连接的无线通信方式。（3）智能天线技术 智能天线具有抑制信号干扰、自动跟踪以及数字波束调节等智能功能，是未来移动通信的关键技术。智能天线应用数字信号处理技术，产生空间定向波束，使天线主波束对准用户信号到达方向，旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，达到充分利用移动用户信号并消除或抑制干扰信号的目的。这种技术既能改善信号质量又能增加传输容量。（4）多输入多输出（MIMO）技术MIMO技术是指利用多发射、多接收天线进行空间分集的技术，它采用的是分立式多天线，能够有效地将通信链路分解成为许多并行的子信道，从而大大提高容量。信息论已经证明，当不同的接收天线和不同的发射天线之间互不相关时，MI

15、MO系统能够很好地提高系统的抗衰落和噪声性能，从而获得巨大的容量。在功率带宽受限的无线信道中，MIMO技术是实现高数据速率、提高系统容量、提高传输质量的空间分集技术（5）基于IP的核心网4G移动通信系统的核心网是一个基于全IP的网络，可以实现不同网络间的无缝互联。核心网独立于各种具体的无线接入方案，能提供端到端的IP业务，能同已有的核心网和PSTN兼容。核心网具有开放的结构，能允许各种空中接口接入核心网；同时核心网能把业务、控制和传输等分开。采用IP后，所采用的无线接入方式和协议与核心网络(CN)协议、链路层是分离独立的。IP与多种无线接入协议相兼容，因此在设计核心网络时具有很大的灵活性，不需

16、要考虑无线接入究竟采用何种方式和协议。2.蓝牙2.1 蓝牙技术概述蓝牙是一种时时在线、短距离、常驻芯片的无线电连接技术。能在包括移动电话、PDA、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等众多设备之间进行无线信息交换。利用“蓝牙”技术，能够有效地简化移动通信终端设备之间的通信，也能够成功地简化设备与因特网Internet之间的通信，从而数据传输变得更加迅速高效，为无线通信拓宽道路。蓝牙主要面向各类数据和语音设备，通过无线方式将它们连成一个微微网(Piconet)，多个微微网之间可以形成分布式网络（Scatternet）。蓝牙技术是一个低成本、短距离的无线连接技术。蓝牙工作在全球开放2.4GHz ISM频

17、段，使用快速跳频(1600跳/s)和短分组技术，支持点对点及点对多点通信，使用前向纠错（FEC）编码技术。蓝牙的有效无线通讯距离为10100米。发射功率为1mw时，距离为10m；发射功率为100mw时，距离为100m。一台蓝牙设备可同时与其它七台蓝牙设备建立连接。数据最高传输速率可达1M bit/s，今后的版本支持2M bit/s。采用时分双工传输方案实现全双工传输，使用IEEE802.15协议。2.2 工作原理和协议（1）蓝牙通信的主从关系:蓝牙技术规定每一对设备之间进行蓝牙通讯时，必须一个为主角色，另一为从角色，才能进行通信，通信时，必须由主端进行查找，发起配对，建立链接成功后，双方即可收

18、发数据。理论上，一个蓝牙主端设备，可同时与7个蓝牙从端设备进行通讯。一个具备蓝牙通讯功能的设备，可以在两个角色间切换，平时工作在从模式，等待其它主设备来连接，需要时，转换为主模式，向其它设备发起呼叫。一个蓝牙设备以主模式发起呼叫时，需要知道对方的蓝牙地址，配对密码等信息，配对完成后，可直接发起呼叫。（2）蓝牙的呼叫过程:蓝牙主端设备发起呼叫，首先是查找，找出周围处于可被查找的蓝牙设备。主端设备找到从端蓝牙设备后，与从端蓝牙设备进行配对，此时需要输入从端设备的PIN码，也有设备不需要输入PIN码。配对完成后，从端蓝牙设备会记录主端设备的信任信息，此时主端即可向从端设备发起呼叫，已配对的设备在下次

19、呼叫时，不再需要重新配对。已配对的设备，做为从端的蓝牙耳机也可以发起建链请求，但做数据通讯的蓝牙模块一般不发起呼叫。链路建立成功后，主从两端之间即可进行双向的数据或语音通讯。在通信状态下，主端和从端设备都可以发起断链，断开蓝牙链路。（3）蓝牙一对一的串口数据传输应用:蓝牙数据传输应用中，一对一串口数据通讯是最常见的应用之一，蓝牙设备在出厂前即提前设好两个蓝牙设备之间的配对信息，主端预存有从端设备的PIN码、地址等，两端设备加电即自动建链，透明串口传输，无需外围电路干预。一对一应用中从端设备可以设为两种类型，一是静默状态，即只能与指定的主端通信，不被别的蓝牙设备查找；二是开发状态，既可被指定主端

20、查找，也可以被别的蓝牙设备查找建链。蓝牙协议规范的目标是允许遵循规范的应用能够进行相互间操作，蓝牙SIG规范的完整蓝牙协议栈如图：图2.1（4）蓝牙核心协议:蓝牙的核心协议由基带，链路管理，逻辑链路控制与适应协议和服务搜索协议等4部分组成。1）基带协议基带协议确保各个蓝牙设备之间的射频连接，以形成微微网络。2）链路管理协议链路管理协议（LMP）负责蓝牙各设备间连接的建立和设置。LMP通过连接的发起，交换和核实进行身份验证和加密，通过协商确定基带数据分组大小；还控制无线设备的节能模式和工作周期，以及微微网络内设备单元的连接状态。3）逻辑链路控制和适配协议逻辑链路控制和适配协议（L2CAP）是基带

21、的上层协议，可以认为L2CAP与LMP并行工作。L2CAP与LMP的区别在于当业务数据不经过LMP时，L2CAP为上层提供服务。4）服务搜索协议使用服务搜索协议（SDP），可以查询到设备信息和服务类型，从而在蓝牙设备间建立相应的连接。2.3 硬件构成目前蓝牙产品来看,其硬件上都采用了两块芯片构成一个芯片组,一块是射频芯片,另外一块是基带控制芯片,如朗讯公司的W7020和W7400、飞利浦的UAA3558和PCD87750等,这两块芯片再加上外加的Flash、天线和电源芯片就可以构成了一个蓝牙模块(BluetoothModule),可以用于各种蓝牙产品之中。5 mm10 mm天线滤波器蓝牙芯片9

22、9 mm9 mm18 mm图2.2 蓝牙芯片图2.2的左端为天线和滤波器，要求天线的体积十分小巧、重量轻，因此，蓝牙天线属于微带天线。右端为单芯片的植入蓝牙协议的电子元件（采用标准的BGA封装方式）。蓝牙集成电路功耗低(1mw)，体积小，成本低廉(5美元、1美元)、容易实现和推广。目标是小型移动设备及其外设。可以被引入到移动电话、笔记本电脑，打印机、PDA、桌上型电脑、传真机、键盘、游戏操纵杆等等。2.4 蓝牙应用：2.4.1 应用分类1) 电缆替代(cable replacement)：替代PC机与打印机、鼠标、扫描仪、投影仪等外设的连接电缆，无线互连PDA、移动电话以及PC机等。过去的办公

23、室因各种电线纠缠不清而非常混乱。从为设备供电的电线到连接计算机至键盘、打印机、鼠标和 PDA 的电缆，无不造成了一个杂乱无序的工作环境。在某些情况下，这会增加办公室危险，如员工可能会被电线绊倒或被电缆缠绕。通过 Bluetooth 无线技术，办公室里再也看不到凌乱的电线，整个办公室也像一台机器一样有条不紊地高效运作。PDA 可与计算机同步以共享日历和联系人列表，外围设备可直接与计算机通信，员工可通过 Bluetooth 耳机在整个办公室内行走时接听电话，所有这些都无需电线连接。2) Ad hoc个人无线网络：短距离区域内不同用户的ad hoc网络互连，只要进入范围内，一个配备蓝牙的设备能与另一

24、个无线电设备即时连接Bluetooth 技术的用途不仅限于解决办公室环境的杂乱情况。启用Bluetooth 的设备能够创建自己的即时网络，让用户能够共享演示稿或其它文件，不受兼容性或电子邮件访问的限制。Bluetooth 设备能方便地召开小组会议，通过无线网络与其它办公室进行对话，并将干擦白板上的构思传送到计算机。3) 数据与语音接入点：采用蓝牙作为AP，从而与蜂窝网络、有线连接或卫星链路所提供的广域语音和数据服务。2.4.2 蓝牙的具体应用举例现代家庭与以往的家庭有许多不同之处。在现代技术的帮助下，越来越多的人开始了居家办公，生活更加随意而高效。他们还将技术融入居家办公以外的领域，将技术应用

25、扩展到家庭生活的其它方面。通过使用 Bluetooth 技术产品，人们可以免除居家办公电缆缠绕的苦恼。鼠标、键盘、打印机、膝上型计算机、耳机和扬声器等均可以在 PC 环境中无线使用，这不但增加了办公区域的美感，还为室内装饰提供了更多创意和自由（设想，将打印机放在壁橱里）。此外，通过在移动设备和家用 PC 之间同步联系人和日历信息，用户可以随时随地存取最新的信息。具体应用有：（1）三合一电话：未来采用蓝牙技术的移动电话将是“三合一”，即集移动电话、无绳电话、对讲机三种功能于一身。移动电话就可以当对讲机用：两个蓝牙设备之间在近距离内可以建立直接语音通路，因此两个蜂窝电话用户之间，通过蓝牙连接可以直

26、接进行对话。内置蓝牙芯片的移动电话，在室内可以用做无绳电话，通过无绳电话基站接入PSTN进行语音传输，从而不必支付昂贵的移动通话费用当然在室外或途中仍作为移动电话使用。（2）头戴式耳机采用蓝牙技术的头戴式耳机作为移动电话、个人计算机等的语音输入、输出接口能够在保持私人通话的同时，使用户摆脱电缆束缚而有更大活动自由。（3）英特网桥 可以使台式、便携式电脑通过移动电话手机进入因特网移动电话充当网关角色，提供到公共网络的接入，台式计算机或笔记本电脑则作为数据终端，使用网关所提供的服务。（4）文件传输 蓝牙设备之间可以传送数据对象，这些设备可以是个人计算机、智能电话或者是PDA。数据对象可以是各种文件

27、，比如Excel文件、PowerPoint文件、声音文件、图像文件等。用户可以浏览远端设备上文件夹内容，可以新建或删除文件夹。整个文件夹、目录或流媒体格式都可以在设备间传送。2.5 蓝牙的优缺点及未来2.5.1 缺点（1）蓝牙是一种还没有完全成熟的技术，尽管被描述得前景诱人，但还有待于实际使用的严格检验。（2）蓝牙的通讯速率也不是很高，在当今这个数据爆炸的时代，可能也会对它的发展有所影响。（3）目前主流的软件和硬件平台均不提供对蓝牙的支持，这使得蓝牙的应用成本升高，普及难度增大。（4）ISM频段是一个开放频段，可能会受到诸如微波炉、无绳电话、科研仪器、工业或医疗设备的干扰。2.5.2 优点（1

28、）开放性优势：支持企业多；协议公开无偿使用，只要是SIG的成员，都有权无偿使用蓝牙的新技术，无需交纳专利费用。（2）成本优势：无需基站；应用范围广大；协议相对简单；数据传输速率适中。（3）便携式优势：体积小，可以直接嵌入到小型乃至微型设备中使用；功耗小，可以用于电池供电的场合。（4）频带优势：蓝牙频带全球通用。（5）安全性优势：低辐射；保密性好；抗干扰能力强：快跳频、短数据包。2.6蓝牙技术的未来展望虽然目前蓝牙技术在业界受到广泛的关注，但是仍未获得消费者的足够认可。菲利浦高层就指出：“蓝牙行业没有清楚地告诉消费者，该技术会给他们带来什么价值。”充满竞争的无线标准市场，要指明蓝牙的未来并不是一

29、件容易的事。蓝牙技术需要不断改进，随着数据率的增高，蓝牙的市场定位更变得令人困惑。 用来克服安全可靠性问题的技术措施尚非完善成熟，它们还有稳定性、可靠性以及成本等等需要考验。把这些技术压缩在比88mm还要小的芯片中，同样不是件易事，小型化产品一个突出的问题是高精度装配技术，而且装配成本要足够低。小型化蓝牙的另一个问题是小天线问题。蓝牙技术虽然有用，但从目前来看它，远远不是一种非它不可的产品。作为广大用户，关心的是前端的应用价值而不是后台的技术本身。3. ZigBee3.1 ZigBee技术简介为了满足类似于传感器的小型、低成本设备无线联网的要求，2000年12月IEEE成立了IEEE802.1

30、5.4 工作组，致力于定义一种供廉价的固定、便携或移动设备使用，且复杂度、成本和功耗均很低的低速率无线连接技术。ZigBee技术是基于IEEE802.15.4标准的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术。这一名称来源于蜜蜂的八字舞，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信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信。3.2 ZigBee和IEEE802.15.43.2.1 二者的联系ZigBee 协议是基于 IEEE802.15.4 的一种无线通信技术，IEEE802.15.4 规定了物理层、媒体介质访问层、数据链

31、路层通信协议，ZigBee 对其进行了完善，在其上增加了网络层、应用接口和应用层，使其具有了多跳、自组网、路由等功能，同时具有低功耗、低速率、低复杂度、低成本、双向无线通信等特点。以上各层组成了 ZigBee 协议体系结构，如下图所示。图3.1 ZigBee的构成3.2.2 二者的区别人们常会把ZigBee和IEEE802.15.4等同起来，其实二者之间还是有所区别的:（1）ZigBee完整、充分地利用了IEEE802.15.4定义的功能强大的物理特性的优点；（2）ZigBee增加了逻辑网络和应用软件；（3）ZigBee基于IEEE802.15.4射频标准，同时ZigBee联盟通过与IEEE紧密工作来确保一个集成的完整的市场解决方案；（4） 802.15.4工作组主要负责制定物理层（PHY）和媒体访问控制（MAC）层标准，而ZigBee负责网络层和应用层的开发。图3.2 ZigBee的体系构成3.3. ZigBee 网络地址研究3.3.1 网络分类ZigBee 网络按拓扑结构可以分为三种，分别为星型、树型和网状结构，如图3.3所示。图3.3 ZigBee的网络拓扑结构（1)星形网络路由：网络中包括一个协调器和若干个终端设备。只存在协调器终端设备的通信，终端设备之间的通信必须通过协调器中继。星形网络的优点是路由方案简单，无需其他路由信息