第一章-物聯網通信概述
- 1.1 物聯網的起源與定義
- 1.2 物聯網的特征與體系架構
- 三個特征：
- 三層架構：
- 1.3 物聯網通信體系架構
- 1.3.1 通信問題演算法
- 1.3.2 協議體系
- 1.分層架構
- 2.開放系統互聯OSI參考模型
- 1.4 物聯網通信技術
- 1.4.1 有線通信
- 1.儀表總線
- 2.以太網
- 1.4.2 無線通信
- 1. RFID
- 2. 短距離通信NFC
- 3. 藍牙
- 4. ZigBee
- 5. 窄帶物聯網NB-IoT
- 6. LoRaWAN
1.1 物聯網的起源與定義
起源：
1999年美國麻省理工學院自動識別中心的凱文·阿什頓教授，在研究RFID和互聯網解決方案中，首次提出了“物聯網的概念”，
定義：
物聯網是指，將無處不在的末端設備，通過有線或無線的通信網路，實作互聯互通，應用大資料、云計算等技術，實作對“萬物”的“高效、節能、安全、環保”的“管、控、營”一體化，
1.2 物聯網的特征與體系架構
三個特征：
- 全面感知：利用傳感器、RFID、二維碼、攝像頭等能隨時隨地獲取物體的各種資訊，
- 可靠傳輸：通過各種電信網路和互聯網的融合，將感知的各種資訊進行實時準確的傳遞，
- 智能處理：利用云計算、資料挖掘等智能計算技術，即使對海量資料和資訊進行分析和處理，對物體實施智能化管理，
三層架構：
- 感知層（感知控制層）：最底層，負責獲取感知資訊，
- 網路層：中間層，負責傳輸感知資訊到應用層，
- 應用層：最上層，主要功能是為用戶提供智能應用，
1.3 物聯網通信體系架構
1.3.1 通信問題演算法
通信系統三要素：信源、信道、信宿
通信的本質：空間上一點產生的訊息在空間上另一點的有效再現
無論是哪種通信網路，都要解決以下3個問題：
- 采用何種介質連接通信節點，用何種電信號能高效實作資料傳輸，
- 多節點如何占用信道資源進行收發資訊，如何減小碰撞，
- 如何將資料有效地傳輸到目的地，
1.3.2 協議體系
1.分層架構
通信流程7個階段：業務、操作、規程、運輸、路由、鏈路、傳播，發送方的流程是業務到傳播，而接收方相反，
2.開放系統互聯OSI參考模型
7層：物理層、資料鏈路層、網路層、傳輸層、會話層、表示層、應用層，
傳感測量資料的傳輸與互聯網的接入是本書關注的重點，
1.4 物聯網通信技術
- 根據接入介質不同分為有線通信和無線通信
- 根據傳輸距離的遠近，分為近距離通信和遠距離通信
1.4.1 有線通信
1.儀表總線
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定義：儀表總線（Meter Bus, Mbus）是歐洲標準的2線的二總線，通常用于構建各類儀表或相關裝置的能耗類智能管理系統，
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組成：MBus是一個層次化的系統，由一個主站、若干從站和一對連接線纜組成，所有從站并行連接在總線上，由主站控制總線上的所有串行通信行程，
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系統示意圖：
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傳輸介質：總線所用的兩線電纜通常采用標準電話雙絞線，沒有正負極之分，
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特點：可靠、低成本、長距離（幾千米連接幾百個從設備），適用于公共事業儀表，
2.以太網
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目前局域網最通用的通信協議標準
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所有節點在通信上是平等的，沒有主站和從站之分，采用總線型拓撲結構
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以太網路使用載波監聽多路訪問及沖突檢測（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection, CSMA/CD）技術，可以避免發送分組沖突，并可以運行在多種型別的電纜上
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有兩種傳輸介質：雙絞線和同軸電纜
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為了減少沖突，提高的網路速度和使用效率最大化，目前的快速以太網（100BASE-T、1000BASE-T）使用集線器來進行網路連接和組織
1.4.2 無線通信
1. RFID
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短距離傳輸技術
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在產品中嵌入電子芯片（稱為電子標簽），通過射頻信號自動將產品的資訊發送給讀寫器進行識別
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RFID系統主要由三部分組成：電子標簽、讀寫器和天線
- 電子標簽或稱射頻標簽、應答器，它內部含有芯片，芯片內具有資料存盤區，用于存盤待識別物品的標識資訊
- 讀寫器是將約定格式的待識別物品的標識資訊寫入電子標簽的存盤區中（寫入功能），或在讀寫器的閱讀范圍內以無接觸的方式將電子標簽內保存的資訊讀取出來（讀出功能）
- 天線用于發射和接收射頻信號，是標簽與閱讀器之間傳輸資料的收發部件
2. 短距離通信NFC
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Near Field Communication，短距離的高頻無線通信技術
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允許電子設備之間進行非接觸式點對點資料傳輸交換資料
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通信頻率為13.56MHz，通信距離最大10cm左右，支持主動和被動兩種作業模式及多種傳輸資料速率，目前的資料傳輸速率為106kbit/s、212kbit/s和424kbit/s
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主動：
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被動：
3. 藍牙
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無線資料與語音通信的開放性全球規范
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作業在全球通用的2.4GHz ISM（即工業、科學、醫學）頻段，使用IEEE 802.15協議，資料傳輸速率為1Mb/s
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藍牙通信有主站和從站之分，通信時，必須由主站進行查找并發起配對，雙方建鏈成功后即可收發資料
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藍牙系統結構：
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藍牙可以建立臨時性的對等連接，由主站主動發起連接請求，幾個從站加入連接成一個皮網（Piconet）
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通過時分復用技術，一個藍牙設備可以同時與幾個不同的皮網保持同步
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藍牙采用了跳頻方式來擴展頻譜
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藍牙網路結構：
4. ZigBee
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短距離、低功耗、高可靠的無線數傳網路，是IEEE 802.15.4協議的代名詞
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由可多到65000個無線節點組成的無線網路平臺
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傳輸距離從標準的75m到幾百米、幾公里，并且支持無限擴展
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ZigBee可作業在三個頻段上，分別是2.4GHz的公共通用頻段、歐洲的868MHz頻段和美國的915MHz頻段上,分別具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的傳輸速率,它的傳輸距離在10-75m的范圍內
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ZigBee廣泛應用在家居、建筑物、公共場所、工廠、碼頭等場所
5. 窄帶物聯網NB-IoT
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ZigBee網路中的節點主要包含三個：終端節點（End device）、路由器節點（Router）、協調器節點（Co-ordinator）
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ZigBee根據網路結構可分為三種：星狀網路、樹狀網路和網狀網路
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星狀網路包含一個協調器和若干個路由器和終端
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樹狀網路同星狀網路
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網狀網路是建立在ZigBee樹狀網路結構上，除了滿足ZigBee 樹狀網路的所有功能之外，其相鄰路由器之間也存在通信關系
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ZigBee網路拓撲結構：
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IEEE 802.15.4定義了兩個物理層標準：2.4GHz物理層和868/915MHz物理層，兩者均基于直接序列擴頻技術
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868MHz只有一個信道，傳輸速率為20kb/s；在902MHz～928MHZ頻段共有10個信道，信道間隔為2MHz，傳輸速率為40kb/s，在2.4GHz～2.4835GHz頻段共有16個信道，信道間隔為5MHz，能夠提供250kb/s的傳輸速率
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網路中節點在信道占用上沒有主從之分，地位平等，共享信道
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采用CSMA/CA（CSMA with Collision Avoidance）接入協議來實作高吞吐量的信道傳輸
6. LoRaWAN
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Semtech公司創建的低功耗局域網無線標準
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實作低功耗和遠距離的統一，在同樣的功耗下比傳統的無線射頻通信距離擴大3-5倍
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LORA的傳輸距離在城鎮可達2-5Km，在郊區可達15Km
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LoRa廣域網（LoRa Wide Area Network，LoRaWAN）的整體網路結構分為終端、網關、網路服務、應用服務幾個功能
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LoRa網路結構示意圖：
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終端節點可以同時發給多個基站，一般LoRa終端和網關之間可以通過LoRa無線技術進行資料傳輸
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網關和核心網或廣域網之間的互動可以通過TCP/IP協議，可以是有線連接的以太網，或3G/4G類的無線連接
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LoRa作業頻率采用ISM頻段，執行標準為IEEE802.15.4g，調制方式是基于線性調制擴頻（Chirp Spread Spectrum，CSS）的一個變種，具有前向糾錯（Forward Error Correction，FEC）能力，傳輸速率從幾百bps到幾十Kbps
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