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作者：续合元

出版社：电子工业出版社

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宽带中国与物联网试读：

前言

全球众多国家纷纷将发展宽带作为战略优先选择，正在推动新一轮信息化发展浪潮，同时我国已将“宽带中国”战略上升为国家战略，首次成为国家战略性公共基础设施。物联网是通信网和互联网的网络延伸和应用拓展，是新一代信息技术的高度集成和综合运用。物联网应用需要宽带网络，物联网发展呼唤宽带的升级和增强，宽带中国的实施将赋予我国物联网应用更广阔的发展空间，反过来物联网的广泛应用也会促进宽带网络的进一步发展，两者有密不可分的关系。

物联网是未来的信息通信技术的发展趋势，网络正从被动地接受、传输信息向主动采集、处理和利用信息的方向发展，并广泛应用到基础设施、物流配送、环境保护、安全生产和军事防御等领域，实现物质世界实时便捷的资源配置和科学管理。广泛分布的传感器、射频识别（RFID）和嵌入式智能小物体使物理实体具备了感知、计算、存储和执行的能力，不断推动物理世界的智能化。通信网、互联网、传感器网和识别技术融合集成将构建未来的信息网，使信息沟通从人与人向人与物、物与物扩展延伸，实现信息共享和业务协同，同时也使得人、环境和自然的协调适应和发展具备了更加广阔的前景。

本书共7章，系统介绍宽带中国及物联网相关的技术、标准、应用和产业体系，并预测了物联网的未来发展方向。第1章综合阐述物联网，重点介绍宽带中国与物联网的关系、物联网的内涵和特征、起源和发展现状以及发展过程中涉及的关键要素，以便读者建立宏观的物联网概念，本章由工业和信息化部电信研究院（简称CATR）的续合元撰写。第2章从感知技术、通信技术、信息处理技术、共性技术四个方面系统介绍物联网涉及的关键技术。感知技术中包括的传感器技术由CATR的杜加懂撰写，RFID技术由CATR的周怡撰写，视频图像感知技术由CATR的曹远撰写；通信技术中的短距离通信技术由CATR的罗振东、马军锋、杨萌撰写，其中罗振东和杨萌负责短距离无线通信技术部分，马军锋负责短距离通信组网技术部分；广域网通信技术由CATR的刘荣朵撰写；信息处理技术中的海量数据存储和数据挖掘由CATR的曹远、罗松撰写；物联网共性技术中的物联网安全由CATR的陈湉撰写，物联网标识和解析由CATR的周怡和黄颖撰写，物联网的频谱由CATR的朱禹涛撰写。第3章重点介绍智能电网、智能交通、智慧城市、智能家居、电子健康、智能农业、智能环保七个典型物联网应用的发展情况，其中智能电网由CATR的龚达宁撰写，智能交通由CATR的汤立波撰写，智慧城市由CATR的李健撰写，智能家居由CATR的陆洋撰写，电子健康由CATR的李成撰写，智能农业由中国电信的江志峰撰写，智能环保由CATR的李健撰写。第4章介绍与物联网相关的国内外标准组织的标准化状况，包括ITU-T、3GPP、ETSI、OneM2M、IETF/IPSO、IEEE、CCSA、WGSN等及行业物联网标准化的情况，由CATR的李海花撰写。第5章介绍物联网的制造业和服务业的产业发展状况，重点分析我国物联网产业的发展情况，由CATR的李健撰写。第6章分析物联网面临的安全风险，提出适用于物联网的安全评估方法，并借鉴信息系统安全等级保护的概念，探讨物联网环境下如何实施安全等级保护，由CATR的张雪丽撰写；物联网测试由CATR的罗松撰写。第7章预测物联网未来将向着泛在协同的泛在网方向发展，由CATR的续合元撰写。曲振华负责每章导读和全书的校正和核对。

参加本书编写工作的有续合元、张雪丽、罗振东、李健、曹远、李海花、周怡、马军锋、刘荣朵、龚达宁、汤立波、陆洋、李成、江志峰、陈湉、朱禹涛、杜加懂、曲振华、杨萌、黄颖、罗松。

由于物联网涉及的体系庞杂，且在不断发展演进之中，书中难免有差错和不当之处，欢迎广大读者提出宝贵意见。编著者2014年7月于北京第1章 综述本章导读

全球众多国家纷纷将发展宽带作为战略优先选择，正在推动新一轮信息化发展浪潮，同时我国已将“宽带中国”战略上升为国家战略，首次成为国家战略性公共基础设施。物联网是通信网和互联网的网络延伸和应用拓展，是新一代信息技术的高度集成和综合运用。物联网应用需要宽带网络，物联网发展呼唤宽带的升级和增强，宽带中国的实施将赋予我国物联网应用更广阔的发展空间，反过来物联网的广泛应用也会促进宽带网络的进一步发展，两者有密不可分的关系。本章重点介绍宽带中国与物联网的关系、物联网的内涵和特征、起源和发展现状以及发展过程中涉及的关键要素。1.1 宽带中国与物联网

宽带正在推动着新一轮信息化发展浪潮，在全球仍未走出经济低迷的情况下，众多国家纷纷将发展宽带作为战略优先选择，加速推进。目前全球已经有146个国家实施了宽带战略或行动计划。2013年8月1日，我国国务院发布了“宽带中国”战略及实施方案，部署了未来8年宽带发展目标及路径，这意味着“发展宽带”在我国已经从部门行动上升为国家战略，宽带首次成为了国家战略性公共基础设施，迎来了新一轮的快速发展。

宽带在推动社会经济发展、提升国家长期竞争力方面的作用日益突出，主要表现在宽带能够高效的带动经济增长。宽带使得各行各业的生产、业务流程更加高效，大幅度提升了生产效率，并且使企业可以通过呼叫中心、服务外包等方式最大化地利用劳动力、原材料等资源。众多研究表明宽带比其他ICT技术更能促进经济社会的发展，并且对发展中国家的作用更为显著。仅在提升生产率方面，宽带就平均每年帮助制造业提高5％、服务业提高10％、信息产业提高20％的生产率。宽带已经成为众多国家战略优先发展领域，欧盟把宽带发展作为“欧盟2020战略”的重要组成部分；美国把宽带作为重建美国、赢得未来的关键；韩国连续几届政府都把宽带作为优先事项；日本首相直接领导IT战略本部，每年进行宽带政策优先事项进行审查。联合国已呼吁将宽带列入全球“可持续发展目标（SDG）”，希望通过宽带的应用与服务创新促进经济增长、社会发展和环境保护。

物联网概念最早于1999年由美国麻省理工学院提出，早期的物联网是指依托射频识别（RFID）技术和设备，按约定的通信协议与互联网相结合，使物品信息实现智能化识别和管理，实现物品信息互联、可交换和共享而形成的网络。为抢占经济科技制高点，欧美、日韩等发达国家早已经将物联网产业提升到国家发展的战略高度，将其作为新一轮产业发展的重点，积极开展物联网技术研究、标准制定，加快推动物联网基础设施建设，着力推进物联网产业发展。美国提出《美国创新战略》，将物联网作为振兴经济、确立优势的关键战略；欧盟发布了下一代全欧移动宽带长期演进与超越以及ICT研发与创新战略，并制订物联网行动方案，公布了涵盖标准化、研究项目、试点工程、管理机制和国际对话在内的物联网领域十四点行动计划。日本提出“U-Japan”和“I-Japan”战略并将物联网作为发展重点，还出台了数字日本创新项目ICT鸠山计划行动大纲。韩国出台《物联网基础设施构建基本规划》，重点提出构建物联网基础设施、发展物联网服务、研发物联网技术、营造物联网扩散环境等四大领域。澳大利亚、新加坡、法国、德国等其他发达国家也加快部署了下一代网络基础设施的步伐。

自2009年8月温家宝总理提出“感知中国”以来，物联网被正式列为我国新兴战略性产业之一。物联网是我国战略性新兴产业的重点发展领域，发展物联网产业不仅是提高我国信息产业核心竞争力、改造提升传统产业和提升社会信息化水平的重要举措，也成为我国加快发展方式转变，推进自主创新的重要突破口。目前我国物联网在安防、电力、交通、物流、医疗、环保等领域已经得到应用，且应用模式正日趋成熟。在安防领域，视频监控、周界防入侵等应用已取得良好效果；在电力行业，远程抄表、输变电监测等应用正在逐步拓展；在交通领域，路网监测、车辆管理和调度方面正在发挥积极作用；在物流领域，物品仓储、运输、监测等多个环节得到广泛应用；在医疗领域，个人健康监护、远程医疗等应用日趋成熟。除此之外，物联网在环境监测、市政设施监控、楼宇节能、食品药品溯源等方面也开展了广泛的应用。

现今，通信网络的宽带化、移动化和IP化发展趋势越发明显，各种新颖、便利的数据应用层出不穷，各类新技术、新模式、新业务不断涌现，新的产业增长点正在形成。继互联网之后，物联网成为信息社会演进的推动力，肩负着再次振兴全球经济的特殊使命。随着物联网感知设备的泛在部署，物联网应用的不断提供，传统通信网络需要进行相应的不断优化和增强，并需要支持海量数据处理。我国正在加快物联网的建设步伐，争取尽快实现“感知中国”。因此，我国物联网的发展离不开通信网络，更宽、更快、更优的下一代宽带网络将为物联网发展提供更有力的支撑，也将为物联网应用带来更多的可能，因此说物联网的应用需要宽带支撑，物联网发展呼唤宽带的升级和增强，宽带中国的实施将赋予我国物联网应用更广阔的发展空间。1.2 物联网的内涵和特征

物联网（Internet of Things，IoT）是通信网和互联网的网络延伸和应用拓展，是新一代信息技术的高度集成和综合运用，它利用感知技术与智能装置对物理世界进行感知识别，通过网络传输互联，进行计算、处理和知识挖掘，实现人与物、物与物的信息交互和无缝链接，以达到对物理世界实时控制、精确管理和科学决策的目的。

物联网具有多种网络形态，可以是独立的物理网，也可以是构架在通信网、互联网、行业网上的逻辑网络，实际中可以构建面向不同应用或服务领域的各种物联网，如智能电网、智能交通、智能物流等。物联网的主要特征包括：● 物联网提供面向物的连接能力；● 物联网提供自主的、可扩展的面向物的信息感知、传送、处理、

控制能力；● 物联网通过各种通信网络（通信网、互联网、行业网络）和信息

处理，实现基于物的信息服务。

随着技术和应用的发展，物联网的内涵变得更加丰富，并且出现了多个与物联网相关的术语和概念，如泛在网、机器到机器通信（Machine to Machine，M2M）、传感器网。

泛在网是指基于个人和社会的需求，利用现有的网络技术和新的网络技术，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，网络超强的环境感知、内容感知及其智能性，为个人和社会提供泛在的、无所不含的信息服务和应用。

M2M是以机器终端设备智能交互为核心的、网络化的应用与服务，它通过在机器内部嵌入通信模块，通过各种承载方式将机器接入网络，为客户提供综合的信息化解决方案，以满足客户对监控、指挥调度、数据采集和测量等方面的信息化需求。

传感器网是利用各种传感器（光、电、温度、湿度、压力等）加上中低速的近距离无线通信技术构成一个独立的网络，是由多个具有无线通信与计算能力的低功耗、小体积的微小传感器节点构成的自组织分布式网络系统，它一般提供局域或小范围物与物之间的信息交换。传感器网、M2M、物联网、泛在网四者之间的关系如图1-1所示。图1-1 传感器网、M2M、物联网、泛在网四者之间的关系示意图

物联网是从以满足人与物之间通信为主，走向了连通人与物理世界，因此是迈向泛在网的关键一步；泛在网是物联网的发展方向和目标；M2M特指由电信运营商构建的面向物联网的应用和网络；传感器网是物联网的一种末端接入手段和感知层的重要组成部分。四者之间是包含的关系，即泛在网包含物联网，物联网包含M2M，M2M包含传感器网。1.3 物联网的发展要素

物联网的发展涉及技术、应用、标准、产业和评测等多方面的关键要素。

1．物联网技术

根据信息处理的三个关键环节，物联网网络架构在逻辑功能上由感知域、信息通信域、应用域组成，如图1-2所示。图1-2 物联网网络架构● 感知域：实现对物理世界的智能感知识别、信息采集处理和自动

控制，并通过通信模块将物理实体连接到信息通信域和应用域，

如传感器、RFID、视频等。● 信息通信域：实现物联网数据信息和控制信息的双向传递、路由

和控制，包括延伸网、接入网和核心网，可依托公众电信网和互

联网，也可以依托行业专网。● 应用域：包含应用基础设施/中间件和各种物联网应用，应用基

础设施/中间件为物联网应用提供信息处理、计算等通用基础服

务设施、能力及资源调用接口，以此为基础实现物联网在众多领

域的各种应用，如智能电网、智能交通、智慧城市、智能家居、

电子健康、智能农业等。

如上所述，物联网网络架构分为三个域，并架构在电信网、互联网、行业专网等多种网络之上，不同层面综合应用各类信息通信技术，涉及人类生产生活各种应用，因此物联网涵盖的关键技术非常庞杂，本书将从感知技术、通信技术、信息处理技术、共性技术四个方面系统介绍物联网涉及的关键技术，详见第2章。

2．物联网应用

物联网应用，既有公众应用，也有行业应用。其中公众应用是面向公众普遍需求提供的基础应用，如智能家居等；行业应用通常是面向行业自身特有的需要，面向行业内部提供的应用，如智能电网、智能交通等；其中部分行业应用也可以面向公众提供，如电子健康，称为行业公众应用，详见第3章。

3．物联网标准

物联网标准是国际物联网技术竞争的制高点，由于物联网涉及不同专业技术领域、不同行业应用部门，物联网的标准既要涵盖面向不同应用的基础公共技术，也要涵盖满足行业特定需求的技术标准。基于物联网技术体系和行业特殊性，将物联网标准分成四类，即物联网总体性标准、物联网通用共性技术标准、物联网公共标准以及电力、交通等行业的专属物联网标准，详见第4章。

4．物联网产业

物联网产业包括物联网相关的制造业和服务业，物联网产业并非完全新的产业，除了传感器产业、RFID产业、M2M产业的核心产业外，还有基于现有的基础ICT产业并且带动传统产业的发展，详见第5章。

5．物联网评测

随着物联网从概念规划逐渐步入落地实施，在各地、各行业都有了一定规模的部署，业界需要客观评价物联网的发展水平，对物联网相关的技术进行测试，保证产品质量并提高产品兼容性，开展安全评估，保障物联网系统和应用的安全性，详见第6章。第2章 物联网技术本章导读

物联网综合应用各类信息通信技术，同时网络架构在通信网、互联网、行业专网等多种网络之上，并涉及各种行业领域，因此物联网涵盖的关键技术非常庞杂，本章从感知技术、通信技术、信息处理技术、共性技术四个方面系统介绍物联网涉及的关键技术。2.1 物联网技术体系

为了系统介绍物联网技术，将物联网技术体系划分为感知技术、通信技术、信息处理技术、共性技术，如图2-1所示。图2-1 物联网技术体系

1．物联网感知技术

感知域是物联网感知物理世界获取信息和实现物体控制的首要环节，涉及的关键技术包括传感器、RFID、视频图像感知等技术，详见2.2节。

2．物联网通信技术

信息通信域涉及的关键通信技术包括各种短距离通信技术、广域网通信技术，详见2.3节。

3．物联网信息处理技术

应用域关键技术主要实现信息处理和业务应用支撑，其中关键信息处理技术包括海量数据存储技术和数据挖掘技术，详见2.4节。

4．物联网共性技术

物联网共性技术涉及基础支撑技术和网络跨层技术，主要包括物联网安全技术、物联网标识和解析技术、物联网频谱技术等方面，详见2.5节。2.2 物联网感知技术2.2.1 传感器2.2.1.1 传感器概述

物联网与移动互联网的一个重要的区别是其底层增加了传感器网络，利用传感器来从外界获取信息，极大地摆脱了传统意义上必须借助于人类的感觉器官来获取外界物理世界信息的限制；从这个方面来说，传感器可以被看作是人类感觉器官的延伸。

随着新技术的不断发展，世界已开始进入到信息时代，越来越多的有关生产及生活的数据被收集上来，促进了大数据的繁荣；但这一切的前提是要扩大信息获取的途径并保证信息的准确可靠，传感器就是获取自然和生产领域中信息的主要途径和手段。目前传感器已经渗透到生产和生活的各个方面，如智能终端、智能家居、工业生产、海洋勘探、环境保护，等等，传感器在推进经济及社会发展方面起到越来越重要的作用。2.2.1.2 传感器定义及分类

1．传感器定义

按照国家标准GB7665—87《传感器通用术语》中对传感器的定义是“能感受被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。传感器是一种检测装置，它能感受被测量的信息，并将检测到的信息按照一定的规律转换成电信号或其他形式的信号输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。总体来说，传感器是以一定的精度和规律把被测量转换为与之有确定关系的、便于应用的某种物理量的测量装置。

2．传感器分类

目前对于传感器尚无一个统一的分类方法，可以按照不同的维度对其进行分类，主要的分类方法有以下几种。（1）按照传感器测量的物理量进行分类：主要有位移、压力、速度、温度、流量、气体成分等传感器。（2）按照传感器工作原理进行分类：主要有电阻、电容、电感、电压、霍尔、光电、光栅等传感器。（3）按照传感器输出信号的性质分类：主要有模拟传感器、数字传感器及开关传感器等。模拟传感器将被测量的信号转换成模拟输出信号；数字传感器将被测量的信号转换成模拟输出信号；开关传感器是根据被测量信号是否到达某个特定阈值来产生相应的输出信号。（4）按照传感器材料进行分类：在外界因素的作用下，所有材料都会做出相应的、具有特征性的反应。传感器就是利用这些材料的特性，来制作传感器的敏感元件。从传感器所用的材料可以将传感器分为下列几类。● 按照所用材料类别不同来分类，如金属、陶瓷、混合物等。● 按照所用材料的物理性质不同来分类，如导体、绝缘体、半导体、

磁性材料等。● 按照材料的晶体结构不同来分类，如单晶、多晶、非晶材料等。（5）按照传感器制造工艺分类：不同的传感器所使用的制造工艺不同，可以将传感器分为集成传感器、薄膜传感器、厚膜传感器和陶瓷传感器。2.2.1.3 传感器发展历程

从产生到现在，传感器发展大体可分为以下三代。（1）第一代：结构型传感器，它是利用结构参量变化来感受和转化信号的。结构型传感器属于早期开发产品，近年来，随着新材料、新原理、新工艺的使用，其在精度、可靠性、稳定性等方面有了很大的提高。目前结构型传感器在工业自动化、过程检测等方面仍占有相当大的比重。（2）第二代：固体型传感器，这种传感器利用半导体、电介质、磁性材料等固体元件的某些特性制成。例如，利用热电效应、霍尔效应、光敏效应分别制成热电偶传感器、霍尔传感器、光敏传感器。这类传感器基于物性变化，结构简单，体积小，运动响应好，且输出为电量；易于集成化、智能化；功耗低、安全可靠；但线性度差、温漂大、过载能力差、性能参数离散大。（3）第三代传感器：智能型传感器，具有一定的人工智能，是微型计算机技术与检测技术相结合的产物。智能传感器带有微处理器，具有采集、处理、交换信息的能力，是传感器集成化与微处理器相结合的产物。智能传感器相比于传统的传感器，可以提高传感器的精度、可靠性及性价比等，促进了传感器的多功能化。2.2.1.4 传感器技术特点和发展趋势

1．传感器新材料的研发

材料研发是传感器技术的重要基础，新型材料是传感器技术升级的重要支撑。在新材料研究方面主要有以下三个研究方向。（1）探索已知材料的新现象、新效应。

在已知的材料中探索新的现象、效应和反应，然后使它们能在传感器技术中得到实际使用。（2）利用已知现象、效应和反应，探索新的传感器材料。

在利用好现有传感器材料的基础上，探索新的传感器材料，探索那些已知的现象、效应和反应在新材料中的效果，从而改进传感器技术。（3）研究新型材料的新现象、新效应和反应。

在研究新型材料的基础上探索新现象、新效应和反应，并在传感器技术中加以具体实施。

2．MEMS技术的使用

MEMS称为微机电系统，是将微电子技术与机械工程融合到一起的一种工业技术。完整的MEMS是由微传感器、微执行器、信号处理和控制电路、通信接口和电源等部件组成的一体化的微型器件系统，尺寸通常在20微米到1毫米之间，因此MEMS不仅能够采集、处理和发送信息或指令，还能够按照所获取的信息自主地或根据外部指令采取行动。

MEMS技术与传感器相结合形成MEMS微型传感器，它是采用微电子和微机械加工技术制造出来的新型传感器，与传统传感器相比，它具有体积小、质量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量化生产、易于集成和实现智能化的特点。同时，由于其尺寸在微米量级，可以使其能完成某些传统机械传感器所不能实现的功能。

目前MEMS的研究主要集中在以下三个方面。（1）基础理论研究。

由于MEMS技术是建立在微米量级尺寸上的技术，虽然宏观世界基本的物理规律仍然起作用，但由于尺寸缩小带来的影响，许多物理显现与宏观事件有很大的区别，因此许多原来的理论基础都会发生一定的变化，如力的尺寸效应、微结构的表面效应等，因此需要对这些基础理论进行深入研究。（2）技术研究。

MEMS是微电子技术与机械工程相互融合的产物，因此需要对其涉及的微机械设计、微机械材料、微细加工、微装配与封装、微测量等基础技术进行研究。（3）MEMS技术应用。

MEMS技术与各个学科领域相互结合可以产生不同的应用，需要深入研究MEMS如何与各领域应用结合，推动MEMS在各领域的广泛使用。

3．传感器集成化

随着物联网及智慧城市应用的发展，单一传感功能的传感器越来越不能满足应用需求，传感器的集成化已成为传感器未来发展的方向。集成化就是使传感器从单一功能、单一检测向多功能多点检测发展，大规模集成电路的发展使得传感器与相应的电路集成到同一芯片，为传感器集成化提供了技术保障。

集成技术的发展主要侧重于以下两个方面。（1）硬件集成研究。

传感器硬件集成功能的研究主要集中在两个方面，一方面是各类传感功能的集成，使传感器具有多功能、多传感参数的感知等复合功能（如汽车用的油量、酒精检测和发送机工作性能的复合传感器）；另外一方面的研究主要是将传感功能、信息处理及执行功能的集成，使传感器具有信息感知、信息处理及传输能力。（2）软硬件集成研究。

传感器软硬件集成是将传感器内的硬件及软件集成在一起实现传感器的各种增强功能，主要使传感器不但有数据采集能力，同时要具有数据融合处理能力。在物联网各类应用中，各种传感器形成底层传感器网络实现数据的采集传输，由于许多数据具有相关性和冗余性，为了节省传输资源，需要传感器能实现数据的前期处理和融合，这就需要考虑传感器的软硬件集成。目前多数据融合是这方面的主要研究内容，即对多个传感器或多源信息进行综合处理、评估，从而得到更为准确、可靠的结论。

4．传感器智能化

随着传感器应用的丰富，人们对传感器的要求也在逐渐增高，已经不再满足传感器简单的信息探测功能，而是希望传感器能将海量信息进行分析优化，过滤掉无用的数据，将最有用的信息传递给决策单元，并可能根据远程命令或自行决策执行相关的动作；同时人们还要求传感器具有更高的安全性、更强的可操作性及更强的恶劣环境适应能力。这些需求促使传感器向智能化方向发展。

智能传感器主要能实现以下功能。（1）信息存储和传输。

智能传感器能通过通信网络实现双向通信，从而通过测试数据传输或接收指令来实现各项功能，如内检参数设置、测试数据输出等。（2）自补偿和计算能力。

传感器一直存在温度漂移和输出非线性等问题，需要做大量的补偿工作，智能传感器的自补偿和计算能力为解决这些问题开辟了新的道路。（3）自检、自校、自诊断功能。

普通传感器需要定期检验以保证其使用的准确度，一般要求首先将传感器拆卸下来送到实验室或检验部门进行检验，而智能传感器可以运行自检程序，进行自我诊断，还可以根据结果进行在线校正。

智能传感器的研究主要考虑软硬件的结合，通过将传感、存储、执行及通信功能集成一起实现，同时研究自补偿、自校正等智能算法。

5．传感器的无线网络化

由于传感器本身集成化及智能化的发展，使传感器实现了信息的采集、数据的简单处理及数据传输，为传感器组成网络奠定了基础。同时在实际应用过程中，需要将大量的传感器部署在远端用于信息采集及数据传递工作，因此需要将这些传感器组成合适的网络，以提高工作效率。

无线传感器网络就是由部署在监测区域内大量的传感器节点通过无线方式组成的一个网络，其目的是协作感知、采集和处理网络覆盖区域中的被感知对象，并发送给观察者。无线传感器网络通过传感器的相互协作实现了对区域范围内的全面、多方位、准确可靠的感知，使系统具有很强的适用性和容错性，同时它扩展了人与现实世界进行远程交互的能力，为各种实际应用奠定了基础。美国《商业周刊》认为无线传感器网络是全球未来四大高技术产业之一，是21世纪世界最具有影响力的21项技术之一。（1）功耗管理。

某些应用要求部署的无线传感器网络生命期必须达到数月或数年，而传感器节点一般由电池供电，能源有限；对于大规模与物理环境紧耦合的无线传感器而言，通过更换电源的方式补充能源的方式不现实。同时还要考虑整个网络的能力均衡问题，避免有些传感节点能力耗尽而使整个网络瘫痪，因此需要对无线传感器的能量消耗进行管理，在传感器节点的设计、网络设计及操作等方面都要考虑功耗管理，使系统在能量消耗、系统性能之间做出均衡，使整个网络的生命周期最大化。（2）安全问题。

无线传感器网络处于真实的物理世界，其所处环境属于不受应用服务提供商的控制的非安全区域，因此传感器网络的安全受到严峻的挑战。无线传感器网络可能遭遇到窃听、消息修改、路由欺骗、暴力破坏、拒绝服务、恶意代码等安全威胁。对于无线传感器网络的安全研究，不但要考虑通信安全，还要考虑到隐私保护问题。目前无线传感器网络安全研究还处于初期，需要根据传感器网络的特点，针对其所受到的安全威胁研究新型、轻量级的安全协议和安全策略。（3）数据融合。

无线传感器网络由于传感器节点较多，感知的信息具有很大的冗余性，如果把这些冗余性数据直接传递给应用平台，会造成很大的网络负担，消耗过多的网络能量。因此目前在无线传感器网络中引入网络内计算，实现传感数据的融合，在保障数据准确性及全面性的同时，降低数据冗余，减少网络通信量，提高网络及带宽使用效率。（4）IP化。

传统无线传感器网络以非IP技术为主，如常使用的ZigBee网络层协议就是非IP协议。目前，将IP技术向下延伸应用到感知层已经成为重要的趋势。国际上正在积极推进无线传感器网络的IP化，以便实现与互联网的同质连接，支持端到端IP业务应用。IETF积极制定IPv6技术在无线传感器网应用的相关技术标准，6LoWPAN、ROLL、COAP等核心标准已经基本制定完成。ZigBee联盟的智能电力Smart Energy 2.0应用已经开始全面支持IP协议。2.2.1.5 传感器的应用

传感器的应用前景广阔，广泛应用于环境监测、智能家居、健康监测、汽车电子等领域，目前许多行业试图利用传感器来实现自动化。随着传感器及相关技术研究的深入，传感器会逐渐深入到人类生产、生活的各个领域。

1．环境监测

随着人们对环境的日益关注，对环境指标的监控需求也越来越强烈，“十二五”规划中明确有环境监测的要求，各地也把环境指标作为一项重要的政绩考核。传感器及传感器网络可以用于监测河流水质、空气质量（如PM2.5）、土壤情况、洪水监测、森林火灾等，替代了传统的人工定期或不定期的现场采样、分析等，提高了工作效率和监测水平，同时还节省了成本。

2．智能家居

传感器能够应用在家居中，通过在家电和家具中嵌入传感器节点，利用无线或有线连接成传感器网络，并通过Internet 与监控终端或手机相连，形成远程监控系统，这样人们就可以通过手机等终端完成对家电的远程遥控。例如，在回家之前半小时将空调打开等。智能家居中传感器的使用为人们提供了更加舒适便捷的智能家居环境，提升了人们的生活品质。

3．健康监测

随着生活节奏的加快和生活压力的增加，越来越多的人处于亚健康状态，人们急切需要了解自身的健康状况；同时由于老龄化的到来，独居老人也越来越多，对于老年人身体健康的监测需求也越来越强烈。传感器及传感器网络在健康护理方面的应用可极大地满足人们的这种需求，通过在人身体上放置传感器，可以及时地采集到人体的各种生命特征，如心率、血压、脉搏等，并通过无线或有线网络传送到应用平台，医生可以根据这些监测信息，给出相应的建议。

4．汽车电子

随着电子技术的发展，汽车的电子化程度不断提高，车用电子控制系统也越来越发达。对汽车各项运行状况的及时了解是实现控制的前提，因此车内被安装了各种传感器以用于监测汽车在运行过程中的各种工作状态信息，如车速、发动机运转状态等；传感器采集这些信息并将其通过车内通信总线及时地反馈给中央控制单元。汽车工业对传感器的要求极为严格，汽车传感器必须具有稳定性和精度高、响应快、可靠性好、抗干扰和抗震能力强、使用寿命长等特点。2.2.2 RFID2.2.2.1 RFID技术概述

RFID（Radio Frequency Identification）技术是一种非接触式自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据。RFID识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境，可识别高速运动物体，并可同时识别多个标签，操作快捷方便。因此，RFID技术已成为全球自动识别技术发展的主要方向。

RFID技术的主要特点是通过电磁耦合方式来传送识别信息，不受空间限制，可快速地进行物体跟踪和数据交换。与同期或早期的接触式识别技术相比，RFID技术主要具有以下优点。

1．读写方便

RFID数据的读取无须光源，且可穿透纸张、木材、塑料等非金属、非透明材质包装。无源远距离读写可达1.5米，采用自带电池的主动标签时，有效识别距离可达30米以上。

2．读写速度快

RFID读写采取非接触方式，标签进入磁场后，阅读器可即时读取其中的信息，通常几毫秒完成一次读写，无方向性要求。其防冲突机制可支持同时处理多个标签，最多识别量可达每秒50个，且能够在运动中进行识别。

3．数据存储量大

目前，在其他自动识别技术种类中，数据容量最大的是二维码PDF417码制，最多能存储2725个数字，若包含字母，则存储量会相应减少。而RFID标签的存储容量为2的96次方以上，可使世界上的每一种物品都拥有唯一标识。

4．数据安全性高

RFID标签数据可加密，扇区可独立一次锁定，并能根据用户锁定重要信息，数据安全性大大提高。

5．物理性能优越

RFID标签可耐高低温，工作温度范围约为－25～759摄氏度，能适应各种工作环境和工作条件，对水、油和药品等物质具有强力抗污性，尤其适合工作于油污、粉尘、辐射、黑暗等恶劣环境。此外，RFID标签可存储永久性数据和非永久性数据，存储器内数据可动态更新、反复使用。

6．防冲突

RFID标签支持快速防冲突机制，能防止卡片之间出现数据干扰，因此阅读器可同时处理多张非接触式射频卡，一次可处理200个以上。2.2.2.2 RFID技术发展及应用

RFID技术起源于第二次世界大战时期的飞机雷达探测技术。雷达应用电磁能量在空间的传播实现对物体的识别。二战期间，英军为了区别盟军与德军飞机，在盟军飞机上装备了一个无线电收发器，当战斗中控制塔上的探询器向空中飞机发射询问信号时，收发器在接收到询问信号后会回传相应信号，探询器即可根据回传信号来识别是否为己方飞机。这一技术至今仍在商业和私人航空控制系统中使用。

雷达的改进和应用催生了RFID技术。1945年，Leon Theremin发明了第一个基于RFID技术的间谍用装置。1948年，Harry Stockman发表的论文“利用反射功率的通信”奠定了射频识别的理论基础。Harry Stockman指出，在能量反射通信中还有许多问题需要解决，在开辟RFID的实际应用领域之前，还要做相当多的研究和开发工作。20世纪50年代是RFID技术研究和应用的探索阶段，远距离信号转发器的发明扩大了敌我识别系统的识别范围。D B Harris提出了信号模式化的理论及被动标签的概念。

20世纪70年代，RFID技术终于走出实验室进入了应用阶段。很快，RFID技术与产品得到了迅速发展，出现了早期的规模化应用。20世纪80年代以来，集成电路、微处理器等技术的发展更加促进了RFID规模化发展，封闭系统应用初步形成。1991年，美国俄克拉荷马州出现了世界上第一个开放式公路自动收费系统。近几年来，随着自动收费、门禁、身份卡片等的应用，RFID技术已经逐渐走入了人们的生活。

RFID技术的发展可按10年期划分为如下几个阶段。● 1941—1950年：雷达的改进与应用催生了RFID技术，1948年奠

定了RFID技术理论基础。● 1951—1960年：早期RFID技术探索阶段，主要处于实验室实验

研究。● 1961—1970年：RFID技术理论得到发展，开始部分应用尝试。● 1971—1980年：RFID技术与产品研发大发展时期，各种RFID技

术测试得到加速，出现了早期RFID应用。● 1981—1990年：RFID技术及产品进入商业应用阶段，各种规模

应用开始出现。● 1991—2000年：RFID技术标准化问题日趋受到重视，RFID产品

得到广泛应用，逐渐成为人们生活中的一部分。● 2001年至今：标准化问题更加为人们所重视，RFID产品种类也

更加丰富，有源、无源、半无源电子标签均得到发展，标签成本

不断降低，行业应用规模不断扩大，RFID技术理论得到不断丰

富与完善，单芯片电子标签、多电子标签识读、无线可读可写、

无源标签远距离识别、适应高速移动物体的RFID技术与产品等

均逐步走向应用。

在我国RFID市场发展中，政府相关应用占据了RFID应用领域中的最大份额。第二代身份证的推出是近年来我国RFID市场规模得以迅速扩大的重要原因之一。此外，政府在城市交通、铁路、网吧、门票、危险物品管理等方面也利用RFID技术实现数据读取的方便性和安全性，进一步促进了RFID市场发展。政府的推动不仅拓展了我国RFID市场，同时也有助于发展相关配套环节，完善产业链，为RFID的进一步发展创造条件。

在跟踪发达国家RFID技术的同时，我国自主创新技术也在不断研究之中，多家企业在读写器和电子标签产品系列化、多样化方面取得显著成果。在标签生产方面，也初步形成了以芯片生产厂家为龙头，天线设计、芯片与天线封装制作等为主体的行业队伍。不过，我国的RFID技术应用在低频和中高频领域较为成熟，在超高频领域则仍有待于开展更深入的研究。2.2.2.3 RFID系统组成及工作原理

RFID技术作为一种自动识别技术，其基本原理是利用射频信号和空间耦合（电感或电磁耦合）或雷达反射的传输特性实现对被识别物体的自动识别。RFID系统因应用不同其组成会有所不同，但通常都由电子标签、读写器和数据交换与管理系统三部分构成，如图2-2所示。

其中，电子标签或称射频卡、应答器等，由耦合元件及芯片组成，其内部包含带加密逻辑、串行电可擦除及可编程式只读存储器（EEPROM）、微处理器CPU以及射频收发及相关电路。电子标签具有智能读写和加密通信的功能，它通过无线电波与读写设备进行数据交换，工作能量由读写器发出的射频脉冲提供。读写器，也称为阅读器、查询器或读出装置，主要由无线收发模块、天线、控制模块及接口电路等组成。读写器可将主机的读写命令传送到电子标签上，再把从主机发往电子标签的数据加密，将电子标签返回的数据解密后送到主机。数据交换与管理系统主要完成数据信息的存储及管理，以及对卡进行读写控制等。图2-2 RFID系统组成

RFID系统的工作原理框图如图2-3所示。图2-3 RFID系统的工作原理框图

读写器通过天线在一定区域内发射电磁波信号，其区域大小取决于工作频率和天线尺寸。当电子标签进入磁场后，如果接收到读写器发出的射频信号，卡内芯片中的相关电路即会对此信号进行调制、解码、解密，然后对命令请求、密码、权限等进行判断。若为读命令，控制逻辑电路则从存储器中读取有关信息，经加密、编码、调制后通过卡内天线再发送给读写器。读写器接收到电子标签的数据后，首先解码并进行错误校验来确定数据的有效性，然后将数据存储到读写器内部的存储器中，或送至中央信息系统进行有关数据处理。若为修改信息的写命令，有关控制逻辑则引起内部电荷泵提升工作电压，以对EEPROM中的内容进行改写。若经判断其对应的密码和权限不符，则返回差错信息。2.2.2.4 RFID标签和识读

依据工作频率、供电形式、工作方式和可读性的不同，RFID标签可分为多种类型。

1．RFID依据工作频率分类

电子标签的工作频率即射频识别系统的工作频率，是标签最重要的特征之一。电子标签的工作频率不仅决定着射频识别系统的工作原理（电感耦合还是电磁耦合）、识别距离，还决定着电子标签及读写器实现的难易程度和设备成本。工作在不同频段或频点上的电子标签具有不同的特点。射频识别应用占据的频段或频点在国际上有公认的划分，即位于ISM波段。典型的工作频率有125kHz、133kHz、13.56MHz、27.12MHz、433MHz、902～928MHz、2.45GHz、5.8GHz等。（1）低频段电子标签。

低频段电子标签，简称为低频标签，其工作频率范围为30～300kHz。典型工作频率有125kHz、133kHz。低频标签一般为无源式电子标签，其工作能量通过电感耦合方式从读写器耦合线圈的辐射近场中获得。低频标签与读写器之间传送数据时，低频标签需要位于读写器天线辐射的近场区内。低频标签的阅读距离一般情况下小于1 m。

低频标签的典型应用有动物识别、容器识别、工具识别、电子闭锁防盗（带有内置应答器的汽车钥匙）等。与低频标签相关的国际标准有ISO 11784/11785（用于动物识别）、ISO 18000—2（125～135kHz）等。低频标签有多种外观形式，如应用于动物识别的低频标签外观有项圈式、耳牌式、注射式、药丸式等。

低频标签的主要优势体现在标签芯片一般采用普通的CMOS工艺，具有省电、廉价的特点，工作频率不受无线电频率管制约束，可以穿透水、有机组织、木材等，非常适合近距离、低速度、数据量要求较少的识别应用。低频标签的劣势主要体现在标签存储数据量较少，只适用于低速、近距离的识别应用。（2）高频段电子标签。

高频段电子标签的工作频率一般为3～30MHz，典型工作频率为13.56MHz。从射频识别应用角度看，该频段标签的工作原理与低频标签完全相同，即采用电感耦合方式工作，因此可将其归为低频标签一类。但根据无线电频率的一般划分，其工作频段又称为高频，所以也常常将其称为高频标签。

高频电子标签一般也采用无源方式，其工作能量同低频标签一样，通过电感（磁）耦合方式从读写器耦合线圈的辐射近场中获得。标签与读写器进行数据交换时，标签必须位于读写器天线辐射的近场区内。高频标签的阅读距离一般情况下也小于1 m（最大读取距离为1.5 m）。

高频标签可方便地做成卡状，典型应用主要包括电子车票、电子身份证、电子闭锁防盗（电子遥控门锁控制器）等。相关的国际标准有ISO 14443、ISO 15693、ISO 18000—3（13.56MHz）等。

高频标签的基本特点与低频标签相似，但由于其工作频率有所提高，因而可以具有较高的数据传输速率。（3）超高频与微波标签。

超高频与微波频段电子标签的典型工作频率为433.92MHz、862（902）～928MHz、2.45GHz、5.8GHz等。该类电子标签可分为有源式电子标签与无源式电子标签两类。工作时，电子标签位于读写器天线辐射场的远区场内，标签与读写器之间的耦合方式为电磁耦合方式。读写器天线辐射场为无源式电子标签提供射频能量，或将有源式电子标签唤醒。相应的射频识别系统阅读距离一般大于1 m，典型情况为4～7 m，最大可达10 m以上。读写器天线一般均为定向天线，只有在读写器天线定向波束范围内的电子标签才可被读写。

由于读写距离的增加，应用中可能出现在读写区域内同时存在多个电子标签的情况，因此提出了多标签同时读取的需求。目前，先进的射频识别系统均将多标签识读问题作为系统的一个重要特征。目前，无源超高频电子标签比较成功的产品相对集中在902～928MHz工作频段上。而2.45GHz和5.8GHz射频识别系统多以半有源微波电子标签产品生产。半有源式电子标签一般采用纽扣电池供电，具有较远的读写距离。

超高频与微波电子标签的典型特点主要集中在是否无源、无线读写距离、是否支持多标签读写、是否适合高速识别应用、读写器的发射功率容限、电子标签及读写器的价格等方面。对于可无线写入电子标签而言，通常情况下写入距离要小于识读距离，其原因在于写入要求更大的能量。

超高频与微波电子标签的数据存储容量一般限定在2Kbit以内，典型的数据容量指标有1Kbit、128bit、64bit等，更大的存储容量并无过多意义。从技术及应用的角度来看，超高频与微波电子标签并不适合作为大量数据的载体，其功能主要在于标识物品并完成无接触的识别过程。超高频与微波电子标签的典型应用包括移动车辆识别、电子身份证、仓储物流应用、电子闭锁防盗（电子遥控门锁控制器）等。相关的国际标准有ISO 10374，ISO 18000—4（2.45GHz）、ISO 18000—5（5.8GHz）、ISO 18000—6（860～930MHz）、ISO 18000—7（433.92MHz），ANSI NCITS 256—1999等。

2．RFID依据供电形式分类

RFID标签需要供电才能工作，它的电能消耗非常低，一般是1/100mW级别。按照标签获取电能方式的不同，RFID标签通常可分为无源式电子标签、有源式电子标签和半有源式电子标签。（1）无源式电子标签。

无源式电子标签的内部不带电池，需靠外界提供能量才能正常工作。无源式电子标签典型产生电能的装置是天线和线圈，当标签进入系统工作区域时，天线接收到特定电磁波，线圈即会产生感应电流，再经整流向电容充电，电容电压经过稳压后可作为工作电压。

无源式电子标签具有永久使用期，支持长时间的数据传输和永久性的数据存储，通常用于标签信息需要频繁读写的场景。无源式电子标签由于主要依靠外部电磁感应供电，因此电能较弱，数据传输的距离和信号强度均受到限制，需要敏感性较高的信号接收器才能可靠识读。但相对来说，无源式电子标签的成本低，体积小，易用性强，是电子标签应用的主流产品。（2）有源式电子标签。

有源式电子标签通过标签自带的内部电池进行供电，它的电能充足，工作可靠性高，信号传送距离远。有源式电子标签可通过设计电池的不同寿命来对标签的使用时间或使用次数进行限制，可应用于需限制数据传输量或使用数据受限的场景。有源式标签相对价格高，体积大，标签的使用寿命受限，并且随着标签内电池电力的消耗，数据传输的距离会越来越短，从而影响系统的正常工作。（3）半有源式电子标签。

半有源式电子标签内的电池仅对标签内要求供电维持数据的电路供电，或为标签芯片工作所需的电压提供辅助支持，为自身耗电很少的标签电路供电。标签未进入工作状态前，一直处于休眠状态，相当于无源式电子标签。标签内部电池能量消耗很少，可维持几年，甚至长达10年有效。当标签进入读写器的读取区域，受到读写器发出射频信号的激励而进入工作状态时，标签与读写器之间信息交换的能量支持以读写器供应的射频能量为主（反射调制方式），标签内部电池的作用主要在于弥补标签所处位置的射频场强不足，其能量并不转换为射频能量。

3．RFID依据工作方式分类

根据标签的工作方式，可将RFID标签分为主动式电子标签、被动式电子标签和半主动式电子标签。（1）主动式电子标签。

一般情况下，主动式RFID系统为有源系统，即主动式电子标签用自身的射频能量主动发送数据给读写器，在有障碍物的情况下，能量只需穿透障碍物一次。由于主动式电子标签自带电池供电，电能充足，因此工作可靠性高，信号传输距离远。主要缺点是标签的使用寿命受到限制，随着标签内部电池能量的耗尽，数据传输距离会越来越短，从而影响系统的正常工作。（2）被动式电子标签。

被动式电子标签需要利用读写器的载波来调制自身的信号，标签产生电能的装置是天线和线圈。标签进入RFID系统工作区后，天线接收特定的电磁波，线圈产生感应电流供给标签工作，在有障碍物的情况下，读写器的能量需要来回穿过障碍物两次。（3）半主动式电子标签。

在半主动式RFID系统里，电子标签本身带有电池，但是标签并不通过自身能量主动发送数据给读写器，电池只负责对标签内部电路供电。标签需要被读写器的能量激活，然后再通过反向散射调制方式传送自身数据。

4．RFID依据可读性分类

根据内部使用存储器类型的不同，可以将RFID标签分成只读标签（RO）和可读可写标签（RW）。（1）只读标签（RO）。

只读标签内部置有只读存储器（ROM）和随机存储器（RAM）。其中，ROM用于存储发射器操作系统说明和安全性要求较高的数据，它与内部处理器或逻辑处理单元完成内部操作控制功能，如响应延迟时间控制、数据流控制、电源开关控制等。同时，ROM中还存有标签的标识信息。这些信息可以在标签制造过程中由制造商写入，也可以在标签开始使用时由使用者根据特定应用目的写入特殊编码信息。但这些信息只能是一次写入，多次读出。只读标签中的RAM用于存储标签反应和数据传输过程中临时产生的数据。此外，只读标签中通常还置有缓冲存储器，用于暂时存储调制后等待天线发送的信息。只读标签一般容量较小，多用作标识标签，即将数字、字母或字符串等编码存储于标签中，作为检索管理系统中标识对象详细信息的键值。（2）可读可写标签（RW）。

可读可写标签内部除置有ROM、RAM和缓冲存储器外，还包含非活动可编程记忆存储器。该存储器通常为EEPROM，它除了具备数据存储功能外，还具有在适当条件下允许对原有数据进行多次擦除及重新写入的功能。

可读可写标签一般存储容量较大，标签中除可存储标识编码外，还可存储标识对象的其他相关信息，如生产信息、防伪校验码等。在实际应用中，由于标识对象的所有信息均存储于标签中，因此通常无须再连接到系统数据库进行信息读取。此外，可读可写标签还可在数据读取过程中，根据应用目的的不同控制数据的读出，实现在不同情况下读出不同数据部分的功能。2.2.3 视频图像感知2.2.3.1 视频图像感知的基本原理

俗话说“百闻不如一见”，视频图像信息具有直观、生动、信息内容丰富等特点，是人类最重要的信息载体，今后也必将成为物联网中最重要的信息之一。通常情况下，我们通过数字有线电视网络或者互联网络看到的视频图像，都是数字图像，这种数字图像的产生经过了量化、压缩、存储/传输、解压缩等步骤，视频图像感知的基本原理如图2-4所示。图2-4 视频图像感知的基本原理

外部光源照射物体或者物体自身产生的光线，通过摄像设备的镜头进入摄像设备，摄像设备的光线感应元器件首先实现了对图像的采集。采集后的图像实现了模拟信号的数字化，但是数字化的图像仍然需要经过量化处理，量化后的图像信息数据才能够进行进一步的处理。通常情况下，量化后的图像信息数据将会被压缩，压缩会降低图像的数据量，减少存储或信息传输的开销，但同时也会损失部分图像的原始信息。在某些对图像有高质量要求的应用场合，量化后的图像信息将会在进行适当封装后直接存储或传输。被存储或者经通信网络直接传输过来的图像数据，在经过解压缩的过程后，即可在播放设备上实现播放。2.2.3.2 视频图像的采集

视频图像的采集由光线感应元器件来完成。光线感应元器件事实上就是一种传感器，它所传感的对象就是图像信息。通常我们看到最多的是由普通可见光形成的图像，这里图像是通过可见光感应器件产生的，包括CCD型传感器和CMOS型传感器。CCD型传感器和CMOS型传感器不仅在成像原理上不同，在应用上也各有千秋。CCD型传感器是由为数众多的微小光电二极管及译码寻址电路构成的固态电子感光成像部件，CCD的主要优势是在相同工艺水平下，成像质量要好于CMOS。CMOS型传感器主要是利用硅和锗这两种元素所做成的半导体，使其在CMOS上共存着带N（带－电）和P（带＋电）极的半导体，这两个互补效应所产生的电流即可被处理芯片记录和解读成影像。一般的CMOS型传感器结构简单、造价低于CCD，同时还具有电量消耗低的优点。两种传感器在视频图像采集领域都大量应用。

与视频图像成像质量最直接相关的是CCD/CMOS型传感器的尺寸，尺寸越大感光面积越大，成像效果越好。相比而言，数字图像的像素数量对成像质量的影响要小一些，但是更高的像素数量会让图像看上去更细腻一些。

除了我们通常见到的可见光视频图像外，还有一类图像称为红外热成像图像。红外热成像技术原理是基于自然界中一切温度高于热力学零度（－273℃）的物体，每时每刻都辐射出红外线，同时这种红外线辐射都载有物体的特征信息，这就为利用红外技术判别各种被测目标的温度高低和热分布场提供了客观的基础，利用这一特性，通过红外探测器将物体发热部位辐射的功率信号转换成电信号后，成像装置就可以一一对应地模拟出物体表面温度的空间分布，得到与物体表面热分布相对应的热像图，即红外热图像。

红外热成像图像的采集主要通过红外焦平面阵列探测器来实现。焦平面探测器的焦平面上排列着感光元件阵列，从无限远处发射的红外线经过光学系统成像在系统焦平面的这些感光元件上，探测器将接收到光信号转换为电信号并进行积分放大、采样保持，通过输出缓冲和多路传输系统，最终送达监视系统形成图像。红外热成像技术由于成像器件价格昂贵，普及程度远远不如可见光成像技术。但是红外热成像技术相比于可见光成像技术更完全，在军事、消防、设备检修、测温、恶劣天气监控等领域应用中具有不可替代的优势。2.2.3.3 视频图像的量化

视频图像的量化是指将经过图像传感器件采样到的各像素灰度值，由模拟量转换成离散量的过程。量化后的图像数据，需要采用一种数据格式来表达。对于彩色视频图像，通常采用RGB或YUV的格式表达图像。任何彩色图像都可以R（红色），G（绿色），B（蓝色）三种基色混合叠加形成。对于量化的彩色图像，每一个像素点都可以采用R，G，B的分量表示。例如，最常见的RGB24格式，就是采用24个比特位描述一个像素，其中R，G，B分量各占8个比特。

除了RGB格式外，彩色图像还可以采用YUV的色彩格式来描述。YUV格式的产生有其历史原因，它通过定义亮度信号Y和两个色差分量U和V，很好地解决了彩色成像与黑白成像的兼容问题。YUV格式和RGB格式是可以互换的。

常用的YUV格式包括YUV4:2:2、YUV4:2:0等，后面的数字代表图像的每个像素量化后，三个分量占用的比特位数量。例如，YUV4:2:2，就是Y分量占用4个比特位，而U和V分量各占用2个比特位；YUV4:2:0格式是H.264视频压缩标准所支持的图像格式。2.2.3.4 视频图像的压缩和解压缩

视频图像的压缩和解压缩算法非常多，包括MPEG、MPEG2、H.263、H.264等，但是现在占据主流位置的压缩算法是H.264压缩/解压缩算法。特别是通过互联网传播的图像，绝大部分都采用了H.264压缩算法。

H.264是ITU-T的VCEG（视频编码专家组）和ISO/IEC的MPEG（活动图像编码专家组）联合视频组（Joint Video Team，JVT）开发的一个新的数字视频编码标准，它既是ITU-T的H.264，又是ISO/IEC的MPEG-4的第10 部分。1998年1月开始草案征集；1999年9月，完成第一个草案；2001年5月制定了其测试模式TML-8；2002年6月的 JVT第5次会议通过了H.264的FCD版本；2003年3月正式发布。在2005年又开发出了H.264的更高级应用标准MVC和SVC版本。

H.264的编解码流程主要包括5个部分：帧间和帧内预测（Estimation）、变换（Transform）和反变换、量化（Quantization）和反量化、环路滤波（Loop Filter）、熵编码（Entropy Coding）。H.264的算法原理如图2-5所示。图2-5 H.264的算法原理图

H.264并没有明确定义编解码器，而是规定了编码后的视频比特流的句法和该比特流的解码方法。与以前的标准一样，H.264采用了基于块的混合编码方法。一方面，将图像分割成若干宏块，对每一个宏块，利用帧内或帧间预测去除空间或时间冗余信息，然后对预测残差进行4×4的整数变换编码，去除数据间的相关性。变换后的系数经量化、重排序后，最后进行熵编码输出二进制比特流，最大限度地消除符号间的冗余度。另一方面，量化后的系数经过反量化、反DCT变换，与编码时形成的预测帧相加得到重建帧，经过去块效应滤波器后得到解码后的图像，将其存储起来作为编码宏块的参考图像。2.2.3.5 视频图像的智能分析

虽然视频图像中蕴含了非常丰富的信息量，但是当我们面对海量视频信息时，仅仅依靠我们的双眼去识别和抓取这些信息，是完全不可行的，特别是在安防监控等视频图像应用领域。实验结果表明，在盯着视频画面仅仅22分钟之后，人眼就对视频画面里95％以上的活动信息视而不见；而且现实中如果同时监视着多个屏幕，发现异常事件更是一件困难的事情。

为了解决传统视频图像应用中的困难，智能视频分析是利用计算机视觉和模式识别等技术，通过对监控视频的实时分析来对动态场景中的目标进行定位、识别和跟踪，并且分析和判断目标的行为，从而能在异常情况发生时及时做出反应。智能视频分析的目标是代替人来观看和理解监控视频，实时发现某些异常情况（如入侵、被盗、非法停车等）并以多种方式产生报警，或者分析视频内容从而输出有价值的统计信息（如交通流量等）。与传统的视频监控应用相比，智能视频分析的主要优势如下所述。

1.24×7全天候可靠监控

智能视频分析系统彻底改变了以往完全由安全工作人员对监控画面进行监视和分析的模式，它通过嵌入在前端设备（网络摄像机或视频服务器）中的智能视频模块对所监控的画面进行分析，并采用智能算法与用户定义的安全模型进行对比，一旦发现安全威胁立刻向监控中心报警。

2．提高报警精确度

智能视频分析系统能够有效提高报警精确度，大大降低误报和漏报现象的发生。智能视频分析系统的前端设备（网络摄像机和视频服务器）集成了强大的图像处理能力，并运行高级智能算法，使用户可以更加精确地定义安全威胁的特征。

例如，用户可以定义一道虚拟警戒线，并规定只有跨越该警戒线（进入或走出）时才产生报警，从警戒线旁边经过则不产生报警。用户定义只有穿越房门的活动才产生报警，而经过房门的活动则不产生报警。

3．提高响应速度

智能视频系统拥有比普通网络视频监控系统更加强大的智能特性，它能够识别可疑活动（如有人在公共场所遗留了可疑物体，或者有人在敏感区域停留的时间过长），因此在安全威胁发生之前就能够提示安全人员关注相关监控画面，使安全部门有足够的时间为潜在的威胁做好准备工作。

4．有效扩展视频资源的用途

无论是传统的视频监控系统还是网络视频监控系统，其所监控到的视频画面都只能应用在安全监视领域，而在智能视频分析系统中，这些视频资源还可以有更多的用途。例如，商场大堂的监视录像可以用来加强对VIP顾客以及普通客户的服务，智能视频系统可以自动识别VIP用户的特征，并通知客服人员及时做好服务工作。

智能化、数字化、网络化是视频监控发展的必然趋势，智能视频分析的出现正是这一趋势的直接体现。智能视频分析设备比普通的网络视频监控设备具备更加强大的图像处理能力和智能因素，因此可以为用户提供更多高级的视频分析功能，它可以极大地提高视频监控系统的能力，并使视频资源能够发挥更大的作用。智能视频分析利用计算机视觉和模式识别等方法，从监控图像序列中检测、识别、跟踪运动目标，并对目标的行为进行理解与描述。其中，运动目标检测、运动目标跟踪、运动目标分类属于视觉中的低级和中级处理部分，而行为理解和描述则属于视觉中的高级处理部分。

5．运动目标检测原理

运动目标检测是指从序列图像中将变化区域从背景图像中提取出来。运动目标的正确检测与分割对于目标分类、跟踪和行为理解等后期处理是非常重要的，因此成为视频监控系统研究中的一项重要课题。由于天气和光照的变化、背景运动物体的干扰、运动目标的影子等影响，使得运动目标检测成为一项相当困难的工作。目前几种常用的方法有时间差分法、背景减除法（Background Subtraction Techniques）、光流法、能量运动法等，但是光流法和能量运动法计算复杂度非常高，实际应用中很少使用。

6．运动目标跟踪原理

运动目标跟踪是计算机视觉领域中重要的研究内容，是后续行为理解等工作的基础。运动目标跟踪在工业过程控制、自动导航等领域有着广泛的应用。不同的领域对运动目标跟踪的要求是不同的，在视频监控中能够容忍一定的误差。运动目标跟踪等价于在连续的图像帧之间创建基于位置、速度、形状、纹理、色彩等有关特征的对应匹配问题，目的是在连续的图像帧之间建立目标的对应关系。国内外学者已经对此问题做了大量的研究，提出了很多有效的算法。根据不同的分类标准，有很多不同的分类方法。根据目标检测和目标跟踪时间关系可分为三类：一是先检测后跟踪，先检测每帧图像上的目标，然后将前后两帧图像上的目标进行匹配，从而达到跟踪的目的。二是先跟踪后检测，先对下一帧图像中目标所在的位置进行预测，然后根据检测结果进行矫正。三是边检测边跟踪，检测要利用跟踪提供的对象区域，跟踪要利用检测提供的运动目标。根据跟踪空间可以分为二维和三维。根据跟踪目标的个数可分为单目标跟踪和多目标跟踪。根据摄像机是否运动还可分为摄像机固定的目标跟踪和摄像机运动的目标跟踪。

分类方法还有很多，但总体上讲，通常分为以下两种：一种是通过运动估计来跟踪目标的；另一种是基于匹配对应关系。基于匹配对应关系的跟踪通常又可分为基于模型的跟踪、基于区域的跟踪、基于活动轮廓的跟踪、基于特征的跟踪。

基于运动估计进行运动目标跟踪是一种常用的技术，主要有光流估计法、卡尔曼滤波算法、蒙特卡罗算法（粒子滤波器）等。传统的光流法计算复杂，很难实现实时。粒子滤波技术通过非参数化的蒙特卡罗模拟方法来实现递推贝叶斯滤波，跟踪性能较好。但是该方法需要进行很多假设，而且随着目标个数的增加，将会产生组合爆炸，很难应用于实时多目标跟踪系统。

基于模型的跟踪方法通常有如下三种：线图模型、二维轮廓模型、立体模型。基于区域的方法目前已有较多的应用，按照一定的特征把目标分为若干小区域，通过跟踪各个小区域来完成对整个目标的跟踪。基于活动轮廓的跟踪思想是利用封闭的曲线轮廓来表达运动目标，并且该轮廓能够自动连续的更新。基于特征的跟踪包括特征的提取和特征的匹配两个过程，比较经典的是基于质心的外接矩形框法等。视频图像的智能分析已经应用在多个领域，包括与安全相关和非安全相关的领域。

7．安全类相关的应用

安全类相关的应用是目前市场上存在的主要智能视频应用，特别是在“9·11”恐怖袭击、马德里爆炸案以及伦敦爆炸案发生之后，市场上对于此类应用的需求不断增长。这些应用主要作用是协助政府或其他机构的安全部门提高室外大地域公共环境的安全防护。此类应用主要包括：● 高级视频移动侦测（Advanced VMD）——在复杂的天气环境中（如雨雪、大雾、大风等）精确地侦测和识别单个物体或多个物

体的运动情况，包括运动方向、运动特征等。● 物体追踪（Motion Tracking）——侦测到移动物体之后，根据物

体的运动情况，自动发送PTZ控制指令，使摄像机能够自动跟踪

物体，在物体超出该摄像机监控范围之后，自动通知物体所在区

域的摄像机继续进行追踪。● 人物面部识别（Facial Detection）——自动识别人物的脸部特

征，并通过与数据库档案进行比较来识别或验证人物的身份。此

类应用又可以细分为“合作型”和“非合作型”两大类。● 车辆识别——识别车辆的形状、颜色、车牌号码等特征，并反

馈给监控者。此类应用可以用在被盗车辆追踪等场景中。● 非法滞留——当一个物体（如箱子、包裹、车辆、人物等）在

敏感区域停留的时间过长，或超过了预定义的时间长度就产生报

警。典型应用场景包括机场、火车站、地铁站等。

8．非安全相关类应用

除了安全相关类应用之外，智能视频还可以应用到一些非安全相关类的应用当中。这些应用主要面向零售、服务等行业，可以被看作管理和服务的辅助工具，用于提高服务水平和营业额。此类应用主要包括：● 人数统计——统计穿越入口或指定区域的人或物体的数量。例

如，为业主计算某天光顾其店铺的顾客数量。● 人群控制——识别人群的整体运动特征，包括速度、方向等，

用于避免形成拥塞，或者及时发现异常情况。典型的应用场景包

括超级市场、火车站等人员聚集的地方。● 人物面部识别——识别人物的面部特征，并通过这些信息来判

定人物的身份。● 注意力控制——统计人们在某物体前面停留的时间。可以用来

评估新产品或新促销策略的吸引力，也可以用来计算为顾客提供

服务所用的时间。● 交通流量控制——用于在高速公路或环线公路上监视交通情

况。例如，统计通过的车数、平均车速、是否有非法停靠、是否

有故障车辆等。2.3 物联网通信技术2.3.1 概述

现有通信体系按照覆盖范围大小，通常被划分为个域网、局域网、广域网（含城域网）。

个域网主要覆盖几十米范围，比如蓝牙、ZigBee等；局域网覆盖范围在百米量级，如Wi-Fi，具有非常高的数据吞吐量，产业成熟且应用普及，物联网应用中适合较大范围的大数据量传输，当前正向更低功耗方向发展，以更好地支持各种轻量级的物联网应用。个域网和局域网因覆盖范围较小，一般认为是短距离通信。特别是，采用无线方式连接的短距离无线通信在物联网体系架构中是连接各类感知层设备（如传感器、执行器等）与汇聚网络、实现灵活的数据采集、控制、管理等功能的主要手段，是物联网不可或缺的核心关键技术，对整个物联网的技术、产业和应用发展具有非常重要的影响。

广域网（含城域网）可覆盖整个地区、国家，甚至全球，如移动蜂窝通信网、光纤网、IP网等，由于采用无线接入技术，终端具有移动性、网络具有广覆盖的特性，通过对现有网络的增强，在支持物联网应用方面具有独特的优势，特别是一些无人值守区域的应用，以及广覆盖区域移动性管理需求的应用方面得到了广泛的应用。

综上所述，短距离无线通信、广域网通信是当前物联网的主流通信技术，下面将对这两种技术进行重点介绍。2.3.2 短距离无线通信技术2.3.2.1 概述

短距离无线通信是指用于近距离范围内无线设备之间数据传输的无线通信技术。在物联网体系架构中，短距离无线通信是连接各类感知层设备（如传感器、执行器等）与汇聚网络、实现灵活的数据采集、控制、管理等功能的主要手段，是物联网不可或缺的核心关键技术，对整个物联网的技术、产业和应用发展具有非常重要的影响。在物联网发展的推动下，短距离无线通信技术已成为当前ICT技术中发展非常活跃的一部分，技术快速发展，功耗、速率、覆盖、组网、业务能力、安全性等方面的性能不断快速提升。与此同时，短距离无线通信的产业不断壮大，市场高速增长，应用日益普及。

在现有无线通信体系划分中，并没有明确的短距离无线通信类别。实际上，按照覆盖范围大小，无线通信通常被划分为无线个域网（WPAN）、无线局域网（WLAN）、无线城域网（WMAN）和无线广域网（WWAN）。其中，无线个域网主要覆盖几十米范围，如蓝牙、ZigBee等；无线局域网覆盖范围可达数百米，如Wi-Fi/IEEE 802.11；无线城域网覆盖范围在数公里至数十公里，如IEEE 802.16等；无线广域网可覆盖整个地区、国家，甚至全球，如移动通信、卫星通信等。相对于无线城域网和无线广域网，无线个域网和无线局域网的覆盖范围较小，一般被认为是短距离无线通信。

无线个域网技术分支较多，主要包括低速无线个域网、中速无线个域网和高速无线个域网三类。IEEE 802.15.4是目前低速无线个域网的主流技术标准，基于IEEE 802.15.4标准的ZigBee技术已得到广泛应用；蓝牙是中速无线个域网的主流技术，在消费电子设备中应用非常普及，目前也在物联网领域积极拓展；高速无线个域网主要包括超宽带（UWB）、WirelessHD（IEEE 802.15.3c）等技术，但高速无线个域网技术发展较慢，市场影响力较小。总体来看，IEEE 802.15.4和蓝牙是目前最主要的无线个域网技术，应用普及、产业影响力大，而且技术上非常适合无线传感器网络等轻量级物联网应用。

无线局域网产业成熟，应用普及，是另一大类非常有影响力的短距离无线通信技术。当前，无线局域网以IEEE 802.11系列标准为技术基础。尽管IEEE 802.11包含二、三十项技术标准，但不同标准之间保持了很好的兼容性，可看作是一个整体。无线局域网具有非常高的数据吞吐量，覆盖范围大于无线个域网，在物联网应用中，无线局域网适合较大范围的大数据量传输。当前，无线局域网也正在向更低功耗方向发展，以更好地支持各种轻量级的物联网应用。

综上所述，低速无线个域网（IEEE 802.15.4）、蓝牙和无线局域网（IEEE 802.11）是当前短距离无线通信的主流技术，下面将对这三种技术进行重点介绍。2.3.2.2 低速无线个域网2.3.2.2.1 低速无线个域网概述

低速无线个域网（Low-Rate WPAN，LR-WPAN）是指面向低速数据采集、控制等低速率应用的无线个域网技术，当前的主流标准是 IEEE 802.15.4系列标准，最具代表性的技术为基于IEEE 802.15.4的ZigBee技术。

LR-WFAN在传输速率、覆盖范围、功耗、工作频率、组网、用户数等方面具有如下特点。● 传输速率：通常在1 Mbps以下。● 覆盖范围：覆盖半径一般在几十米，但也在向更大覆盖范围发展。● 功耗：超低功耗，可长期使用电池供电工作。● 工作频率：主要使用免许可频段，如2.4GHz频段（全球通用）、

868MHz频段（欧洲）、915MHz频段（美国）等。● 组网：支持星形、树形、网状等灵活的组网方式。● 用户数：支持大规模用户接入。

LR-WPAN技术主要面向低速率低功耗的无线传感器网络相关应用。随着物联网技术和产业的快速发展，LR-WPAN技术迎来发展的高潮，产业规模快速增长，应用日益普及，成为当前物联网感知延伸层的主要通信技术之一。在技术上，当前基于IEEE 802.15.4标准已形成ZigBee、WirelessHART、ISA100.11a等多种LR-WPAN技术方案，并针对各种行业应用需求不断发展完善。在应用上，LR-WPAN技术已在智能电网、智慧城市、电子健康、环境监测、工业自动化等方面得到了广泛应用。在产业上，在物联网业务需求的推动下，其市场规模快速攀升。根据ZigBee联盟公布的数据，预计2015年IEEE 802.15.4芯片出货量将达到6.45亿只，而2009年的出货量仅为1000万只。2010年IEEE 802.15.4/ZigBee模块产值为4.29亿美元，预计在2016年将提升至17亿美元。2.3.2.2.2 低速无线个域网物理及MAC层

1．IEEE 802.15.4标准体系

IEEE 802.15.4是IEEE 802.15工作组制定的低速无线个域网系列标准。IEEE 802.15.4具有低成本、低功耗、灵活组网、易于安装等特点，主要面向无线传感器网络（WSN）相关应用。IEEE 802.15.4是当前无线传感器网络领域的主流标准，也是ZigBee、WirelessHART、ISA100.11a、WIA-PA等技术的基础标准。随着物联网产业的兴起，IEEE 802.15.4被认为是物联网感知层中最重要的短距离通信技术，并已发展成为IEEE 802.15工作组中最受关注、最有前景的研究领域。

2003年，IEEE 802.15工作组完成了IEEE 802.15.4第1版标准（IEEE 802.15.4—2003），之后，又对该版本进行了修改完善，并于2006年发布了第2版标准IEEE 802.15.4—2006（也称为IEEE 802.15.4b），目前该标准是当前IEEE 802.15.4系列标准的基础。2007年，IEEE 802.15工作组完成了增强标准IEEE 802.15.4a，在原有基础之上增加了超宽带（Ultra Wideband，UWB）和线性调频扩频（Chirp Spread Spectrum，CSS）两个新物理层。2009年，IEEE 802.15.4又增加了对中国频道（779～787MHz）和日本频段（950～956MHz）的支持，并发布了相应的补充标准IEEE 802.15.4c和IEEE 802.15.4d。2012年，IEEE 802.15工作组完成IEEE 802.15.4e（MAC层增强）、IEEE 802.15.4f（Active RFID，有源RFID）和IEEE 802.15.4g（面向智能电网的物理层增强）三项标准。当前，IEEE 802.15还正在制定IEEE 802.15.4j（美国频段的电子健康标准）、IEEE 802.15.4k（基础设施控制与端点节能）、IEEE 802.15.4m（支持电视白空间频段）、IEEE 802.15.4n（中国频段的电子健康）、IEEE 802.15.4p（主动火车控制标准）和IEEE 802.15.4q（超低功耗）六项新标准。

在IEEE 802.15.4系列标准体系中，IEEE 802.15.4—2006和IEEE 802.15.4g是IEEE 802.15.4的核心标准，对产业发展有重要影响，参见表2-1。表2-1 IEEE 802.15.4标准体系

2．IEEE 802.15.4—2006

IEEE 802.15.4—2006规定了IEEE 802.15.4系列标准物理层和MAC层的基础部分，是整个IEEE 802.15.4系列标准的基础核心。目前，ZigBee、WirelessHART、ISA100.11a等商用技术的底层均采用了该标准。1）物理层

IEEE 802.15.4—2006标准主要有三个工作频段，均为免许可频段，包括全球通用的2400～2483.5MHz频段（简称2.45GHz频段）、欧洲868～868.6MHz频段（简称868MHz频段）和美国902～928MHz频段（简称915MHz频段）。针对上述频段，IEEE 802.15.4—2006共定义了2.45GHz O-QPSK、868/915MHz O-QPSK、868/915MHz BPSK和868/915MHz ASK四种物理层技术，其中前两种为必选方案，后两种为可选方案。（1）2.45GHz O-QPSK物理层。

基本原理：将每4个输入比特作为一组形成一个符号，对每个符号进行扩频，形成1个32位扩频序列，对扩频序列进行O-QPSK（Offset Quadrature Phase-Shift Keying，偏移四相相移键控）调制，形成调制信号。这里，O-QPSK是指将QPSK信号的Q路比I路延迟1/2个码片周期发送，可以有效降低带外辐射。2.45GHz O-QPSK物理层的传输速率为250 Kbps。（2）868/915MHz O-QPSK物理层。

基本原理：868/915MHz O-QPSK与2.45GHz O-QPSK原理非常相似，在使用扩频序列时使用16位的扩频序列，而2.45GHz O-QPSK物理层频段使用32位的扩频序列。868MHz和915MHz频段传输速率分别为100 Kbps和250 Kbps。（3）868/915MHz BPSK物理层。

基本原理：首先对输入比特进行差分编码，然后将每个差分编码后的比特扩频（映射为1个15位扩频序列），再对扩频序列进行BPSK调制，形成调制信号。868MHz和915MHz频段传输速率不同，分别为20 Kbps和40 Kbps。（4）868/915MHz ASK物理层。

基本原理：868/915MHz O-QPSK物理层传输速率也是250 Kbps，但与其他物理层相比，其技术较为复杂，物理层帧头/负载、同步头、帧启示符发送方式不同，如下所述。● 物理层帧头/负载：先将输入比特转换为符号，在868MHz频段每

20个比特组成1个符号，在915MHz频段每5个比特组成1个符

号；对每个符号进行并行序列扩频（PSSS）操作，即将每个符

号中的每一个比特映射为1个扩频序列，然后将所有比特对应的

扩频序列叠加；对叠加信号进行ASK调制，形成调制信号。这里，

每一个扩频序列由1个31位的基序列加上1个循环扩展比特组

成；在868MHz频段，后一个比特采用的基序列是前一个比特采

用的基序列经过1.5个码片循环后产生的；在915MHz频段，后一

个比特采用的基序列是前一个比特采用的基序列经过6个码片循

环后产生的。● 同步头：使用第一个比特对应的扩频序列，868MHz频段需要进

行2倍重复，915MHz频段需要进行6倍重复，然后进行BPSK调

制，形成调制信号。● 帧启示符：将第一个比特对应的扩频序列反序，然后进行BPSK

调制，形成调制信号。

总的来说，IEEE 802.15.4主要面向低成本和低功耗应用，其物理层设计比较简洁，并且采用扩频技术以提升接收机灵敏度和抗干扰能力。2）MAC层（1）工作方式。

IEEE 802.15.4采用载波侦听/冲突避免（CSMA/CA）作为信道接入机制，具体包括以下两种工作方式。● 信标模式：IEEE 802.15.4协调器（Coordinator）需要发出信标（Beacon）帧，其他设备在信标帧的指示下进行信道接入。信标

模式能够实现比较丰富、服务质量较高的传输和组网功能，是

IEEE 802.15.4的主要工作模式。● 无信标模式：IEEE 802.15.4协调器不发信标帧，设备使用无时

隙的CSMA/CA机制完成信道接入和发送数据，实现简单、灵活

的无线接入。

在信标模式下，相邻两个信标帧之间被看作是一个超帧。协调器可以在超帧中定义一段时间的非激活期，协调器可以在此期间进入低功耗状态。在激活期，协调器可定义一部分时间为竞争期，期间IEEE 802.15.4设备采用时隙CSMA/CA机制进行数据传输；协调器也可以定义一部分非竞争期，期间提供一定数量的保证时隙（Guaranteed Time Slot，GTS），设备在GTS期间不需要竞争，从而实现更加可靠的通信。

IEEE 802.15.4设备可分为全功能设备（FFD）和简化功能设备（RFD），以适应各种不同的应用需求。FFD有网络协调器、协调器和终端设备三种操作模式。网络协调器也称PAN协调器，是IEEE 802.15.4网络的中心控制节点，能协调整个网络的工作。协调器是指能够转发数据的网络节点。终端设备也就是RFD，只能完成与自己直接相关的通信，无法转发其他节点的数据。每个设备都有1个唯一的64位MAC地址，协调器也可以为设备分配更短的临时地址，以降低通信时的开销。（2）数据传输方式。

为了实现低功耗，IEEE 802.15.4把数据传输分为以下三种方式。● 直接数据传输：适用于IEEE 802.15.4网络中所有形式的数据传

输。采用非时隙CSMA/CA还是时隙CSMA/CA的数据传输方式，

要视使用模式是Beacon-enabled模式还是Nonbeacon-enabled模

式而定。● 间接数据传输：仅适用于从协调器到设备的数据传输。在这种方

式中，数据帧由协调器保存在事务处理队列中，等待相应的设备

来提取。通过检查来自协调器的Beacon帧，设备就能发现在事

务处理队列中是否挂有一个属于它的数据分组。在确定有属于自

己的数据时，设备使用非时隙CSMA/CA或时隙CSMA/CA来进行

数据传输。● 有保证时隙数据传输：适用于设备与其协调器之间的数据传输。

在GTS传输中不需要CSMA/CA。

IEEE 802.15.4支持星形和对等（Peer-to-Peer，P2P）两种网络拓扑。星形网是无线通信中最常见的网络拓扑结构，所有设备都需要通过中心节点与其他设备或外部网络连接。在P2P网络中，也有一个PAN协调器，但P2P网络的PAN协调器主要用于协调整个网络的工作，设备可以与其他任何一个相邻的设备直接进行通信，不必经过PAN协调器转发。（3）安全机制。

IEEE 802.15.4提供了如下主要安全机制来保障通信安全。图2-6 IEEE 802.15.4网络拓扑结构● 数据加密：采用基于128位AES算法的对称密钥方法保护数据。● 数据完整性：使用消息完整码MIC防止对信息进行非法修改。● 数据源认证：使用消息认证标签，确保消息源的合法性和传递中

不被篡改。● 序列抗重播保护：使用BSN（信标序列号）或者DSN（数据序列

号）来拒绝重放数据攻击。

IEEE 802.15.4提供了四个大的安全等级，以适应不同的应用需求。● 第一级：无安全性。● 第二级：完整性保护＋数据源认证。● 第三级：数据加密。● 第四级：完整性保护＋数据加密＋数据源认证。

其中，第二级和第四级又细分了三个安全等级，以满足更加多样化的安全需求。

3．IEEE 802.15.4g

IEEE 802.15.4g标准于2008年12月立项，2012年4月正式发布，其主要制定面向智能电网应用的物理层增强技术标准。为了使IEEE 802.15.4g能够成为全球通用的标准，IEEE 802.15.4g支持不同国家/地区的10余个工作频段。● 全球通用：2400～2483.5MHz。● 中国：470～510MHz、779～787MHz。● 欧洲：169.400～169.475MHz、863～870MHz。● 美国：450～470MHz、896～901MHz、901～902MHz、902～

928MHz、928～960MHz、1427～1518MHz。● 加拿大：1427～1518MHz。● 日本：920～928MHz、950～958MHz。● 韩国：917～923.5MHz。

IEEE 802.15.4g一共有三种物理层技术，分别采用频移键控（FSK）、正交频分复用（OFDM）和O-QPSK作为主要传输技术。由于IEEE 802.15.4g物理层能够支持多种传输速率，并针对各国频谱特点进行了优化，因此在IEEE 802.15.4g标准中将FSK、OFDM和O-QPSK分别命名为MR-FSK、MR-OFDM和MR-O-QPSK。这里，MR是多速率多区域（Multi-Rate and Multi-Regional）的英文缩写。（1）MR-FSK物理层。

MR-FSK是IEEE 802.15.4g的物理层技术之一。MR-FSK实质上是经过滤波后的频移键控（Filtered FSK）技术，针对各国频段有不同参数配置。MR-FSK物理层支持2FSK和4FSK两种FSK调制方式和多种调制指数（BT值），以支持不同的频段和不同的速率。在920MHz和950MHz频段，必须采用调制指数为0.5的高斯滤波频移键控（GFSK）技术。

MR-FSK有多种操作模式，每种操作模式实际上是一组参数指标组合，包括每个工作频段对应的传输速率、调制方式、调制指数、信道间隔等参数。每个工作频段都支持1～2种必选操作模式，以及2种可选操作模式。根据参数配置的不同，MR-FSK可支持2.4～400Kbps的传输速率。

在MR-FSK物理层中，纠错编码是可选功能。如果使用纠错编码，可采用1/2码速率、限制长度均为4的递归系统卷积码（RSC）或非迭代非系统卷积码（NRNSC），其八进制生成多项式均为（17，13）。（2）MR-OFDM物理层。

MR-OFDM实际上是针对各国频段有不同参数配置的OFDM技术，共支持470～510MHz、779～787MHz、863～870MHz、902～928MHz、917～923.5MHz、920～928MHz、950～958MHz和2400～2483.5MHz八个工作频段。MR-OFDM子载波间隔31250/3 Hz，OFDM符号速率为8.333 Kbps，符号周期为120μs，每个OFDM符号循环前缀和有效数据部分的长度分别为24μs和96μs，DFT点数为128，64，32和16，信号带宽可从1.2MHz到200kHz以下。

MR-OFDM物理层采用BPSK、QPSK和16-QAM三种调制方式，其中BPSK可进行2倍和4倍的频域扩展，QPSK符号可进行2倍的频域扩展，16-QAM是可选调制方式。MR-OFDM采用非系统卷积码作为纠错编码，该卷积码的基础编码速率为1/2，限制长度为7，其八进制生成多项式为（133，171），通过打孔处理可生成3/4编码速率。MR-OFDM物理层支持50～800 Kbps的传输速率。（3）MR-O-QPSK物理层。

MR-O-QPSK采用纠错编码、交织、比特差分编码、扩频、码片白化、O-QPSK等关键技术完成IEEE 802.15.4g物理层传输。采用MR-O-QPSK的IEEE 802.15.4g设备支持采用780MHz、915MHz和2450MHz O-QPSK物理层的已有IEEE 802.15.4设备。

MR-O-QPSK采用的纠错编码为1/2码速率的卷积码，限制长度为7，八进制生成多项式为（133，171）。MR-O-QPSK有直接序列扩频（DSSS）和复用直接序列扩频（MDSSS）两种扩频模式，其中DSSS适用于所有MR-O-QPSK工作频段，包括470～510MHz、779～787MHz、868～870MHz、902～928MHz、917～923.5MHz、920～928MHz、950～958MHz和2400～2483.5MHz频段，传输速率6.25～500Kbps。MDSSS只适用于779～787MHz、902～928MHz、917～923.5MHz和2400～2483.5MHz频段，传输速率62.5～500Kbps。

DSSS可以每一个比特为单位进行扩频，扩频序列长度可为2，4，8，16，32，64和128。对于扩频序列长度为8，16，32，64和128时，可以4个比特为一组映射1个扩频序列。在MDSSS中，输入比特需要先经过Turbo乘积编码（TPC），然后再进行扩频和复用操作，形成输出序列。这里，TPC的水平编码采用哈达玛（Hadamard）编码，垂直编码采用单奇偶校验码（SPC）。经过DSSS处理后的输出比特还需要进行码片白化操作，以改进发射信号的频谱特性，提升扩频增益。MDSSS不需要进行码片白化操作。2.3.2.2.3 6LoWPAN

LoWPAN（Low Power Wireless Personal Area Networks，低功耗无线个域网）由符合IEEE 802.15.4标准的、低速率、低功耗、低成本设备组成的低功耗无线个域网，通常这些设备的计算能力、存储容量或可用电量都很低，如无线传感器设备。而6LoWPAN（IPv6 over LoWPAN）是用于低功耗无线个域网的IPv6技术，它是IEEE 802.15.4与IPv6之间的适配协议，能够使轻量级IEEE 802.15.4协议更有效地支持IPv6协议。

1．LoWPAN网络的特点

LoWPAN是由符合IEEE 802.15.4标准的设备组成的网络，其具有以下特点：● 传输报文小；● 支持IEEE 16比特短MAC地址和64比特扩展MAC地址；● 传输带宽窄；● 网络拓扑结构为网状或星形；● 设备功耗低；● 设备成本低；● 设备数量大；● 设备位置不确定或不易到达；● 设备可靠性差；● 设备可能长时间处于睡眠状态。

2．感知延伸层IP技术的选择1）IP技术特点满足感知层通信需求

从技术层面来看，在物联网感知延伸层采用IP技术路线能够更好地实现与网络层的无缝对接，满足应用层业务的承载需求。IP技术的下述特点能够适应物联网感知层的通信需求。（1）IP协议是由IETF标准化的开放协议，使用它不需要交纳额外的授权费用。（2）IP协议具有轻量级的协议栈。IP曾经被认为是重量级的，但是最近许多小型的轻量级IP协议栈已经成功开发，如uIP、Arv6、NSv6、uIPv6、IwIP等，能够满足感知延伸层低功耗、低存储容量、低运算能力智能终端的特殊需求。（3）IP协议可扩展性强。例如，IPv6协议能够支持巨大的地址空间，而且采用分层的地址结构能够支持较大的网络规模。（4）IP协议可管理性强。IP网络具有一套完全成熟并被广泛认可的管理协议和机制。（5）IP协议设计的健壮性、灵活性以及协议分层的理念架构，使其能够支持几乎所有的应用类型，包括远程设备控制等低数据传输速率的应用，IP电话等延迟敏感的应用，以及文件下载等大量数据传输的应用等。（6）IP协议与底层数据链路层协议无关。IP技术采用了分层架构，使其能够工作在任何物理层面上，从有线到Wi-Fi再到低功耗无线电等。（7）IP网络无所不在，几乎所有的网络都提供有线或者是无线方式的IP接入。2）网络层IPv6使用802.15.4MAC层承载需要解决的关键问题

要实现“一物一地址，万物皆在线”，将需要大量的IP地址资源，就目前可用的IPv4地址资源量来看，远远无法满足感知智能终端的联网需求。从目前可用的技术来看，只有IPv6能够提供足够的地址资源，满足端到端的通信和管理需求，同时提供地址自动配置功能和移动性管理机制，便于端节点的部署和提供永久在线业务。但是由于IEEE 802.15.4网络节点低功耗、低存储容量、低运算能力的特性，以及受限于MAC层技术特性，不能直接将IPv6标准协议直接架构在IEEE 802.15.4MAC层之上，需要在IPv6协议层和MAC层之间引入适配层来屏蔽两者之间的差异。基于IEEE 802.15.4MAC层传送IPv6报文，需要解决以下一些关键问题。（1）IPv6地址的生成和管理：即IEEE 802.15.4设备如何获取IPv6链路本地地址、全球单播地址并保证唯一性。由于IEEE 802.15.4提供两种地址格式：64位地址和16位地址，需要相应的地址转换机制来实现IPv6地址和IEEE 802.15.4地址的转换。（2）最大传输单元MTU：IPv6规定最小的MTU是1280字节，而lEEE 802.15.4留给网络层以上的负载最大只有102字节，因此必须在MAC层和IPv6层之间设置中间层，完成二者适配。（3）轻量化IPv6协议：应针对IEEE 802.15.4的特性确定保留或者改进哪些IPv6协议栈功能，满足嵌入式IPv6对功能、体积、功耗和成本等的严格要求。（4）报头压缩：IPv6基本报头共40字节，固定报头占据了IPv6包很大的空间，而且如果存在扩展报头、传输层报头和安全机制等，效率更加低下，导致发送更多数据包，占用更多带宽，增加了功耗，大大影响电池的寿命。（5）路由机制：IPv6网络使用的路由协议主要是基于距离矢量的路由协议和基于链路状态的路由协议。这两类协议都需要周期性地交换信息来维护网络正确的路由表或网络拓扑结构图。而在资源受限的泛在网感知延伸层网络中采用传统的IPv6路由协议，由于节点从休眠到激活状态的切换会造成拓扑变化比较频繁，导致控制信息将占用大量的无线信道资源，增加了节点的能耗，从而降低网络的生存周期。因此需要对IPv6路由机制进行优化改进，使其能够在能量、存储和带宽等资源受限条件下，尽可能地延长网络的生存周期。（6）组播支持：IEEE 802.15.4的MAC子层只支持单播和广播，不支持组播。而IPv6组播是IPv6的一个重要特性，在邻居发现和地址自动配置等机制中，都需要链路层支持组播。所以，需要制定从IPv6层组播地址到MAC地址的映射机制，即在MAC层用单播或者广播替代组播。（7）安全机制：在IEEE 802.15.4的应用中，大多数都需要安全保证，一个可靠的安全机制是设备大规模商用的关键之一。目前IEEE 802.15.4安全（在链路层提供AES安全机制）没有密钥分配、管理等机制，急需上层提供合适的安全机制。（8）网络管理：由于网络规模大，且一些设备的分布地点又是人员所不能达到的，因此IEEE 802.15.4网络应该具有自愈能力，要求网络管理技术能够在很低的开销下管理高度密集分布的设备。

3.6LoWPAN协议集

在6LoWPAN网络中，MAC层和物理层协议主要是IEEE 802.15.4协议，网络层采用IPv6协议。然而，由于IEEE 802.15.4定义的物理层数据帧长为127字节，再除去最大帧头，MAC层最大帧长为102字节。如果考虑链路层安全，采用AES-CCM-128加密传输，则只剩下81字节可用。这显然远远小于IPv6定义1280字节包长，所以需要一个分片/重组能力。此外，再除去40字节的IPv6报头，提供给上层协议的就只剩下41字节，再加上上层协议自己的报文头以及分片/重组的开销，用于传输数据的字段就很少，传输效率很低。因此，在网络层和MAC层之间增加了一个6LoWPAN适配层，主要用于完成IPv6协议对IEEE 802.15.4网络的适配，提供报头压缩、报文分片/重组等功能，各种功能的报头采用堆栈的方式封装在IPv6载荷外层。6LoWPAN网络协议栈如图2-7所示。

4.6LoWPAN适配层（1）帧结构。

LoWPAN封装的格式是IEEE 802.15.4 MAC层协议数据单元中的载荷。LoWPAN的载荷，比如一个IPv6报文，紧随在封装报头之后。LoWPAN封装报头以堆栈的形式出现，堆栈中的每个报头由报头类型和报头域组成。在LoWPAN封装报头堆栈中，各种报头按照一定顺序排列，网状（L2）寻址、逐跳选项（包括二层广/组播）、分片以及最后的载荷。图2-8列举了一些典型的报头堆栈。图2-7 6LoWPAN网络协议栈图2-8 6LoWPAN报头堆栈示例

当在一个报文中出现多个LoWPAN报头时，采用堆栈的顺序是网状寻址报头、广播报头、分片报头。在LoWPAN报头的定义中，除了网状寻址和分片，其他都是由消息值、对应的报头域组成的。（2）分片。

如果一个IPv6报文能够完整放在一个IEEE 802.15.4帧内，则不需要进行分片，LoWPAN封装也就不包含分片报头，如果一个报文超出了一个IEEE 802.15.4帧载荷的长度，就需要进行链路分片。除了最后一个片段，其余所有的分片报文长度都是8字节的整数倍。

如果在分片重组时收到重叠分片，而且大小、偏移量参数不同，那么已经在重组缓存中的分片将会被丢弃，而由最新收到的这个链路分片进行重组。（3）地址自动分配。

在IEEE 802.15.4中允许使用16比特短地址和64比特扩展地址。16比特短地址由PAN内的设备自动分配，在连接的生命周期内保持唯一性和有效性。64比特扩展地址则不受此限制，可在配置、邻居发现和路由时使用。每个IEEE 802.15.4设备都有一个EUI-64地址。如果IEEE 802.15.4接口标识是基于EUI-64分配给IEEE 802.15.4设备，那么这些接口标识就是由EUI-64地址生成的。

对于16比特短地址，需要加上48比特“伪地址”，生成64比特的扩展地址。首先由16比特短地址生成为48-比特地址，如果不知道PAN标识，则采用全0填充，然后由48比特地址生成64比特接口标识。由于此地址不是全球唯一地址，所以接口标识中的“U/L”位需要置0。图2-9 16比特短地址生成64比特接口标识（4）地址映射。

IEEE 802.15.4接口的IPv6链路本地地址根据接口标识生成，地址前缀为FE80：：/64。单播IPv6地址映射到IEEE 802.15.4链路层地址的地址解析过程，遵照IPv6邻居发现协议。其中，源/目的链路层地址选项采用以下两种格式，分别如图2-10和图2-11所示。具体各字段说明如下所述。图2-10 64比特扩展地址图2-11 16比特短地址● Type：等于1表示源链路层地址，等于2表示目的链路层地址。● Length：表示选项字段的长度，以64比特为一个单位。等于2表

示使用EUI-64地址，等于1表示使用16比特短地址。● IEEE 802.15.4地址：使用64比特扩展地址或16比特短地址。

目前，IETF RFC 4944定义的组播地址映射只在网状拓扑的LoWPAN网络内使用。一个IPv6组播地址由16个字节组成，由首至尾将此16字节标记为DST[1]到DST[16]，与此IPv6组播地址对应的IEEE 802.15.4 16比特组播地址的映射关系如图2-12所示。其中，DST[15]*对应的是DST[15]字节的最后5 比特。图2-12 组播地址映射关系

6LoWPAN网络内的组播支持还处于研究阶段，采用的机制将根据路由机制的不同而各异。（5）帧传送。

在网状路由情况下，需要全功能设备通过网状路由协议通告路由表，实现非直连节点间的通信。此时，发送节点称为起始端，接收节点称为终点端，起始端设备需要通过其他中间设备进行转发才能将单播帧送达终点端。此时单播帧内需要包含起始和终点端的链路层地址以及逐跳的源地址和目的地址。

节点采用网状传送需要在LoWPAN封装中包含一个网状寻址报头，此报头的源地址为起始端链路层地址，目的地址为终点端链路层地址。而在IEEE 802.15.4的帧头中，本地的链路层地址作为源地址，下一跳的链路层地址作为目的地址。当一个节点收到的数据帧中包含网状寻址报头时，需要查看其中的终点端地址是否为可达地址。如果为本机地址则接收；如果不是本机地址且“剩余跳数”字段不为0，则根据自己的链路层路由表选择下一跳地址，改写IEEE 802.15.4帧头中的源地址和目的地址，并修改剩余跳数；其余情况则丢弃此帧。（6）报头压缩。

报头压缩的主要原理是通过压缩编码省略掉报头中冗余的信息。不包含扩展头的IPv6报头一共有40字节，但是在网络感知层，IPv6报头中的很多信息可以省略或者压缩，IPv6报头中的各个信息域的压缩方法如下所述。● 版本号Version（4位）：取值为6，在运行IPv6协议的网络中，此

项可以省略。● 流类型Traffic Class（8位）：可以通过压缩编码压缩。● 流标识Flow Label（20位）：可以通过压缩编码压缩。● 载荷长度Payload Length（16位）：可以省略，因为IP头长度可

以通过MAC头中的载荷长度字段计算出来。● 下一个头Next Header（8位）：可以通过压缩编码压缩，假设下

一个头是UDP、ICMP、TCP或者扩展头的一种。● 跳极限Hop Limit（8位）：唯一不能进行压缩的信息。● 源地址Source Address（128位）：可以进行压缩，省略掉前缀或

者IID。● 目标地址Destination Address（128位）：可以进行压缩，省略掉

前缀或者IID。

为了对IPv6报头进行无状态压缩，6LoWPAN工作组制定了两种压缩算法LOWPAN_HC1和LOWPAN_IPHC，其中HC1算法用于使用本地链路地址（Link-Local Address）的网络，节点的IPv6地址前缀固定（FE80：：/10），IID可以由MAC层的地址计算而来，但是这种算法不能有效压缩全局的可路由地址和广播地址，因此不能用于LoWPAN网络与互联网互访的应用。LOWPAN_IPHC算法的提出主要是为了有效压缩可路由的地址，目前LOWPAN_IPHC算法正在IETF 6LoWPAN工作组进行最后的修订状态。

LOWPAN_HC1算法和LOWPAN_IPHC算法在MAC报头之后定义了8位的一个选择报头，此选择报头的取值决定了压缩报头的具体格式和算法，详细信息参见表2-2。例如，如果前8位的取值是01000001，那么表示接下来是LOWPAN_HC1算法对应的压缩报头，如果前3位的取值是011，那么表示接下来的是LOWPAN_IPHC算法对应的压缩报头。表2-2 压缩算法的报头类型

在选择报头后紧跟的是压缩编码，压缩编码由一些指示位组成，指示位的不同取值表明了IPv6报头压缩的不同方法。

5．轻量级TCP/IP协议

由于LoWPAN网络节点具有低速率、低功耗、低存储容量和低运算能力的特性，所以采用标准的TCP/IP协议栈是无法满足节点组网需求的。标准的TCP/IP协议栈的实现具有上万行的代码量，开销大，物联网节点无法支持，因此需要对TCP/IP协议进行简化。简化后的TCP/IP协议也称为轻量级TCP/IP协议，其主要目的是减少存储器利用量和代码量，使IP适用于小的、资源有限的处理器。IETF已于2011年1月成立LwIP工作组，致力于建立一个精简的TCP/IP协议栈标准。

LwIP是由瑞典计算机科学院网络嵌入式系统小组的Adam Dunkels等开发的一套用于嵌入式系统的开放源代码TCP/IP协议栈。LwIP的含义是Light Weight（轻型）IP协议，相对于uIP（micro-IP，微型IP协议）。LwIP可以移植到操作系统上，也可以在无操作系统的情况下独立运行。LwIP中TCP/IP实现的重点是在保持TCP协议主要功能的基础上减少对RAM的占用，一般它只需要几十千字节的RAM和40KB左右的ROM就可以运行，这使LwIP协议栈适合在低端嵌入式系统中使用。LwIP的特性如下：支持多网络接口下的IP转发，支持ICMP协议，包括实验性扩展的UDP（用户数据报协议），包括阻塞控制、RTT估算以及快速恢复和快速转发的TCP（传输控制协议），提供专门的内部回调接口用于提高应用程序性能，并提供了可选择的Berkeley接口API。

目前，TinyOS和Contiki是被广泛使用的面向无线传感器网络的操作系统平台。TinyOS是一个开源的嵌入式操作系统，由加州大学伯克利分校开发，主要应用于无线传感器网络方面。它是基于一种组件的架构方式，提供一系列可重构的组件，包括网络协议、分布式服务器、传感器驱动及数据识别工具。一个应用程序可以通过连接配置文件将各种组件连接起来，以完成它所需要的功能。TinyOS操作系统、库和服务程序是用nesC编写的，nesC是一种开发组件式结构程序的语言，其语法风格类似于C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。TinyOS的程序采用的是模块化设计，所以它的程序核心往往很小（一般来说核心代码和数据大概在400字节左右），能够突破传感器存储资源少的限制。TinyOS的应用程序都是基于事件驱动模式的，采用事件触发去唤醒传感器工作。TinyOS在构建无线传感器网络时，它会有一个基地控制台，主要是用来控制各个传感器节点，并聚集和处理它们所采集到的信息。

Contiki是一个开源的、高度可移植的多任务操作系统，适用于无线传感器网络，由瑞典计算机科学学院（Swedish Institute of Computer Science）的Adam Dunkels和他的团队开发。Contiki支持IPv4/IPv6通信，提供了uIPv6协议栈、IPv4协议栈（uIP），支持TCP/UDP，还提供了线程、定时器、文件系统等功能。Contiki是采用C语言开发的非常小型的嵌入式操作系统，针对小内存微控制器设计，典型的Contiki配置只需要2KB的RAM和40KB的ROM。Contiki具有以下特点。（1）低功率无线电通信。

Contiki同时提供完整的IP网络和低功率无线电通信机制。对于无线传感器网络内部通信，Contiki使用低功率无线电网络栈Rime。Rime实现了许多传感器网络协议，从可靠数据采集、最大努力网络洪泛到多跳批量数据传输、数据传播。（2）网络交互。

可以通过多种方式完成与使用Contiki的传感器网络的交互，如Web浏览器，基于文本的命令行接口，或者存储和显示传感器数据的专用软件等。基于文本的命令行接口是受到UNIX命令行Shell的启发，并且为传感器网络的交互与感知提供了一些特殊的命令。（3）能量效率。

为了延长传感器网络的生命周期，控制和减少传感器节点的功耗很重要。Contiki提供了一种基于软件的能量分析机制，记录每个传感器节点的能量消耗。由于基于软件，这种机制不需要额外的硬件就能完成网络级别的能量分析。Contiki的能量分析机制既可用于评价传感器网络协议，也可用于估算传感器网络的生命周期。（4）节点存储。

Contiki提供的CFS（Coffee File System）是基于Flash的文件系统，可以在节点上存储数据。（5）编程模型。

Contiki是采用C语言开发的，包含一个事件驱动内核。应用程序可以在运行时被动态加载和卸载。在事件驱动内核之上，Contiki提供一种名为Protothread的轻量级线程模型来实现线性的、类线程的编程风格。Contiki中的进程正是使用这种Protothread。此外，Contiki还支持进程中的多线程、进程间的消息通信。Contiki提供三种内存管理方式：常规的malloc、内存块分配和托管内存分配器。

6．6LoWPAN网络节点地址配置（1）地址解析。

IPv6节点通过组播NS和NA报文将IPv6地址解析成链路层地址。NS报文用来请求目标路由器返回它的链路层地址。源路由器在NS报文中包含了它的链路层地址，并将NS报文组播到目的地址相关的请求节点组播地址，目标路由器在单播的NA报文中返回它的链路层地址。

频繁地使用NS和NA报文进行地址解析会造成大量的广播流量。为了避免这种情况，ND协议不再使用NS和NA报文来进行地址解析，而是通过6LoWPAN中的无状态地址自动配置功能，直接将IPv6地址映射为MAC地址。

LoWPAN网络中的地址解析过程：IPv6地址由64位网络前缀和64位接口标识符组合而成，其中接口标识符由MAC地址生成，网络前缀从RA报文得到。IEEE 802.15.4为MAC层分配64位长地址和16位短地址两种地址格式，其中64位长地址符合EUI-64标准，可以根据以太网EUI-64地址生成接口标识符的方法，反转“Universal/Local（U/L）”位，生成IPv6接口标识符，对于16位短地址，需要生成48位伪地址。

再将获得的伪48位地址映射为EUI-64地址。

将IPv6地址映射为MAC地址的过程与无状态地址自动配置过程相反：首先从128位的IPv6地址中获得64位的接口标识符，然后根据（U/L）位的反转得到64位地址。如果所得的64位地址前16位均为0，表示这个地址是由伪地址生成，取其最后16位得到MAC层的短地址；其余的情况下，所得的64位就是MAC层地址。（2）重复地址检测（DAD）。

重复地址检测功能主要是通过邻居发现帮助节点确定它想使用的IPv6地址在本地链路上是否已经被占用。同样根据LoWPAN网络中的无状态地址自动配置机制，IPv6地址是根据MAC地址自动配置得出的，而6LoWPAN中所有节点的MAC地址具有唯一性，因此可以保证得出的IPv6地址的唯一性。这样DAD功能就不再需要了。

7．6LoWPAN邻居发现协议

邻居发现协议是IPv6协议的一个基本组成部分，它实现的主要功能包括：路由器发现、前缀发现、参数发现、地址自动配置、地址解析、邻居不可达检测、重复地址检测、重定向等。邻居发现的各种功能是通过邻居发现报文实现的，邻居发现协议由5条ICMPv6报文组成：一对路由器请求/路由器通告报文（RS/RA）、一对邻居请求/邻居通告报文（NS/NA）以及一条ICMP重定向报文。（1）邻居发现协议的优化。

在6LoWPAN网络中，考虑到LoWPAN网络自身的特性以及IPv6 ND协议的基本要求，标准的ND协议不能直接用于6LoWPAN，需要对现有的ND标准协议进行适当的精简和修改，使之成为一个适合6LoWPAN的邻居发现协议。IPv6邻居发现机制主要的优化工作包括：

①在主机初始化交互过程中考虑休眠主机；

②取消主机基于组播的地址解析；

③取消重定向；

④使用单播的NS和NA消息完成主机地址注册；

⑤定义新的邻居发现选项用于6LoWPAN头压缩信息给各主机；

⑥定义可选的用于携带前缀和6LoWPAN头压缩信息的多跳分发机制；

⑦定义可选的多跳地址冲突检测。

6LoWPAN网络定义了3个新的ICMPv6消息选项：必需的地址注册选项、可选的权威边界路由器选项以及可选的6LoWPAN上下文选项。

由此，对IPv6邻居发现协议进行了优化和扩展，具体体现在以下几个方面。

①由主机发起路由器通告信息的更新。这改变了路由器向主机周期的主动发送路由器通告。

②如果是有EUI-64标识生成的IPv6地址，则不需要地址冲突检测。

③如果使用DHCPv6分配地址，则DAD为可选。

④引入新的地址注册机制，在主机到路由器之间使用新的地址注册选项。从而路由器不再需要使用组播NS去寻找主机，也支持了休眠主机。这也使得同样的IPv6地址前缀可以跨越网络层路由的6LoWPAN网络使用。它提供了主机到路由器接口用于地址冲突检测。

⑤新的可选的路由器通告选项用于在6LoWPAN头压缩时携带上下文关联信息。

⑥新的可选的机制完成网络层路由的6LoWPAN网络内地址冲突检测，通过使用地址注册选项。

⑦新的可选机制来完成在网络层路由网络中分发前缀和上下文关系信息。此网络使用新的权威边界路由器选项来控制配置变化产生的洪泛。

⑧一些新的协议参数和已有的邻居发现协议参数用于6LoWPAN网络。（2）新的邻居发现选项。

在6LoWPAN网络邻居发现协议中新定义了包括地址注册选项、6LoWPAN上下文选项、权威边界路由器选项以及地址冲突消息等选项。

①地址注册选项。

路由器需要知道那些直接可达的主机IP地址以及对应的链路层地址，这些状态将随着无线链路可达性的变化而更新维护，因此引入了地址注册选项（Address Register Option，ARO）。ARO包含在主机发送的单播NS消息中，可用于进行邻居不可达检测（NUD），而收到ARO的路由器也可以用于维护自己的邻居缓存表。同样的选项也会包含在对应的邻居通告（NA）消息中，用于指示注册是否成功。这个选项通常是由主机发起的。

ARO也在6LR与6LBR之间的多跳地址冲突检测（DAD）中使用，这种情况下消息的长度会变化，将在NS消息中包含一个或多个ARO选项。ARO选项为保证可靠性和节约电量提供了可能，其中包含的生命周期字段为主机注册地址提供了灵活性，使得主机可以在生命周期时间内进行休眠。

地址注册选项格式如图2-13所示，具体各字段的说明如下所述。图2-13 地址注册选项格式● Type：类型，33。● Length：长度，8比特长，以8字节为一个单位，不携带注册地址

时为2，携带注册地址时为4。● Status：状态，8比特长，在NA回复中标识注册的状态，在初始

的NS消息中必须置0。● Reserved：保留字段，目前未使用，发送端必须全部置0。● Registration Lifetime：注册生命周期，16比特长，以60秒为一个

单位，在其所表示的时间内，路由器将在邻居缓存表中保留此

NS消息的发送者。● EUI-64：EUI-64标识，用于唯一标识注册地址的接口。● Registered Address（Optional）：注册地址（可选），128比特长，

不应该包含在主机发送的消息中，只有在路由器代表主机去进行

注册时使用，所携带的地址是最初主机发送包含ARO选项的NS

消息报文的IPv6源地址。

②6LoWPAN上下文选项。

可选的6LoWPAN上下文选项（6CO）为LoWPAN头压缩携带了前缀信息，这与IPv6邻居发现协议中定义的前缀信息选项（PIO）相类似，但此前缀对LoWPAN网络来说可以是远端的也可以是本地的，因为头压缩可能为所有的IPv6地址应用。上下文可能是一个任意长度的网络前缀或者一个128位地址。在一个RA消息中最多可以携带16个6CO。

6LoWPAN上下文选项格式如图2-14所示，具体各字段的说明如下所述。图2-14 6lowpan上下文选项格式● Type：类型，34。● Length：长度，8比特长，以8字节为一个单位，根据上下文前缀

字段的长度可能是2也可能是3。● Context Length：上下文长度，8比特长，从上下文前缀字段的第

一个比特位算起，有效比特位数量，当长度超过64时，长度则

设定为3。● C：压缩标识位，1比特，用于标识此上下文是否可用于压缩。● CID：上下文标识，4比特，用于在头压缩情况下标识前缀信息

顺序。● Reserved：保留字段，目前未使用，发送端必须全部置0。● Valid Lifetime：有效生命周期，16 比特，以60秒为一个单位，

标识在头压缩和解压缩时，前后关系在多长时间内是有效的，全

0表示必须立即清空上下文内容。● Context Prefix：上下文前缀，标识对应CID域的IPv6前缀或地址，

此域的有效长度包含在上下文长度域中，为保证是8字节的整数

倍，其他比特位全0填充。

③权威边界路由器选项。

权威边界路由器选项（ABRO）主要在RA消息通过路由层面分发前缀和前后关系信息时使用。此时，6LR从其他6LR接收前缀信息选项。这意味着6LR不能仅仅让附近的收到RA，为了能够可靠地从6LoWPAN网络中增减前缀，我们需要从权威的6LBR处获取信息。6LBR设定版本号，并像发布前缀和上下文信息一样，6LBR通过ABRO发布版本号。当有多个6LBR时，则需要划分版本号空间，因此，此选项需要携带6LBR地址。

当路由器通告用来在路由器之间发布信息时，ABRO选项必须包含在所有的RA消息中。

权威边界路由器选项格式如图2-15所示，具体各字段说明如下所述。图2-15 权威边界路由器选项格式● Type：类型，35。● Length：长度，8比特长，以8字节为一个单位，通常设置为3。● Version Low，Version High：共同构成版本号，32比特长，版本

号对应RA消息包含的一组信息，产生前缀的权威6LBR在每次前

缀和前后关系信息变化时，就增加版本号。● Valid Lifetime：有效生命周期，16 比特，以60秒为一个单位，

标识边界路由器信息在多长时间内是有效的（以数据包接收时间

开始），全0则设定为默认值10000。● 6LBR Address：6LBR地址，生成版本号的6LBR的IPv6地址。

④地址冲突消息。

本标准定义了地址冲突请求（DAR）和地址冲突确认（DAC）两个新的ICMPv6消息类型，用于在6LR和6LBR之间进行多跳地址冲突检测。DAR和DAC消息使用相同的格式，通过不同的ICMPv6类型值区分，状态域只有在DAC消息中有意义。

地址冲突消息的IP域定义如下。● IPv6源：发送路由器的一个非本地链路地址。● IPv6目的：发送路由器的一个非本地链路地址，在DAC消息的目

的是通过DAR消息的源获取。● 跳数：用于多跳传送时跳数限制，在接收端必须忽略。

地址冲突消息的ICMP域如图2-16所示，具体各字段说明如下所述。● Type：类型，157表示DAR，158表示DAC。图2-16 地址冲突消息格式（ICMP域）● Code：代码，在传送时设定为0，接收端必须忽略。● CheckSum：校验码，ICMP校验。● Status：状态，8比特的无符号整数，在DAC中标示注册状态，

在DAR中必须设定为0。● Reserved：保留，此域保留，初始化时设为全0，接收端忽略。● Registration Lifetime：注册生命周期，16比特无符号整数，标示

6LBR保留注册地DAD条目的时间，以60秒为单位，设为0时标识

删除邻居缓存条目信息。● EUI-64：64位域，用EUI-64标示符唯一标识注册地址的接口。● Registered Address：注册地址，128位域，主机发出的NS消息

的IPv6源地址域内的主机地址。（3）主机和路由器的优化。

对于主机、6LR和6LBR路由器的行为也进行了必要的优化。

①主机行为。

禁止动作：主机不能以组播方式发送邻居请求消息。

接口初始化：当主机接口初始化时，将根据接口配置的EUI-64标示符生成一个本地链路地址，然后主机发送路由器请求消息（RS）。由于在此网络中没有组播的RS消息，所以主机不必加入请求节点组播地址，但必须加入所有节点的组播地址。

发送路由器请求：RS消息根据RFC4861生成，并发送到所有的IPv6路由器组播地址。一个源链路层地址（Source Link-Layer Address，SLLA）选项必须包含在其中，用于进行单播的RA回复。在RS消息中不能使用未指定地址。如果链路层支持报文发送到所有路由器的任意播链路层地址，则可以用于传送这些报文到路由器。

由于主机不依靠组播RA消息发现路由器，主机需要在没有默认路由器、默认路由器不可达或之前的RA消息前缀和前后关系即将过期时，智能重传RS消息。推荐在初始化时，以至少10秒为间隔发送3次RS消息，然后减慢重传频率。在初始化后，主机可以二进制指数退让算法设定重传间隔，同时将最大重传间隔设为60秒。所有情况的RS重传在收到RA之后终止。

处理路由器通告：RA消息的处理伴随着6LoWPAN上下文选项的管理以及在触发新地址配置后的地址注册。SLLA选项必须包含在RA消息中。与RFC4861不同，RA路由器的生命周期域的最大值可到0xFFFF，约为18小时。

如果主机错误地接收了“L”标志位置1的前缀信息选项，则忽略此前缀信息选项。

注册和邻居不可达检测：主机发送单播邻居请求消息（NS）可用于注册IPv6地址，也可以用于邻居不可达检测（NUD），从而验证默认路由器可达性。主机的注册包括NS中的ARO。即使主机没有数据发送，也需要主机通过数据传输维护保存在路由器上的邻居缓存信息项，通过向路由器发送包含ARO的NS消息，更新注册的生命时长。

从多个默认路由器接收到RA消息的主机应该向多个路由器进行注册，以提高网络的鲁棒性。

下一跳确定：目的地下一跳IP地址通过以下方式确定。目的地址为链路本地前缀的（FE80：：）通常在链路上发送到该目的地。假定链路本地地址是根据接口初始化过程中规定的由EUI-64生成，那么就不进行地址解析，而发送到本地链路地址的数据包，需要按照反向操作RFC4291的步骤进行解码。

组播地址被认为是在链路上的，可以根据RFC4944或者其他基于IP的规定进行解析。应注意到IETF RFC4944只定义了如何在LoWPAN头表示组播目的地，超出本地链路范围之外组播支持还需要一个适当的组播路由算法。

假设所有其他前缀都是RFC5889定义的非链接的，任播地址通常被认为是非链接地址。因此，它们将发送到默认路由器列表中的一个路由器。

一个LoWPAN节点不需要按照RFC4861的规定为每个邻居维护一个最小缓存，因为在等待地址解析时数据包不会排队。

地址解析：地址注册机制和RA消息的SLLA选项提供了路由器和主机的先验状态用于从本地链路地址解析为IPv6地址。本地链路前缀和组播地址一致假定为非链路上的，邻居间基于组播的地址解析并不需要。

邻居的链路层地址保存在邻居缓存信息表，为了完成LoWPAN压缩，大多数全局地址将根据链路层地址生成，因此主机可以只保存链路层地址与IPv6地址接口ID的差异信息来减少内存的使用。

休眠：对于LoWPAN网络中使用电池的主机来说，保持一个低的占空比是有好处的。路由器可能需要具备缓存发送到睡眠主机流量的能力，但这样的功能不在本书的范围内。

②6LR和6LBR路由器行为。

6LR和6LBR需要维护来自于主机NA消息、其他节点ND包中基于ARO选项的邻居缓存信息，以及潜在的6LoWPAN路由协议。

路由器不应重复收集注册NCE，因为它们需要保留NCE，直到注册生命周期到期。同样，如果在路由器上的NUD确定主机不可达（根据RFC4861中的逻辑），则NCE不应该被删除，而是一直保留到注册生命周期到期。更新的ARO标明缓存条目为稳定的，因此，对6LoWPAN的路由器来说，邻居缓存并不像一个高速缓存，而是表现为一个连接到路由器的所有主机地址的注册表。

路由器可以实现的默认路由器偏好（PRF）扩展[RFC4191]，并用其向主机表明路由器是一个6LBR或6LR。如果这么应用，则没有去往边界路由器路由的6LR必须设置Prf为低优先级的11，其他6LR必须设置Prf为正常偏好的00，6LBR必须设置Prf为高优先级的01。

禁止行为：即使一个在路由拓扑结构的路由器到主机和另一个目标都可达，由于是无线电传播，一般不可能知道主机是否可以直接到达其他的目标。所以不能想当然地认为主机之间的重定向是实际有效的。因此，不应该发送重定向报文。唯一的潜在的例外是，当部署/实施有办法知道主机如何达到预期目标时。因此，建议在默认情况下实施不发送重定向报文，只有在部署要求时可以配置。相反，对于链路层路由拓扑结构，关于重定向的考虑采用IETF RFC4861一样的方法。

路由器不应该将PIO选项中的L位置1，因为这可能触发主机发送组播NS消息。

接口初始化：6LBR路由器接口初始化行为与IETF RFC4861描述的一样。只是在动态配置场景下，在6LR设定自身接口为通告接口并转换为路由器之前，6LR作为非路由器出现，等待接收通告用于配置自身接口地址。

路由器请求处理：IETF RFC4861中规定了路由器处理RS消息。区别在于RA消息内ABRO选项的内容以及只使用单播RA消息。如果6LR从6LBR接收到ABRO选项，它将在它发送的RA消息中原样保留这一选项内容。如果6LR已从不同的6LBR收到RA消息，无论是否有相同的前缀和上下文信息，它都需要分开保留这些前缀和上下文信息，所以6LR发送的RA将保持ABRO与前缀和上下文信息的关联。路由器可以通过ABRO的6LBR地址域知道哪一个6LBR生成了前缀和上下文信息。当一台路由器绑定多个ABRO的信息时，单个的RS消息将产生多个RA回复，每个RA包含着不同的ABRO。

当与某个6LBR关联的ABRO有效生命周期超时时，与该6LBR有关的信息必须被清除。建议发送RA要比ABRO的有效生命周期更频繁，这样即使错过了一个RA也不会导致删除所有到6LBR的相关信息。

可能尚未从将它地址与路由器注册的主机那里收到RS信息，因此路由器不必根据RS的SLLAO变更已存在NCE。但路由器可以根据SLLAO创建临时性的NCE，这样临时性的NCE应该在临时NCE生命周期（TENTATIVE_NCE_LIFETIME）后结束，除非转换为注册NCE。

一个6LR或6LBR必须在它发送的RA中包括一个SLLAO，这是必需的，这样主机就知道路由器的链路层地址。不同于IETF RFC4861中的规定，RA路由器生命周期域最大值可以到0xFFFF（约18小时）。

与IETF RFC4861中建议组播RA不同，本标准改进交互过程，只使用单播RA回复RS。正是由于RS通常包含一个路由器发送RA所需SLLAO，才使得这种方式可行。

定期路由器通告：路由器不需要发送定期的RA消息，因为主机在生命周期过期前会通过发送RS请求更新信息。可是，如果路由器在网络层路由拓扑上用RA分配前缀或上下文信息，则需要定期发送RA消息。这样的RA在IETF RFC4861规定的最小路由器通告间隔（MinRtrAdvInterval）和最大路由器通告间隔（MaxRtrAdvInterval）之间发送。

邻居请求处理：路由器按照IETF RFC4861处理NS消息。除了常规NS和选项的确认，ARO选项可以配置检验。如果长度域不是2，或者状态域不是0，则NS将被忽略。如果NS的源地址是非规范地址，或者未包含SLLAO，则在处理NS时忽略ARO。

③边界路由器行为。

6LBR负责RA的发送和主机NS的处理。6LBR需要在它发送的RA中一直包含ABRO选项。这要求6LBR在稳定存储内保留版本号，当RA内的消息变化时增加版本号。影响版本号的信息是，PIO内的前缀或生命周期、6CO中的前缀、CID或生命周期。

此外，6LBR可能配置有分配给LoWPAN的和RA包含的一个或多个前缀，在网络层路由情况下，这些前缀可以通过多跳前缀和上下文分配（Multihop Prefix and Context Distribution）技术散布给所有的6LR。

如果6LoWPAN使用报头压缩，则6LBR需要管理CID，并通过包含6CO的RA进行通告，从而告知直连主机CID，6LBR还需要考虑增加、删除或修改上下文信息。在网络层路由情况下，上下文信息将通过多跳前缀和上下文分配技术分配给所有的6LR。

前缀选定：在LoWPAN中的一个或多个前缀可以手动配置，或通过DHCPv6-PD获得。对于一个与网络隔离的LoWPAN，6LBR可以使用IETF RFC4193指定一个ULA前缀。ULA前缀应该保存在稳定存储内，从而在6LBR故障后可以使用同样的前缀。如果LoWPAN有多个6LBR，它们应该采用它同样的前缀集进行配置，此前缀集包含在RA消息内。

上下文配置和管理：如果6LoWPAN使用报头压缩，则6LBR必须配置上下文信息和相应的CID，如果LoWPAN有多个6LBR，它们必须配置相同的上下文信息和CID。对于确保报文正确地解压缩，保持上下文信息的一致性至关重要。

RA消息内的上下文信息在6LBR生成，必须分发到LoWPAN内的所有路由器和主机。RA包含1个与每个上下文对应的6CO。

对于使用6CO的上下文信息分发，应该严格使用生命周期以确保该上下文信息在整个LoWPAN内同步。新的上下文信息应该被引入C＝0的LoWPAN，以确保所有节点能够按照同样的上下文信息进行报头压缩。只有在信息成果分发后，C＝1的选项才能够发送，从而实际使用压缩的上下文信息。

相反，为避免节点发送使用先前上下文值的报文——这会导致接收时的歧义，在新的上下文值分配给某个上下文之前，旧的值应该停止使用一段时间。也就是说，在准备上下文信息变化时，分发过程应保持至少一段时间（MIN_CONTEXT_ CHANGE_DELAY）。仅当上下文已失效成为一个合理假设时，才能停止此CID的分发，或者再利用。在后一种情况下，新值的再分发应该按照上面所描述的从C＝0开始。

8．6LoWPAN网络路由1）路由机制

IPv6网络使用的路由协议主要是基于距离矢量和基于链路状态的路由协议。这两类协议都需要周期性地交换信息来维护网络正确的路由表或网络拓扑结构图。而在资源受限的泛在网感知层网络中采用传统的IPv6路由协议，由于节点从休眠到激活状态的切换会造成拓扑变化比较频繁，导致控制信息将占用大量的无线信道资源，增加了节点的能耗，从而降低网络的生存周期，因此需要结合泛在网的特征对IPv6路由协议进行优化。

泛在网路由算法必须考虑泛在网络普遍的特征，包括：● 大量有限资源（能量、运算能力、存储空间、通信距离）的泛在

网节点以预定义或者随机散布的方式存在；● 相关协议支持泛在网节点间自动协作和交换控制信息（需要考虑

协议能耗），支持节点的网络自组织。

针对上述泛在网所具有的特征，路由算法需要解决如下问题：● 网络中节点如何进行动态的检测，以及时筛选有效的节点；● 网络中节点如何进行标识，在路由算法中使用该标识进行路径计

算；● 节点间的路由关系如何建立，要求使用一种低功耗的算法，避免

将大量的资源用于建立路由链路上；● 网络节点的拓扑变化后，路由如何重建，这个过程可能会伴随有

节点标识的重建；● 节点间传送的消息格式、路由计算方式。

根据泛在网络的结构和数据传输模型，结合目前可行的路由算法，主要包括以下几种机制。（1）泛洪机制。

路由算法主要从数据传输的角度考虑，每个泛在网节点既产生数据，也能作为中继节点进行数据转发，初始路由链路是通过使用泛洪机制来建立的。根据路由链路建立和维护过程是由末端节点发起还是由根节点发起，不同层次的节点可以应用三种模式。● 传统模式：最基本的泛洪法，主干节点以广播的方式将收到的数

据包传递给自己的邻居主干和分支节点直至该分组到达叶子节

点。● 事件驱动模式：感知环境的数据分支节点主动广播数据包为特

征，该数据包基于路由表选取适当路径到达末端节点。● 查询驱动模式：以末端节点广播与应用相关的查询请求，通过该

群的分支节点泛洪到整个网络，满足该查询请求的分支/主干节

点则选取适当路径转发数据。（2）集群机制。

路由算法基于大量高密度的末端节点，重点考虑了路由算法的可扩展性。其主要特征为将末端节点按照特定规则划分为多个集群，并且选择出头节点，然后通过该集群的头节点汇集集群内感知数据或中继其他集群头节点转发的数据，可细分为以下两种模式。● 单层模式：指路由算法仅对根节点一次集群划分，通常假设每个

集群头节点能直接与末端节点通信。在小型的泛在网络中我们采

用的是单层模式，以减少处理的复杂性，这样就可以加速处理的

效率和减少维护链路的功耗。● 分层模式：指路由算法将对根节点进行多次集群划分，即将整个

泛在网的层次分为簇和群两个层次，对群的头节点即分支节点进

行再次集群划分。有若干的分支节点组成簇，并且选择出簇。这

样处理可以适应较大的泛在网络，同时当局部网络发生变化时，

不会影响泛在网的其他部分。（3）地理信息机制。

地理信息机制通常假设末端节点能够知道自身地理位置或者通过基于部分地标节点的地理位置计算自身位置，感知数据或者查询请求发送到指定方向从而减少因为泛洪机制而带来的数据无效传输的问题。（4）基于服务质量机制。

路由算法的建立是根据网络中的数据流和应用程序QoS 要求来建立的，从而均衡各个节点的负载和为应用层提供QoS 确保。2）RPL路由协议

RPL是为LLN网络而设计的距离矢量路由协议，通过使用目标函数（Object Function，OF）和度量集合构建具有目的地的有向无环图（Destination Oriented Directed Acyclic Graph，DODAG）。目标函数利用度量和约束条件的集合计算出最优路径。由于网络部署的目的性存在差异，同一个网络可能需要不同的链路质量要求等，导致在相同的网络中有可能有几个目标函数。（1）拓扑结构。

RPL中规定，一个DODAG是一系列由有向边连接的顶点，之间没有直接的环路。RPL通过构造从每个叶节点到DODAG根的路径集合来创建DODAG。与树形拓扑相比，DODAG提供了多余的路径。在使用RPL路由协议的网络中，可以包含一个或多个RPL Instance。在每个RPL Instance中会存在多个DODAG，每个DODAG都有一个不同的Root。一个节点可以加入不同的RPL Instance，但是在一个Instance内只能属于一个DODAG。如图2-17所示，显示了使用RPL构造的网络拓扑图。图2-17 RPL网络拓扑图

RPL规定了三种消息：DODAG信息对象（DIO），DODAG目的地通告对象（DAO），DODAG信息请求（DIS）。DIO消息是由RPL节点发送的，来通告DODAG和它的特征，因此DIO用于DODAG发现、构成和维护。DIO通过增加选项携带了一些命令性的信息。DAO消息用于在DODAG中向上传播目的地消息，以填充祖先节点的路由表，来支持P2MP和P2P流量。DIS消息与IPv6路由请求消息相似，用于发现附近的DODAG和从附近的RPL节点请求DIO消息。DIS消息没有附加的消息体。（2）DODAG的构建过程。

RPL路由协议规定了一系列新的ICMPv6控制消息以交换图的相关信息和构建拓扑结构，它们分别是请求消息（DODAG Information Solicitation，DIS）、DODAG信息对象（DODAG Information Object，DIO）、目的地通告（Destination Advertisement Object，DAO）。图的构建过程从根或者边界路由器（LoWPAN Border Router，LBR）开始。根首先使用DIO消息来广播有关图的信息，监听根节点的邻居节点收到并处理DIO消息，根据目标函数、DAG特点、广播路径开销等来决定是否加入到这个图当中。一旦节点加入到图当中，它就有一条通向DODAG根的路由，根则成为这个节点的父节点。节点接着会计算自己在图中的Rank值，并向自己的父节点发送包含路由前缀信息的DAO消息，节点也可以使用DIS消息来主动向邻居节点来请求图信息，所有邻居节点重复这一过程直至整个网络中构建出一个以LBR为根节点的DODAG。（3）路由建立。

当一个节点发现多个DODAG邻居时（可能是父节点或兄弟节点），它会使用多种规则来决定是否加入该DODAG。一旦一个节点加入到一个DODAG中，它就会拥有到DODAG根的路由（可能是默认路由）。在DODAG中，数据路由传输分为向上路由和向下路由。向上路由指的是数据从叶子节点传送到根节点，可以支持MP2P（多点到点）的传输；向下路由指的是数据从根节点传送到叶子节点，可以支持P2MP（点到多点）和P2P（点到点）传输。P2P传输先通过向上路由到一个能到达目的地的祖先节点，然后在进行向下路由传输。对于不需要进行P2MP和P2P传输的网络来说，向下路由不需要建立。

向上路由建立通过DIS和DIO消息来完成。每个已经加入到DAG的节点会定时地发送多播地址的DIO消息，DIO中包含了DAG的基本信息。新节点加入DAG时，会收到邻居节点发送的DIO消息，节点根据每个DIO中的Rank值，选择一个邻居节点作为最佳的父节点，然后根据OF计算出自己在DAG中的Rank值。节点加入到DAG后，也会定时地发送DIO消息。另外，节点也可以通过发送DIS消息，让其他节点回应DIO消息。

向下路由建立通过DAO和DAO-ACK消息来完成。DAG中的节点会定时地向父节点发送DAO消息，里面包含了该节点使用的前缀信息。父节点收到DAO消息后，会缓存子节点的前缀信息，并回应DAO-ACK。这样在进行路由时，通过前缀匹配就可以把数据包路由到目的地。（4）回路避免和回路检测机制。

在传统网络中，由于拓扑结构改变和节点间未及时同步的问题，可能会导致临时性的环路产生。为了减少数据包的丢失、链路拥塞的情况，必须尽快检测出环路。在LLN中，环路的影响是有限的，并且这种环路的产生可能是暂时的，所以过渡反应会导致更大程度上的路由碰撞和能量消耗。因此，RPL的策略是不保证不会出现环路，而是试图避免环路的出现。RPL定义了两种规则来避免环路，这两种规则都依赖于节点的“Rank”值。● 最大深度规则，不允许节点选择图中深度更大（Rank值更大）

的节点作为自己的父节点。● 拒绝节点“贪婪”规则，不允许节点试图移动到图中更深的地

方，以增加自己潜在父节点的数量。

RPL的环路检测策略是在RPL的路由头部中设置相关的比特位，通过这些比特位来检测数据的有效性。例如，当一个节点将数据包发向自己的一个子节点时，将比特位置成“Down”，然后将数据包发送到下一跳节点。收到“Down”比特的数据包节点，查询自己的路由表，发现数据包是在“向上”方向传输的，则证明出现了环路，此时数据包需要被丢弃并触发本地修复。（5）修复机制。

RPL规定了两种互补的修复机制：全局修复技术和本地修复技术。也有很多其他的路由协议使用本地修复策略来快速发现替代路径，推迟整个拓扑上的全局修复。下面是RPL采用的方法：当一条路径被认为是不可用的而必须寻找替代路径时，节点触发一次本地修复以快速寻找一条替代路径，即使替代路径不是最优的。接下来，为网络上的所有节点重建DODAG，这一过程可能被推迟。另外，RPL定义了另外一种被称为“下毒”的机制，在执行本地修复同时需要避免回路时很有用。（6）定时器管理。

RPL中的定时器与其他运行于受限条件少的环境中的路由协议不同。大多数的路由协议使用周期性的“keepalive”来保持邻居关系、更新路由表。但在LLN网络中，资源极度受限，所以显然这种方式是不合适的。RPL使用一种称为“Trickle Timer”的定时器来完成自适应的定时器机制，它可以控制发送DIO消息的速率。RPL使用的DIO定时器依赖于RFC6206中提出的Trickle算法。Trickle算法使用一个适应性的机制来控制层面发送速率，以使节点在不同情况下都能监听到足够的包以保持一致性。网络发生改变时，节点会发送更多的协议控制包，然后当网络开始稳定后，控制流的速率会减小。考虑到节点上受限的资源，Trickle算法不需要在网络中有复杂的代码和状态。

Trickle算法可以描述为：假设I为最小时间间隔，I为最大时minmax间间隔，I为当前时间间隔，t为当前时间点，K为冗余常量，C为计数器，I为I能够自乘2的最大次数。double● 开始。设置I为[I，I]中的一个值，开始第一个时隙。mixmax● 第一个时隙开始，置C＝0，t－[I/2，I]中的一个随机点。时隙终

止在I处。● Trickle收到一个一致性传输，就让C＋＝ 1。● 在时间t，Trickle检查是否有C，K，且只有在C＜K时允许发送数

据包。● 当I到期，就使I×2＞I，置I＝I。maxmax● 如果Trickle接收到不一致性传输时，Trickle为响定外部events重

置计时器。

Trickle算法只有在第4步传输，表示在检测到不一致并做出反应之间有一个固定的时间间隔，立即反应有可能引发广播风暴。

9．CoAP协议

在6LoWPAN网络中智能节点通常具有低功耗、低存储容量和低运算能力的特点，因此应用层协议需要满足这些约束条件。2010年3月，IETF应用领域的CoRE（Constrained RESTful Environment）工作组正式成立，为资源受限节点制定相关REST（Representation State Transfer，表述性状态转移）形式的应用层协议。

REST是指表述性状态转换架构，是互联网资源访问协议的一般设计风格。REST提出了一些设计概念和准则，包括：● 网络上的所有事物都被抽象为资源（Resource）；● 每个资源对应一个唯一的资源标识（Resource Identifier）；● 通过通用的连接器接口（Generic Connector Interface）对资源进

行操作；● 对资源的各种操作不会改变资源标识；● 所有的操作都是无状态的（Stateless）。

对于当今最常见的网络应用来说，资源标识就是URI，通用连接器接口就是HTTP协议。REST之所以能够简化开发，是因为其引入了架构约束，比如Rails1.2中对REST的实现默认把控制器中的方法限制在7个，即index，show，new，edit，create，update和destroy，而HTTP则把对URI的操作限制在4个之内，即GET，POST，PUT和DELETE。

REST之所以能够提高系统的可伸缩性，是因为它强制所有操作都是无状态的，这样就没有上下文的约束。另外，REST对性能的另一个提升来自其对客户和服务器的任务分配，即服务器只负责提供资源以及操作资源的服务，而客户要根据资源中的数据和表示法进行处理。

HTTP协议就是一个典型的符合REST准则的协议，但是由于HTTP基于TCP传输协议，采用点对点的通信模型，不适用于推送通知服务，而且对于受限设备（如8位微处理器）HTTP过于复杂。在资源受限的传感网络中，HTTP过于复杂，开销过大，因此也需要设计一种符合REST准则的协议，这就是CoRE工作组正在制定的CoAP协议（Constrained Application Protocol）。

CoAP是一种面向网络的协议，基于REST架构，采用了与HTTP类似的特征，核心内容为资源抽象、REST式交互以及可扩展的头选项等。为了克服HTTP对于受限环境的劣势，CoAP既要考虑数据报长度的最优化，又要考虑到提供可靠通信。一方面，CoAP提供URI，REST式的方法如GET，POST，PUT和DELETE，以及可以独立定义的头选项提供可扩展性。另一方面，CoAP基于轻量级的UDP协议，并且允许IP组播。为了弥补UDP传输的不可靠性，CoAP定义了带有重传机制的事务处理机制，并且提供资源发现机制和资源描述。

CoAP协议不是盲目地压缩了HTTP协议，考虑到资源受限设备的低处理能力和低功耗限制，CoAP重新设计了HTTP的部分功能以适应设备的约束条件。另外，为了使协议适应物联网和M2M应用，CoAP协议改进了一些机制，同时增加了一些功能。如图2-18所示，比较了HTTP和CoAP的协议栈。CoAP和HTTP在传输层有明显的区别，HTTP协议的传输层采用了TCP协议，而CoAP协议的传输层使用UDP，开销明显降低，并支持组播。

CoAP协议采用了双层的结构。事务层处理节点间的信息交换，同时，也提出对多播和拥塞控制的支持。请求/响应层（Request/Response Layer）用以传输对资源进行操作的请求和相应信息。CoAP协议的REST架构基于该层的通信，REST请求附在一个CON或者NON消息上，而REST响应附在匹配的ACK消息上。CoAP的双层处理方式，使得CoAP没有采用TCP协议，也可以提供可靠的传输机制。利用默认的定时器和指数增长的重传间隔时间实现CON消息的重传，直到接收方发出确认消息。另外，CoAP的双层处理方式支持异步通信，这是物联网和M2M应用的关键需求之一。CoAP协议转换网关如图2-19所示。图2-18 HTTP协议栈和CoAP协议栈比较图2-19 CoAP协议转换网关

10．XMPP协议

XMPP（Extensible Messaging and Presence Protocol，可扩展通信和表示协议）是一种基于XML的协议，可用于服务类实时通信、表示和需求响应服务中的XML数据元流式传输。XMPP的前身是Jabber，一个开源形式组织产生的网络即时通信协议。XMPP目前被IETF国际标准组织完成了标准化工作。标准化的核心结果分为两部分：核心XML流传输协议和基于XML的流传输即时通信扩展应用。在IETF中，把即时通信协议划分为四种协议，即时信息和出席协议（Instant Messaging and Presence Protocol，IMPP）、出席和即时信息协议（Presence and Instant Messaging Protocol，PRIM）、针对即时信息和出席扩展的会话发起协议（Session Initiation Protocol for Instant Messaging and Presence Leveraging Extensions，SIMPLE）以及可扩展的消息出席协议（XMPP）。其中IMPP已经发展成为基本协议单元，定义所有即时通信协议应该支持的核心功能集，XMPP和SIMPLE两种协议是架构，有助于实现IMPP协议所描述的规范，而PRIM已经不再使用。1）XMPP协议组成

RFC3920 XMPP核心，定义了XMPP协议框架下应用的网络架构，引入了XML流和XML节，并规定XMPP协议在通信过程中使用XML标签。使用XML标签从根本上说是协议开放性与扩展性的需要。此外，在通信安全方面，把TLS安全传输机制与SASL认证机制引入到内核，与XMPP进行无缝的连接，为协议的安全性、可靠性奠定了基础。该协议还规定了错误的定义及处理、XML的使用规范、JID（Jabber标识符）的定义、命名规范等。（1）RFC3921，用户成功登录到服务器之后，发布更新自己的在线好友管理、发送即时聊天消息等业务。（2）XEP-0030 服务搜索。一个强大的用来测定XMPP 网络中的其他实体所支持特性的协议。（3）XEP-0115 实体性能。XEP-0030 的一个通过即时出席的定制，可以实时改变广告功能。（4）XEP-0045 多人聊天。一组定义参与和管理多用户聊天室的协议，类似于Internet 的Relay Chat，具有很高的安全性。（5）XEP-0096 文件传输。定义了从一个XMPP 实体到另一个的文件传输。（6）XEP-0124 HTTP 绑定。将XMPP 绑定到HTTP 而不是TCP，主要用于不能够持久地维持与服务器TCP 连接的设备。（7）XEP-0166 Jingle。规定了多媒体通信协商的整体架构。（8）XEP-0167 Jingle Audio Content Description Format。定义了从一个XMPP 实体到另一个的语音传输过程。（9）XEP-0176 Jingle ICE（Interactive Connectivity Establishment）Transport。ICE传输机制，解决了如何让防火墙或是NAT（Network Address Translation）保护下的实体建立连接的问题。（10）XEP-0177 Jingle Raw UDP Transport。纯UDP 传输机制，讲述了如何在没有防火墙且在同一网络下建立连接的问题。（11）XEP-0180 Jingle Video Content Description Format。定义了从一个XMPP 实体到另一个的视频传输过程。（12）XEP-0181 Jingle DTMF（Dual Tone Multi-Frequency）。双音多频信令。（13）XEP-0183 Jingle Telepathy Transport Method。定义了电话传送方法。2）XMPP消息格式

XMPP系统使用XML流在不同实体之间相互传输数据。在两个实体的连接期间，XML流将从一个实体传送到另一个实体。在实体间，有三个顶层的XML元素，Message、Presence和IQ，每一个都包含属性和子节点。（1）消息（Message）元素。

一个即时消息系统最基本的功能就是能够在两个用户之间实时交换消息，＜Message/＞元素就提供了这个功能。每条消息都有一个或多个属性和子元素，属性“from”和“to”分别表示消息发送者和接收者的地址，属性“Type”表示消息的类型，属性“ID”用来唯一的标识一个输出消息的响应。（2）状态（Presence）元素。

状态元素用来传递一个用户存在状态的感知信息。用户可以是“在线”、“不在线”或“隐身”等。当用户连接到即时消息服务器后，好友发给他的消息就立即被传递。如果用户没有连接到服务器，好友发给他的消息将被服务器存储起来直到用户连接到服务器。（3）请求/响应（Info/Query）元素。“请求/响应”元素用来发送和获取实体之间的信息。IQ消息是通过“请求/响应”机制在实体间进行交流的。IQ元素用于不同的目的，它们之间通过不同的命名空间来加以区分。

上面描述了Jabber/XMPP协议的三个顶层节点。通过这种格式，Jabber/XMPP消息不仅可以是简单的文本，而且可以携带复杂的数据和各种格式的文件，也就是说Jabber/XMPP不仅可以用在人与人之间的交流，而且可以实现软件与软件或软件与人之间的交流。Jabber/XMPP这种功能大大扩展了即时通信的应用范围。3）XMPP协议网络架构

XMPP是一个典型的客户/服务器架构，而不是像大多数即时通信软件一样，使用P2P客户端到客户端的架构，也就是说在大多数情况下，当两个客户端进行通信时，他们的消息都是通过服务器传递的。XMPP中定义了三个角色：客户端、服务器和网关。通信能够在这三者的任意两个之间双向发生。服务器同时承担了客户端信息记录，连接管理和信息的路由功能。网关承担着与异构即时通信系统的互联互通，异构系统可以包括SMS（短信），MSN，ICQ等。基本的网络形式是单客户端通过TCP/IP连接到单服务器，然后在之上传输XML，工作原理是：● 节点连接到服务器；● 服务器利用本地目录系统中的证书对其认证；● 节点指定目标地址，让服务器告知目标状态；● 服务器查找、连接并进行相互认证；● 节点之间进行交互。（1）XMPP客户端。大多数客户端通过TCP直接连接到服务器，并且使用XMPP，充分利用由服务器及任何相关服务所提供的功能。客户端与服务器的推荐连接端口为5222，已由IANA注册。（2）XMPP服务器。服务器作为XMPP通信管理的智能抽象层，其主要职责是：● 管理连接其他实体的会话，以XML流格式在已授权的客户端、服

务器以及其他实体间来回传送；● 通过XML流在实体间路由具有合适地址的XML节。

服务器通常被设计成模块化，由各个不同的代码包构成，这些代码包分别处理会话管理、用户和服务器之间的通信、服务器之间的通信、域名解析、存储用户的个人信息和朋友名单、保留用户在下线时收到的信息、用户注册、用户的身份和权限认证、根据用户的要求过滤信息和系统记录等。另外，服务器可以通过附加服务来扩展，如完整的安全策略，允许服务器组件的连接或客户端选择，通向其他消息的网关。（3）XMPP网关。网关是服务器端的一种特殊服务，它的主要功能是实现XMPP与其他非XMPP协议之间的转换。目前，XMPP实现了和AIM，ICQ，IRC，MSN和Yahoo Messager的协议转换。2.3.2.2.4 ZigBee技术体系

1．协议概述

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，主要用于短距离、低功耗且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。ZigBee物理层和数据链路层协议为IEEE 802.15.4协议标准，网络层及应用描述层由ZigBee联盟制定。1）ZigBee技术的主要特点

与其他通信相比，ZigBee无线通信协议的复杂度低，满足精简资源的要求，适用于各种低数据传输速率和低能量消耗的应用。ZigBee技术的主要技术特点如下：（1）低功耗。由于工作周期短，收发信息功耗较低，在低耗电待机模式下，两节普通5号干电池可以使用6个月以上时间。（2）低速率。通信速率只有10～250Kbit/s，满足低速率传输数据的应用需求。（3）低成本。ZigBee协议简单且免专利费，极大地降低了ZigBee的成本。（4）高可靠性。发送数据时采用碰撞避免机制；为了避免竞争和冲突，特别预留了专用时隙（GTS）给需要固定带宽的通信业务；节点间具有自动动态组网的功能，在ZigBee网络中数据通过自动路由的方式传输，进而使得数据在网络中的传输得到可靠保证。（5）传输范围大。ZigBee节点在不使用功率放大器的情况下有效传输范围为10～75m，能覆盖普通的家庭和办公场所。（6）时延短。针对性地优化了对时延敏感的应用，从休眠状态激活的时延和通信时延都非常短。活动设备接入信道和休眠激活时延的典型值都是15ms，设备搜索时延的典型值是30ms。（7）网络容量大。可组成最多容纳65 536个节点的大型网络。（8）安全性高。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，确保了数据传输过程中的高度保密。2）ZigBee标准的制定（1）2001年8月，ZigBee 联盟成立。（2）2004年，ZigBee V1.0诞生。它是ZigBee的第一个规范，但由于推出仓促，存在一些错误。（3）2006年，推出ZigBee 2006，这个版本相对比较完善。（4）2007年年底，ZigBee PRO推出；ZigBee特性集提供单播、树寻址、群组通信、广播、安全等特性；在ZigBee Pro特性集中，寻址方式由随机寻址取代树寻址，并支持多对一源路由备选方案，并且还增加了有限的广播寻址功能及对高级安全性功能需求的支持。（5）2009年3月，ZigBee RF4CE推出，具备更强的灵活性和远程控制能力。（6）2009年开始，ZigBee采用了IETF的IPv6 6LoWPAN标准作为新一代智能电网Smart Energy（SEP 2.0）的标准，致力于形成全球统一的易于与互联网集成的网络，实现端到端的网络通信。（7）2012年，发布ZigBee 2012，增强了网状网络的组网能力，在一个网络中能够支持64 000个设备，同时增加了一个新的特性——绿色能源。

ZigBee是最早大规模应用的无线传感器网络技术，与其他短距离技术相比，ZigBee在物联网领域拥有先发优势，并且已经在智能电网、智慧城市、智能交通、电子健康、环境监测、智能家居等方面在全球得到了广泛应用。目前，在我国的智能电网、智慧城市、智能交通建设中，ZigBee技术也已经被大量采用。

2．协议栈架构

ZigBee协议栈架构如图2-20所示。物理层和MAC层都是由IEEE 802.15.4定义，物理层支持868/915MHz和2.4GHz三种频段。MAC层之上是网络层，提供网络层数据收发和路由功能。网络层之上是应用支持子层（Application Support Sublayer，APS），提供应用层数据处理和绑定功能。APS之上用“应用对象（Application Object）”来表示多个应用，其中一个特殊的应用是ZigBee设备对象（ZigBee Device Object，ZDO）。所有应用对象都要受到应用框架（Application Framework，AF）的规定限制。ZDO是所有ZigBee设备都实现的一个应用，提供设备管理的各项功能，包括设备发现、服务发现、绑定管理和网络管理等。此外，ZigBee还使用安全服务提供者（Security Service Provider，SSP），为网络层和应用层提供安全服务。图2-20 ZigBee协议栈架构

3．物理层

ZigBee物理层采用IEEE 802.15.4标准。

4．网络层

网络层的核心功能包括路由、寻址以及网络的建立与维护。1）网络拓扑

ZigBee网络支持多种网络拓扑结构，包括星形拓扑、树形拓扑及网状拓扑，如图2-21所示，最常使用的是星形网络拓扑。星形网络由一个协调器和多个末端节点组成，所有的通信都是通过协调器转发。这样的网络结构有三个缺点：一是会增加协调器的负载，对协调器的性能要求很高；二是所有通信都通过协调器转发，会极大地增加系统的延时，使得系统的实时性受到影响；三是单一节点的破坏会造成整个网络的瘫痪，降低了网络的鲁棒性。除了支持星形网络以外，ZigBee还支持树形（Tree）和网状（Mesh）等对等网络。在树形网络中，协调器负责建立和维护网络，同时需要确定一些网络参数，用来限定网络的拓扑结构。树形网络的扩展需要借助“ZigBee路由器”，因此网络中的每个节点不一定直接与协调器通信，而是可能经过若干个路由器的连接后才能到达协调器。在网状网络中，同样存在协调器、路由器和末端节点等设备，组建网络时不需要限定网络拓扑结构，节点之间通信可以选择最优路径。2）网络的建立与维护

ZigBee网络的构建由协调器设备发起。在建立网络之前需要设置一些参数，如网络工作信道、是否使用信标模式等。图2-21 ZigBee网络拓扑（1）建立新网络。

协调器在指定的信道范围内进行监听，获得各个信道的干扰情况。通过比较各个信道的干扰情况，选择干扰最少的信道进行扫描，探测出已经存在的网络，最后选择已存在网络最少的信道建立网络。当确定了工作信道之后，设备可以进一步设置其余网络参数，如PAN标识、网络地址、扩展PAN标识等。当这些参数都设置完成以后，一个新的ZigBee网络就建立完毕了。（2）加入网络。

在一个网络中具有从属关系的设备允许一个新设备连接时，它就与新连接的设备形成一对父子关系。新设备成为子设备，而第一个设备为父设备。一个设备加入网络有如下几种方式。● 联合方式加入网络，任何设备只要它具有必要的实际性能和具有

有效的网络地址空间，才可能接收一个新设备同其连接的请求命

令。通常只有ZigBee协调器或路由器具有实际能力，终端设备不

具备此能力。联合方式分为两步来实现，分别是子设备加入以及

父设备加入。● 直接方式加入网络，子设备通过预先分配的父设备直接同网络连

接。在这种情况下，父设备将为子设备预先分配一个64位地

址，当流程开始后，父设备的网络层管理实体将首先确定所指定

的设备是否已经存在于网络中。网络层管理实体通过搜索它的邻

居表，以确定是否有一个相匹配的64位扩展地址。如果不存

在，网络层管理实体将为这个新设备分配一个16位的网络地

址。● 重新加入网络，已经连接到网络的设备，由于通信环境发生变化

或者节点移动到别的地方，可能会暂时离开网络一段时间，这种

情况下节点将以重新加入网络的方式加入。● 孤点加入网络，父设备配置好子设备之后，子设备跟父设备通信

中断后重新加入网络。子设备通过孤点扫描的方式寻找原先的父

设备，因为寻找的父设备只有一个，如果没有找到，那么这个过

程失败。（3）离开网络。

节点离开网络分为主动离开和被动离开。节点主动离开网络时，需要向周围邻居节点发送一个离开指令。节点被动离开网络是由父节点直接发送离开指令给该节点。还有一种情况是节点非正常地离开网络，如子节点移动或者父节点移动，或者断电情况，这时并不会触发离开指令的发送，ZigBee协议并没有给出明确的规定如何处理。3）编址

ZigBee采用分布式的编址方式，即地址分配节点不是唯一的，协调器和路由器都可以进行地址分配。分配方式包括树形编址和随机编址方式。树形编址从ZigBee 2004版本中就存在，随机编址是ZigBee 2007中新增的一种编址方式。

在树形编址中，部分网络参数需要提前设定，根据该参数，节点的地址由父节点计算得到。每个路由器节点可以给自己的子节点直接分配地址，但因为参数是预先设定的，因此网络的拓扑受到很大的限制，且如果子节点的数目少于预留地址段则会出现地址空间的浪费情况。树形编址路由算法简单，但存在地址的分配方式不够灵活，需要根据网络的拓扑结构合理地选择网络参数。

随机编址方式是由父节点随机分配一个地址给新加入的节点，存在的问题就是随机分配容易产生地址冲突。父节点在分配新的地址前会先在邻居表、路由表、路由记录中查找已知的地址。即使这样也难以避免冲突的现象，如果出现冲突的两个节点所通信的节点没有公共的节点，那么地址冲突不会造成影响。如果有公共的通信节点，随机地址方式引入地址冲突解决机制来解决这个问题，为该节点分配一个不会发生冲突的新地址。4）路由

ZigBee网络的路由技术和以太网的路由技术有一定的相似性，但由于 ZigBee网络节点受模块内存、功耗和处理能力的限制，其路由相对于以太网路由要简单得多，目前用得比较多的ZigBee网络路由是简化的AODV（Ad-hoc On-demand Distant Vector，自组织按需距离向量）路由。（1）单播路由。

ZigBee单播路由分为树形路由和网状路由两种类型。树形路由是ZigBee网络中最基本的路由方式，它依赖于前面提到的树形编址，数据包沿着树的路径传递。树形路由的过程除了必须的几个网络拓扑参数外，不需要存储其他信息，但由于路径单一，存在效率和可靠性的问题。ZigBee网状路由采用的是AODV路由算法的简化版本——AODVjr，该版本去掉了Hello报文、路由应答确认命令和路由错误命令，适应性地简化路由请求和路由应答等命令。（2）广播。

ZigBee网络中的广播通信采用单跳广播和通过相邻节点逐次推进的方式来进行，广播从源节点开始，逐渐扩大到整个网络，这样能获得较低的时延和较高的效率。为减少重复广播，ZigBee还采用广播事务表来记录当前处理的广播数据。在ZigBee广播中使用一种“被动应答”的方式来确保通信的可靠性。在这种方式中，节点在广播之后还要监听邻居节点是否发广播信息，如果没有，说明邻居节点没有收到自己发出的广播数据，需要再次发送。在“被动应答”机制中，可以认为相邻节点广播的数据包与应答有相同作用，因此这种方式又称为“隐式应答”。特别需要注意的是，以上的广播方法是针对路由器和协调器设备的，而末端节点的网络层广播需要在MAC层单播到父节点，因此末端节点发出广播后，与之相邻的路由器节点不会收到，只会被它的父节点收到，更因为是一跳的单播，父节点也不会转发出去。（3）组播。

ZigBee网络组播通信通过网络层帧头中的控制域的组播标识位来标识，如果该标志位置为1，则表示是组播数据包。组播寻址使用16位组播组ID完成。一个组播信息发送给一个特定的目标组，该组的ID所列的所有设备都能接收到。组播帧既可以由目标组播组成员在网络中传播，也可以由非组播组成员传播。数据包以两种不同方式发送：● 如果原始信息由组成员创建，就被视为处于“成员模式”，按广

播方式中继；● 如果原始信息由非组成员创建，就被视为“非成员模式”，按单

播给一个组成员的方式中继。

非组成员信息到达目标组的任何一个成员后，就会转换为成员模式继续传播。成员模式所用到的广播方法除了设置跟组播相关的跳数参数之外，跟上面提到的广播是类似的。组播当中的广播不是被动应答的方式，而是采取多次广播，广播的次数是网络层规定的最大广播次数。

5．应用层

ZigBee应用层包括应用框架、应用支持子层、ZigBee设备对象，它们共同为应用开发者提供统一的接口。（1）应用框架。

应用框架为各个用户自定义的应用对象提供了模板式的活动空间，为每个应用对象提供了键值对（Key Value Pair，KVP）和报文（Message，MSG）两种帧类型供数据传输使用。

每个节点除了64位的IEEE地址、16位的网络地址外，每个节点还提供了8位的应用层入口地址，对应于用户应用对象。端点0为ZDO接口，端点1～240供用户自定义用于对象使用，端点241～254保留将来使用，端点255为广播地址。每一个应用都对应一个配置文件（Profile）。配置文件包括设备ID（Device ID）、事务集群ID（Cluster ID）、属性ID（Attribute ID）等。AF可以通过这些信息来决定服务类型。（2）应用支持子层。

应用支持子层为应用对象提供数据传输、绑定、应用层组播、分片和端到端可靠传输等主要功能。APS层主要功能：● APS层协议数据单元APDU的处理；● APSDE提供在同一个网络中的应用实体之间的数据传输机制；● APSME提供多种服务给应用对象，这些服务包括安全服务和绑

定设备，并维护管理对象的数据库，也就是我们常说的AIB。（3）ZigBee设备对象。

ZDO是一个特殊的应用层的端点（Endpoint）。它是应用层其他端点与应用子层管理实体交互的中间件。它主要提供的功能如下所述。● 初始化应用支持子层，网络层。● 发现节点和节点功能。在无信标的网络中，加入的节点只对其父

节点可见，而其他节点可以通过ZDO的功能来确定网络的整体拓

扑结构。● 安全加密管理：主要包括安全Key的建立和发送，已经安全授权。● 网络的维护功能。● 绑定管理：绑定的功能由应用支持子层提供，但是绑定功能的管

理却是由ZDO提供，它确定了绑定表的大小，具有绑定的发起和

绑定的解除等功能。● 节点管理：对于网络协调器和路由器，ZDO提供网络监测、获取

路由和绑定信息、发起脱离网络过程等一系列节点管理功能。

ZDO实际上是介于应用层端点和应用支持子层中间的端点，其主要功能集中在网络管理和维护上。应用层的端点可以通过ZDO提供的功能来获取网络或者是其他节点的信息，包括网络的拓扑结构、其他节点的网络地址和状态，以及其他节点的类型和提供的服务等信息。

6．安全

ZigBee网络由于设备简单、成本低等特点决定了不能使用很复杂的安全机制，所以通常情况下协议层之间和同一个设备上不同的应用之间不进行逻辑上的安全分离。因此，各个应用或各协议层可以共享相同的密钥材料，这样只需要考虑设备到设备的安全，从而节省很多密钥的存储量。

在设计ZigBee的安全体系结构时，应该考虑以下几个原则。● 确定“生成帧的层负责该帧的初始化”原则。● 如果需要考虑防盗功能，例如防止恶意网络设备的攻击，可以使

用网络层安全机制，新加入网络的设备要获取有效的网络密钥才

能正常通信。● 不同协议层的安全密钥可以重复使用。● 当且仅当源设备和目标设备都有权使用共享密钥时，端到端的安

全性才被激活。这样可以防止数据在网络层路由转发时，由于中

间路由设备引起的安全问题。● 给定网络中所有设备的安全级别都是相同的，如果一个应用需要

更高级别的安全等级，就需要单独的网络来支持。

ZigBee中定义的了三种密钥：主密钥、链路密钥和网络密钥。主密钥用于生成其他密钥；链路密钥用于两个设备之间的安全通信；而网络密钥用于多个应用、设备和整个网络的安全通信。此外，ZigBee有两种安全模式：标准模式和高安全模式，对应于网络不同的安全需求。

ZigBee为了实现安全性，定义了一个信任中心的角色。在使用安全机制的ZigBee网络中有且仅有一个信任中心，且被网络中所有设备识别和信任。信任中心对整个网络的安全进行集中管理，包括分发密钥和对应用进行配置管理等功能。在标准模式当中，设备通过网络密钥跟信任中心安全通信，这个密钥可以是预设的，也可以通过不加密方式发送。在高安全模式中，设备一般预先设置信任中心地址和初始主密钥，如果信任中心的地址没有预先设置，就会把协调器或指定的设备默认为信任中心。信任中心负责维护各个网络设备所对应的主密钥、链路密钥和网络密钥，控制网络密钥的更新策略。2.3.2.2.5 基于IEEE 802.15.4的工业短距离通信技术

1．WireIessHART

WirelessHART（Wireless Highway Addressable Remote Transducer）是IEC TC65（工业测量和控制技术委员会）为工业自动化应用定义的一种专用无线通信网络协议。2007年IEC TC65发布WirelessHART R7标准，其物理层和MAC层基于IEEE 802.15.4—2006。WirelessHART由HART通信基金会推动发展，成员主要有艾默生、西门子、ABB等公司，目前已有约3000万台WirelessHART设备在使用。

WirelessHART具有如下技术特点：工作频率为2400～2483.5MHz，传输速率为250Kbps，调制方式有O-QPSK和DSSS，发射功率可调，采用TDMA的MAC协议保证可靠性，采用信道黑名单机制提升安全性，支持图路由、源路由两种路由协议。在安全方面，WirelessHART采用128位AES-CCM安全机制，采用公共密钥、网络密钥、加入密钥、会话密钥等多种密钥保证数据安全。与ZigBee相比，WirelessHART提升了系统的响应速度和可靠性，能够更好地支持工业级应用。

2．ISA100.11a

2009年，美国仪器仪表协会（ISA，现更名为国际自动化协会）发布了用于工业自动化的短距离无线通信标准（ISA100.11a）。2011年，ISA100.11a被IEC接纳为IEC公共可用标准（PAS），标准号为IEC 62734。ISA100.11a旨在成为工业自动化低功耗、短时延、安全、可靠、鲁棒的无线通信网络，可用于监控、预警、开环/闭环控制等工业应用，支持固定、手持和低速移动的终端设备。

ISA100.11a物理层采用了IEEE 802.15.4—2006定义的2.45GHz物理层；数据链路层以IEEE 802.15.4—2006的MAC协议为基础，支持星形、树形、网状、星形与网状网混合等拓扑结构，支持时间同步、TDMA、跳信道、超帧调度、Mesh路由等功能；网络层采用6LoWPAN标准；传输层采用UDP协议，支持IPv6；应用层采用基于对象的模型，提供本地和隧道协议；ISA100.11a有比较完备的共存机制，能够与IEEE 802.15、IEEE 802.11、IEEE 802.16设备共存；在IEEE 802.15.4—2006安全机制基础上，提供简单、灵活、可选的安全方法。ISA100.11a网络设备主要包括终端设备、网关、路由器、系统管理器、安全管理器、系统时间源和预配置设备，ISA100.11a能够保证不同厂家设备之间的互操作性。

3．WIA-PA

WIA-PA（工业过程自动化无线网络）是我国工业短距离无线技术的国家标准（GB/T26790.1—2011）。2011年10月14日，经国际电工委员会工业过程测量、控制与自动化技术委员会（IEC/TC65）的投票通过，我国提交的WIA-PA国际标准提案正式成为IEC国际标准（IEC 62601：工业通信网络现场通信网络规范）。WIA-PA技术可广泛应用于工业自动化、能源管理、安全检测、环境检测、楼宇自动化、照明控制等领域。我国自主研发的WIA-PA系列产品已经开始商用。

WIA-PA 网络由下至上分为物理层、数据链路层、网络层和应用层。WIA-PA物理层采用IEEE 802.15.4—2006定义的2.45GHz物理层，支持16个信道，基本传输速率为250 Kbps。WIA-PA数据链路层以IEEE 802.15.4—2006的MAC层协议为基础，支持混合CSMA/TDMA、自适应频率切换（AFS）、自适应跳频（AFH）、时隙跳频（TH）等技术，有效降低干扰，提升通信的可靠性。WIA-PA网络层采用静态路由，支持图路由和源路由两种路由协议，支持端到端性能监测，支持网内报文的聚合和解聚，降低报文开销。WIA-PA应用层包括用户应用进程和应用子层两部分，应用子层为用户应用进程提供端到端透明数据通信服务，用户应用进程可实现工业现场的分布式应用功能。WlA-PA网络支持星形和网状结合的两层网络拓扑结构，下层采用由簇首和簇成员构成的星形结构，上层采用由网关和各簇首构成的网状结构，能够有效降低传输时延，并保持组网的灵活性。WIA-PA能够直接使用IEEE 802.15.4底层芯片，并能够兼容WirelessHART标准。2.3.2.3 蓝牙2.3.2.3.1 蓝牙概述

蓝牙（Bluetooth）是由蓝牙技术联盟推广的一种中等速率无线个域网技术。该技术最初由爱立信公司于1994年提出，最初的目的是为手机提供一种通用的无线数据接口。1998年，爱立信、IBM、Intel、Nokia和东芝等多家公司联合成立了蓝牙技术联盟（SIG），致力于推动全球蓝牙技术标准和产业的统一发展。

蓝牙具有使用方便、抗干扰能力强、传输安全、应用普及等诸多优点，应用领域非常广泛，从个人消费产品到智能家庭，从电子健康到运动保健，蓝牙被嵌入到手机、计算机、汽车、医疗器械等多种设备中，用来传输语音、图像、音频、视频等类型的信息。据ABI公司预计，到2015年蓝牙设备的出货量将超过30亿部。

蓝牙使用2.4GHz/5GHz频段进行传输，采用跳频、TDMA、交替射频等关键技术，最高传输速率可达24Mbps。经过10余年的不断发展，蓝牙技术已形成传统蓝牙、高速蓝牙和低功耗蓝牙三种主要工作模式。其中，2010年发布的低功耗蓝牙在很大程度上降低了蓝牙设备的功耗，并提升了覆盖范围，非常适合开展物联网应用。2.3.2.3.2 蓝牙标准体系

1．蓝牙标准演进情况

1998年，蓝牙技术联盟推出了第一个蓝牙标准——蓝牙0.7版本。该版本只简单定义了蓝牙的基带协议（BB）和链路管理协议（LMP），并且由于当时只是测试版本，因此并未受到应用和推广。

然后，蓝牙技术联盟陆续推出了0.8/0.9/1.0版本，分别定义了蓝牙的射频协议（RF）、逻辑链路控制和适配协议（L2CAP）、服务发现协议（SDP）以及其他一些可选协议。

2001年，通过对之前标准版本的修改和整合，蓝牙技术联盟推出了蓝牙1.1版本。该版本将射频协议、基带协议、链路管理协议、逻辑链路控制和适配协议以及服务发现协议作为标准的核心协议，并引入串口仿真协议（RECOMM）、链路控制协议（LC）、电话控制协议（TCS）和主机控制器（HCI）、对象交换协议（OBEX），以及无线应用协议（WAP）等一些选用协议，形成了相对完整的蓝牙技术规范，同时IEEE将此版本发布成为IEEE 802.15.1技术标准。

2003年，蓝牙1.2版本发布，该版本增加自适应跳频技术（AFH），采用跳频的方式，通过避免使用跳跃串行中的拥挤频率，有效解决频率干扰问题。

2004年，蓝牙2.0＋EDR版本发布，该版本引入增强型数据速率（EDR）功能，使用π/4-DQPSK和8DPSK两种调制方式，提供2.1Mbps和3Mbps两种可选传输速率。

2007年，蓝牙2.1＋EDR版本发布，该版本引入简单安全配对（SSP）、减速呼吸（Sniff Subrating）和扩展查询响应（EIR）等功能。简单安全配对用于用户和流量压力较大时，有效提升蓝牙设备的配对功能，并增强其安全性；减速呼吸用于延长适配器与设备间的联系时间，从而达到节约电量的目的；扩展查询响应在查询过程中为需要连接的设备提供信息过滤功能。

2009年，蓝牙核心规范3.0＋HS版本发布，该版本增加交替射频技术（AMP），使蓝牙设备能够交替使用不同的无线频率，选择更高的传输速率。与此同时，该版本还加入IEEE 802.11适配层（IEEE 802.11 PAL），使AMP支持IEEE 802.11协议。

2010年，蓝牙核心规范4.0版本发布，对蓝牙的帧结构和调制方式等方面进行了改进，使蓝牙具有低功耗特性。同时，该版本将传统蓝牙、低功耗蓝牙和高速蓝牙三种模式集为一体，能够实现组合使用或单独使用。

2013年年底，蓝牙规范4.1版本发布，该版本在蓝牙4.0的基础上进行了性能的提升。支持蓝牙4.1版本的设备不仅支持低功耗特性，并且能够同时作为发送方和接收方与多个设备进行连接，还可以通过IPv6协议连接到网络，该特性能够为开展物联网领域的相关应用提供更好的支撑。

自蓝牙技术联盟成立以来，已推出了多个蓝牙技术标准版本，所有蓝牙标准的版本都具有良好的后向兼容性，即新版本能够兼容之前的老版本。

蓝牙标准版本列表参见表2-3。表2-3 蓝牙标准版本列表

2．蓝牙标准协议架构

如图2-22所示，蓝牙协议从下至上依次分为物理层、逻辑层和L2CAP层，L2CAP层之上是蓝牙设备实现高层应用的选用协议。图2-22 蓝牙协议架构

物理层由物理信道和物理链路两部分构成。物理信道层是蓝牙系统中的最底层，用来建立、寻呼和查询信道，通过定义物理信道的种类，从而发现和连接设备，同时还包括自适应跳频技术的运用。除此之外，物理信道层还含有一些广播信道，用来在两个设备间建立连接或在未连接的设备间发送广播信息。

物理链路层用来为设备建立物理层基带链接，与每个物理信道对应，有功率控制、链路管理、加密等特性。其中主要包括两种链路类型：支持电路域的定向同步连接链路（SCO）和支持分组域的异步无连接链路（ACL）。SCO链路是一种对称的点对点同步传输，主要携带语音信息，不支持数据包重传；ACL链路是一种主设备到所有从设备的点对多点传输，主要携带数据信息，支持数据包的重传。

逻辑层由逻辑传输和逻辑链路两部分构成。逻辑传输层用来实现设备间的电路域和分组域的数据传输，在蓝牙1.2版本引入扩展定向同步连接链路（eSCO）之后，为了更精确地诠释其作用，将SCO（eSCO）和ACL认为是逻辑传输类型。

逻辑链路层用来对逻辑传输数据加以后缀，区分传输数据的类型，从而在设备间建立链路级连接。各种逻辑链路可以支持不同的应用数据传输要求，每个逻辑链路对应一个逻辑传输。

L2CAP层用于适配蓝牙上层协议，通过协议复用和包分割重组对上层协议提供连接的数据服务和无连接的数据服务，它允许高层协议和应用传输接收长达64KB的上层数据包，并允许每个信道进行流量控制及重传，从而为上层协议提供不同类型的数据业务。2.3.2.3.3 传统蓝牙

1．传统蓝牙概述

传统蓝牙涵盖蓝牙1.1/1.2/2.0＋EDR/2.1＋EDR版本，自蓝牙1.1版本推出之后，蓝牙耳机成为传统蓝牙技术最主要的应用，并由此带动了蓝牙产业的大规模发展。全球主要有两大蓝牙芯片供应商，即美国Broadcom公司和英国CSR公司，其中Broadcom的产品在市场上的比重占到80％以上，而英国CSR公司已在2012年将其蓝牙研发部门出售给了三星公司。

传统蓝牙工作在2.4GHz ISM频段，具有基本速率（BR）和增强数据速率（EDR）两种传输模式，采用GFSK和PSK两种调制方式，传输速率最高可达3Mbps。传统蓝牙采用跳频技术来抵抗频率干扰，在2400～2483.5MHz的频段范围内将基本跳频序列分为79个带宽为1MHz的信道，连接状态下正常通信时的跳频速率为1600跳/秒，在查询和寻呼时跳频速率会加倍。

2．传统蓝牙工作原理

在传统蓝牙的传输模式中，BR模式是基本模式，其数据包由接入码、包头、净荷三部分组成，采用GFSK调制，数据速率达721.2Kbps。EDR模式作为可选择性增强数据速率传输，其数据包由接入码、包头、保护间隔、同步序列、载荷和尾序列六部分组成，其中同步序列、载荷和尾序列采用π/4－DQPSK调制时，传输速率为2.1Mbps；采用8DPSK调制时，传输速率为3Mbps。

标准蓝牙的工作流程主要包括设备的三个主状态和七个子状态。主状态包括准备（Standby）、连接（Connection）和待机（Park）。在蓝牙设备中，准备状态是缺省的低功率状态，只运行本地时钟，且不与任何其他设备发生交互；连接状态是指主设备和从设备之间已经建立连接，能够相互发送数据包进行通信；待机状态是指设备之间保持同步，但不参与信道传输。

在蓝牙连接建立的过程中，主设备和从设备会分别处于不同的子状态，这些子状态包括查询（Inquiry）、查询扫描（Inquiry Scan）、查询响应（Inquiry Response）、寻呼（Page）、寻呼扫描（Page Scan）、从设备响应（Slave Response）和主设备响应（Master Response）。

设备从准备状态到连接状态的过程就是建立连接过程。通常来讲，两个设备的连接过程如图2-23所示。图2-23 传统蓝牙连接过程

首先由主设备发起查询，使用含有查询接入码（IAC）的ID包来查询工作范围内的蓝牙设备，若该范围内有蓝牙设备正在监听此查询信息，便会发送其设备地址和时钟信息作为响应，此时，从设备可以开始监听主设备。主设备通过在不同的跳频序列发送FHS包，来激活从设备建立寻呼。从设备被主设备发送来的含有设备接入码（DAC）的ID包寻呼后，同样以DAC作为响应。主设备在接收到从设备的响应后，再次发送FHS分组包，最后在从设备再次发送DAC作为响应之后，进入连接状态。

3．传统蓝牙安全机制

传统蓝牙分别在物理层和逻辑链路层为用户提供安全保护和加密机制。物理层在连接过程中通过查询和响应的方式进行鉴权，以此来防止信息的盗用和误用。在蓝牙设备连接建立后，逻辑链路层提供信息的加密机制。传统蓝牙采用序列密码加密算法的方式，对用户数据和信息进行加密，其密钥由底层的控制器产生。

逻辑链路层主要提供以下四种参数来保证蓝牙通信的安全。● 伪随机码（RAND）：用来产生加密和认证密钥。● 设备地址（BD_ADDR）：每个设备都有一个全球唯一的48位地

址。● 认证私钥（Authentication Key）：每次加密都会重新产生。● 加密私钥（Encryption Key）：链路密钥，由具体应用决定是否更

换。2.3.2.3.4 高速蓝牙

高速蓝牙即蓝牙3.0＋HS版本，主要用于传输具有高速特性的数据，如数据同步和实时影像传输等。高速蓝牙工作在2.4GHz和5GHz两个频段，传输速率可达24Mbps。

高速蓝牙自身并不具备高速传输能力，之所以具有高速传输的特性，是由于高速蓝牙采用了IEEE 802.11协议适配（PAL）功能和交替射频（AMP）技术，能够在工作时调用设备已有的IEEE 802.11模块。其中，AMP能够使蓝牙系统设备支持蓝牙技术以外的无线射频技术，IEEE 802.11 PAL能够适配IEEE 802.11协议功能，使AMP能够支持IEEE 802.11协议，从而将蓝牙的传输速率提升至IEEE 802.11的水平。

在高速蓝牙协议中，AMP和BR/EDR的工作方式有所不同。BR/EDR主要用于发现设备、建立和保持连接。在BR/EDR连接建立之后，如果AMP管理器检测到通信双方都支持AMP，则调用IEEE 802.11功能模块实现高速传输。2.3.2.3.5 低功耗蓝牙

1．低功耗蓝牙概述

传统蓝牙和高速蓝牙通常统称为标准蓝牙。为了支持更低功耗的应用，蓝牙4.0标准新定义了低功耗蓝牙模式。低功耗蓝牙工作在2.4GHz频段，与标准蓝牙不同，低功耗蓝牙将2400～2483.5MHz的频率范围分为40个带宽为2MHz的信道，低功耗模式下传输速率为0.2Mbps，并支持1Mbps数据传输率下的超短数据包传输，传输距离可达30m。

低功耗蓝牙具有更低功耗、更大覆盖、组网灵活等优势，特别适用于智能家居、电子健康、运动保健等物联网应用。据蓝牙技术联盟测试，低功耗蓝牙与高速蓝牙相比，能够降低近90％的功耗，低功耗蓝牙功耗之低可使一枚纽扣电池工作一年以上，非常适合用于以纽扣电池供电的各种小型无线传感器设备和消费电子产品。再加上蓝牙技术已经具有很高的市场渗透率和良好的产业基础，不难看出，低功耗蓝牙在物联网感知层具有很强的竞争力。

2．低功耗蓝牙工作原理

低功耗蓝牙采用增强的节能技术实现更低的能量消耗。首先，低功耗蓝牙改进了睡眠机制，使蓝牙设备能够长时间处于深度睡眠状态，睡眠期间的功耗极低，从而有效降低了功耗。其次，低功耗蓝牙使用GFSK调制方式，降低峰值功率，限制数据包的长度，并放松了对射频参数的要求，使得收发器的复杂度降低，也进一步降低了功耗。此外，在低功耗蓝牙的信道中只有3个信道用作广播信道，与标准蓝牙的16～32个广播信道相比，低功耗蓝牙将设备间的建立连接时间缩短至3ms内，比标准蓝牙链路建立时间低一个数量级，大大减少了链路建立时的功耗。

与标准蓝牙不同，低功耗蓝牙只包括5种工作状态：准备、启动、扫描、连接和广播，其工作流程如图2-24所示。图2-24 低功耗蓝牙工作流程（1）准备（Standby）：不收发任何数据包。（2）启动（Initiating）：收听并回复广播信道数据包，同其他设备建立连接。（3）扫描（Scanning）：收听来自广播状态的广播信道数据包。（4）连接（Connection）：设备间建立连接，从启动状态而来为主设备，从广播状态而来则为从设备。（5）广播（Advertising）：发送广播信道数据包，并收听回复这些数据包所产生的响应。

低功耗蓝牙具有单模和双模两种不同的工作模式。单模模式是指蓝牙只在具有4.0版本特性的设备之间进行传输，能够支持极低的电量消耗，使用一枚纽扣电池的工作时间最多可达1年以上。但是，单模模式无法与其他版本的标准蓝牙设备进行连接。双模模式是指在同时具备标准蓝牙和低功耗蓝牙两种协议的蓝牙设备，不仅能够与低功耗蓝牙设备进行连接，也能够与标准蓝牙设备建立连接。低功耗蓝牙工作模式如图2-25所示。

2011年，蓝牙技术联盟针对蓝牙4.0版本，发布了两种新的蓝牙产品系列Bluetooth Smart和Bluetooth Smart Ready。其中，Bluetooth Smart是指只支持低功耗模式连接的单模蓝牙设备，Bluetooth Smart Ready是指支持标准模式和低功耗模式连接的双模蓝牙设备。图2-25 低功耗蓝牙工作模式

3．低功耗蓝牙安全机制

低功耗蓝牙采用128位AES-CCM数据加密算法，算法简单，且存储量很小。这种编码方式对统计攻击、线性攻击和查分攻击都有很强的防御作用。与标准蓝牙不同，低功耗蓝牙的密钥由上层的主机产生，这样就可以通过不改变控制器而升级密钥产生算法。2.3.2.3.6 蓝牙组网

在蓝牙通信中，负责寻呼并建立连接的设备是主设备（Master），与主设备的时钟和跳频序列保持同步的设备则是从设备（Slave）。蓝牙系统通过设备之间不同数量的连接，形成两种不同的组网方式。由一个主设备和一个从设备形成的点对点的连接方式称为微微网（Piconet），由一个主设备和多个从设备形成的点对多点的连接方式则是含有多个从设备的微微网，由多个微微网连接形成的称之为散射网（Scatternet），如图2-26所示。图2-26 蓝牙组网示意图

在微微网的连接中，主设备可以同时与至多7个处于激活状态的从设备，以及至多255个处于休眠状态的从设备建立连接。每个微微网都有特定的跳频序列，网间跳频保持相互独立，互不干扰。跳频序列由主设备决定，参与同一个微微网的所有从设备都与这一跳频序列保持同步。

散射网由多个微微网相互连接形成，基于TDMA技术，任意一个蓝牙设备在散射网中既可以作为主设备，也可以作为从设备，还可以同时作为主设备和从设备，因此同一个蓝牙设备能够参与不同的微微网，并能作为中继实现跨微微网的通信。

早期的蓝牙应用是以点对点微微网的组网方式为主，可支持设备较少，组网方式单一，应用范围受限。以蓝牙4.0/4.1版本为基础的低功耗蓝牙在组网方式上采用散射网的形式，组网方式灵活，支持设备更多，非常适合物联网的应用。2.3.2.4 无线局域网2.3.2.4.1 无线局域网概述

无线局域网（WLAN）是指采用无线通信技术进行数据连接的局域网技术，以承载高速数据业务为主，支持固定、游牧和小范围低速移动接入，室内单跳通信距离几十米，室外单跳通信距离可超过100米。无线局域网能够实现非常高的传输速率，目前基于IEEE 802.11n标准的WLAN系统可以实现高达600Mbps的传输速率。无线局域网主要覆盖半径在100米以内的室内环境，但随着其应用的日益普及，也被用于校园、港口等室外区域，满足人们随时随地上网的需求，WLAN在室外空旷地区的传输距离可以超过100米。

WLAN主要使用各类免许可工作频段，建网无须无线电管理部门审批，也无须交纳频率占用费，用户使用成本很低。然而，由于免许可频段是共享频段，也容易有干扰。为了适应免许可频段的特点，无线局域网采用载波侦听/冲突避免（CSMA/CA）的接入机制，具有简单、灵活、环境适应性强、部署方便等优点，不足之处是随着用户量的增加，效率会逐渐下降，也难以保证服务质量。

当前国际主流的WLAN技术是Wi-Fi（Wireless Fidelity）联盟推广的Wi-Fi技术，核心技术采用了IEEE 802.11系列标准。Wi-Fi联盟在IEEE 802.11标准的基础上，制定相应的认证测试规范，保证不同企业生产的设备之间的互操作性。符合Wi-Fi认证测试要求的无线局域网技术通常称为Wi-Fi，通过Wi-Fi联盟组织的认证程序的产品将被授予Wi-Fi认证。

在IEEE和Wi-Fi联盟的推动下，WLAN技术、产业和应用持续快速发展。在技术上，WLAN已形成一套集物理层、服务质量（QoS）、业务支撑、安全机制、组网方式、网管、频谱使用、网络融合等多方面技术于一体的较完整的WLAN技术体系。在产业上，在Wi-Fi产业联盟的推动下，WLAN产业规模不断壮大，产品种类和数量快速增加。据Wi-Fi联盟统计，目前Wi-Fi设备累计出货量达到50亿部，预计到2017年将接近200亿部。在应用上，WLAN已发展成为当前全球应用最广泛的宽带无线接入技术，拥有巨大的用户群据，并成为手机、平板电脑、笔记本电脑等众多电子产品的标准配置，为人们提供便捷的宽带无线数据服务。据Wi-Fi联盟统计，目前全球17％的人在使用Wi-Fi，总人数已经超过11亿。全球运营商也积极部署WLAN公共热点，2012年全球WLAN公共热点已达到210万个，预计2015年将达580万个。2.3.2.4.2 工作频段

WLAN主要使用免许可工作频段。除了现有的2.4GHz频段和5GHz频段外，WLAN工作频段也不断向60GHz、1GHz以下、电视白空间（TVWS）等其他频段拓展。

1．2.4GHz频段

2.4GHz频段是全球统一的工业、科学和医疗（ISM）免许可频段，频率范围为2.4～2.4835GHz，是当前WLAN设备的最主要工作频段。2.4GHz频段可用频率资源较少，仅支持3个不交叠的WLAN信道，不仅大量的WLAN设备之间需要共享该频段，而且还要与蓝牙、ZigBee、无绳电话、微波炉等设备共享。

为了增加2.4GHz频段的可用信道数，IEEE 802.11标准中定义可以使用交叠信道，使得2.4GHz频段的信道数达到13个。然而，事实证明，这种信道划分方法不仅不会提升2.4GHz频段的使用效率，反而会导致更大的干扰。因为，WLAN设备难以识别在交叠信道上其他WLAN设备同时发送的信号，相互之间难以进行正确的干扰退避，从而导致更严重的干扰。

随着WLAN、蓝牙、ZigBee等各类2.4GHz无线技术的快速发展，2.4GHz频段干扰问题日益严重。特别是，智能手机、平板电脑等便携WLAN设备越来越多，2.4GHz频段的干扰无处不在，2012年11月深圳地铁停运事件就是一个典型案例。总而言之，当前2.4GHz频段的使用日趋饱和，采用其他频段已迫在眉睫。

2．5GHz频段

5GHz免许可工作频段，该频段拥有丰富的可用频率资源，是当前IEEE 802.11/Wi-Fi重点推广的频段。如表2-4所示，欧洲、美国和日本分别有455MHz、580MHz和616MHz可用频率资源。目前，我国在5GHz频段已开放了325MHz频谱，当前我国正在考虑开放更多5GHz频段的可能性。表2-4 世界主要国家/地区的5GHz频段WLAN可用频谱

3.60GHz频段

60GHz频段是IEEE 802.11标准新拓展的工作频段。如图2-27所示，我国目前开放的60GHz频段为59～64GHz，欧洲为57～66GHz、北美和韩国为57～64GHz、日本为59～66GHz。根据IEEE 802.11ad的信道划分，60GHz频段的单个信道带宽达到2.16GHz，我国只支持2个信道，难以支持在同一区域内较多设备同时工作。针对这一情况，IEEE启动了针对中国频段的新标准项目IEEE 802.11aj以解决这一问题。图2-27 世界主要国家和地区的60GHz频段划分情况

4．其他频段

IEEE和Wi-Fi联盟也在积极探索其他WLAN可用频段。例如，全球主要国家在1GHz以下频段均有一定数量的免许可频段，该频段具有非常好的传播特性，适合开展物联网应用。为此，IEEE启动了IEEE 802.11ah标准制定，拓展WLAN技术在该频段的应用。当前，IEEE还正在制定适用于电视白空间（TVWS）频段的新标准IEEE 802.11af。TVWS是模拟电视向数字电视过渡后空白出来的频率，具有良好的传播特性，但使用该频段需要避免对当地广电业务产生干扰。IEEE 802.11af将采用基于地理位置的频谱信息数据库管理，以避免对广播电视业务产生干扰。此外，IEEE于2008年发布了IEEE 802.11y标准，以支持美国3.65～3.7GHz频段。2.3.2.4.3 标准体系

1．IEEE 802.11标准体系

IEEE 802.11是美国电子电气工程师学会（IEEE）制定的无线局域网系列标准，是当前无线局域网领域的国际主流标准，其主要部分已陆续被ISO/IEC采纳为国际标准。

如图2-28所示，IEEE 802.11定义无线局域网的物理层和媒体接入控制层（MAC）技术标准，MAC层之上是IEEE 802定义的逻辑链路层（LLC），LLC层以上可采用通用的高层网络协议。图2-28 IEEE 802.11协议架构

1997年，IEEE发布了IEEE 802.11标准第一版标准，其中定义了直接序列扩频、跳频及红外线传输三种工作方式，能够实现1～2Mbps的传输速率，但该版本并未大规模商用。在第一版标准之后，IEEE又相继发布了IEEE 802.11b、IEEE 802.11a、IEEE 802.11g和IEEE 802.11n等增强标准，将IEEE 802.11系统的传输速率快速提升至IEEE 802.11n的600Mbps。为了更好地满足快速发展的市场需求，并保证WLAN技术的竞争力，IEEE在802.11n之后又发布了超高速WLAN标准IEEE 802.11ac和IEEE 802.11ad，最高传输速率可达几个Gbps。为了满足大规模数据流量的需求，同时解决WLAN在大规模密集组网环境下干扰问题严重、频谱效率低下、QoS无保障等问题，IEEE于2013年启动了下一代WLAN标准IEEE 802.11ax的研究工作，旨在进一步改善WLAN频谱效率，提升WLAN区域吞吐量和密集组网环境下的实际性能问题。

除了上述主要标准之外，IEEE还已发布（或正在制定）其他20多项IEEE 802.11补充和增强标准，涉及服务质量、新频谱、新应用、安全机制、网络管理、覆盖扩展、网络融合等内容，已形成了一套比较完整的无线局域网标准系列。其中，为了满足物联网应用需求，IEEE于2010年发布了IEEE 802.11p标准，支持智能交通领域的无线通信应用（车联网）。当前IEEE还正在制定面向智能抄表、传感器等物联网应用的IEEE 802.11ah标准。

IEEE每隔4～5年将会把已经完成的IEEE 802.11标准整合在一起，并进行修改完善，从而形成一个IEEE 802.11标准的完整版本。到目前为止，除了第一版标准IEEE 802.11—1997之外，IEEE已发布了IEEE 802.11—1999、IEEE 802.11—2003、IEEE 802.11—2007和IEEE 802.11—2012四个IEEE 802.11标准完整版本，参见表2-5。表2-5 IEEE 802.11标准体系

2．Wi-Fi技术规范

Wi-Fi联盟在IEEE 802.11标准的基础上，制定相应的Wi-Fi测试规范，保证不同企业生产的设备之间的互操作性。除了测试规范之外，Wi-Fi联盟还组织成员单位分析WLAN技术需求，并制定一些WLAN应用技术规范，这些工作对IEEE 802.11的标准制定起到重要的推动作用。目前，Wi-Fi联盟制定的规范主要有IEEE 802.11a/b/g/n/ac/ad等核心标准测试规范、Wi-Fi热点增强（如Hotspot 2.0）、Wi-Fi多媒体、Wi-Fi语音、节能技术、安全机制、服务质量增强、三维空间测试、Wi-Fi设备直连、隧道直接链路建立、网络管理、智能电网、医疗等。

3．ISO/IEC 8802-11系列国际标准

从1999年开始，IEEE 802.11系列标准中的主要部分被陆续接纳为ISO/IEC国际标准。在ISO/IEC的标准体系中，IEEE 802.11系列标准归口在ISO/IEC JTC 1/SC 6系统间电信与信息交换分技术委员，ISO/IEC标准编号为ISO/IEC 8802-11系列标准。2012年11月，最新的IEEE 802.11标准完整版本IEEE 802.11—2012被ISO/IEC接纳为国际标准。

4．GB 15629.11系列国家标准

2003年，我国发布了GB 15629.11/1102—2003无线局域网国家标准。此后，经过几次补充和修订，目前已经形成了一套无线局域网国家标准体系（即GB 15629.11系列）。GB 15629.11系列标准的底层传输技术采用了ISO/IEC 8802-11系列标准（即IEEE 802.11系列标准）。在安全机制上，采用了我国自主创新的WLAN安全技术——WAPI（无线局域网鉴别和保密基础结构），采用基于数字证书的双向鉴别和国家批准的高性能加密算法，有效保证了WLAN的安全性。2.3.2.4.4 核心标准

WLAN的核心标准包括IEEE 802.11a/b/g/n等增强物理层标准、吞吐量超过1Gbps的超高速WLAN标准802.11ac/ad，以及下一代WLAN标准IEEE 802.11ax。

1．IEEE 802.11a/b/g/n

IEEE 802.11a/b/g/n是IEEE 802.11的增强物理层标准，是当前IEEE 802.11系列标准的核心，也是全球WLAN市场的主流技术标准。（1）IEEE 802.11a和IEEE 802.11b。

1999年，IEEE同时发布了IEEE 802.11a和IEEE 802.11b两项物理层标准。其中，IEEE 802.11b工作在2.4GHz的工业、科学和医疗（ISM）频段，采用直接序列扩频（DSSS）技术作为主要传输技术，传输速率可达11 Mbps。IEEE 802.11a采用OFDM作为主要传输技术，最高传输速率达到54Mbps。IEEE 802.11a工作在5GHz频段，该频段可用频率资源非常丰富，一定程度上可以缓解频率资源紧张的问题，但5GHz频段无线信号传播特性较差，使得IEEE 802.11a覆盖范围明显小于IEEE 802.11b。（2）IEEE 802.11g。

为了提高2.4GHz频段的频谱使用效率，IEEE于2003年发布了2.4GHz频段物理层增强标准IEEE 802.11g。该标准采用OFDM和DSSS技术两种传输技术，能够支持高达54Mbps传输速率，并能够与IEEE 802.11b标准后向兼容。IEEE 802.11g较好地解决了IEEE 802.11b的传输速率问题，同时又保证了较大的覆盖范围，并且在技术上与IEEE 802.11b保持兼容，迅速取代了IEEE 802.11b。（3）IEEE 802.11n。

20世纪末至21世纪初，多入多出（MIMO）技术的研究取得重大突破，逐步从理论走向实际。2002年，IEEE启动了基于MIMO技术的物理层增强技术标准IEEE 802.11n的研制工作。经过长达7年的反复讨论，IEEE于2009正式发布了IEEE 802.11n标准。该标准采用了MIMO-OFDM作为主要传输技术，最大支持4发4收的天线配置，支持20MHz和40MHz信道带宽，支持低密度奇偶校验（LDPC）码，最高传输速率可达600Mbps，并且IEEE 802.11n支持2.4GHz和5GHz双频段，频谱适应性更强。IEEE 802.11n推出后迅速得到消费者青睐，已成为当前市场的主流。

IEEE 802.11主要标准演进路线如图2-29所示。图2-29 IEEE 802.11主要标准演进路线

IEEE 802.11a/b/g/n基本情况对比参见表2-6。表2-6 IEEE 802.11a/b/g/n基本情况对比

2．超高速无线局域网技术标准

面对高带宽无线数据业务的挑战，IEEE802.11工作组于2007年成立Very High Throughput（VHT）研究组，研究超高速无线局域网技术标准，目标的MAC吞吐量至少要达到1Gbps。2008年年底，根据工作频段的不同，VHT研究组被分成两个任务组：IEEE 802.11ac和IEEE 802.11ad，分别开展标准制定工作。（1）IEEE 802.11ac。

IEEE 802.11ac标准项目于2008年下半年启动，2014年年初完成。IEEE 802.11ac立项时的基本要求是工作频段为5GHz频段，与工作在相同频段的IEEE 802.11a/n后向兼容，MAC层吞吐量可达到1Gbps以上。IEEE 802.11ac将会在传统的Wi-Fi业务基础之上，更有效地支持HDTV、快速上/下载、数据回传、校园和礼堂覆盖、工业自动化等应用。

IEEE 802.11ac采用MIMO-OFDM作为主要传输技术，将支持最大8个空间流的MIMO天线配置，并支持空间复用、STBC、下行MU-MIMO和发射波束赋形；将采用增强调制编码方案，最高支持256QAM；将在原有20MHz和40MHz信道基础上，支持80MHz和160MHz信道带宽；将采用兼容IEEE 802.11a/n的混合格式前导码，与工作在5GHz频段的IEEE 802.11a/n后向兼容。IEEE 802.11ac理论最高传输速率可达6.93Gbps，大大高于立项要求。

IEEE 802.11ac使用5.15～5.25GHz、5.25～5.35GHz和5.47～5.725GHz和5.725～5.850GHz频段作为其工作频段。如图2-30所示，IEEE 802.11ac在这些频段范围内共划分了24个20MHz信道、11个40MHz信道、5个80MHz信道和2个160MHz信道。这一信道划分方案在每一段频段预留了充足的保护带宽，并保证与IEEE 802.11a/n的信道兼容性。图2-30 IEEE 802.11ac信道划分情况

2014年年初，IEEE 802.11ac标准已经正式发布，全球WLAN相关企业纷纷推出了IEEE 802.11ac商用芯片和设备。为了加快IEEE 802.11ac产业化步伐，Wi-Fi联盟也基于IEEE 802.11ac标准草案制定了IEEE 802.11ac产品测试规范，并于2013年启动了IEEE 802.11ac商用设备的测试认证，千兆WLAN产品的商用已经拉开序幕。（2）IEEE 802.11ad。

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