物联网与短距离通信复习总结

### 物联网与短距离通信复习总结 #### 一、物联网体系结构与关键技术 ##### 1.1 体系结构 物联网的体系结构主要包括以下几个层次： - **感知层**：负责采集物体信息，如温度、湿度等环境参数或物体的状态信息。 - **网络层**：负责信息的传输，通过各种网络技术将感知层获取的信息传输到处理层。 - **处理层**：也称支撑层，主要用于数据处理、存储和分析，确保数据的安全性和可用性。 - **应用层**：提供具体的业务逻辑和服务，面向最终用户。 具体内容可见教材P6页。 ##### 1.2 关键技术 物联网的关键技术主要包括： - **感知技术**：包括射频识别（RFID）、传感器技术、GPS定位技术、多媒体信息采集技术和二维码技术等。这些技术主要应用于感知层，用于获取物理世界的数据。 - **传输技术**：涉及移动通信网、互联网、无线网络、卫星通信以及短距离无线通信等技术，用于实现信息的有效传输。 - **支撑技术**：包括云计算技术、嵌入式系统、人工智能技术、数据库与数据挖掘技术、分布式并行计算和多媒体与虚拟现实技术等。这些技术主要服务于处理层，帮助处理和分析大量的数据。 - **应用技术**：支持物联网应用系统的运行，如智能家居、智慧城市等具体应用场景中的技术实现。 具体内容可见教材P7页。 #### 二、短距离无线通信技术概览 ##### 2.1 蓝牙 - **频段**：2.4GHz / 5GHz - **速率**：最高可达24Mbps (蓝牙4.0) - **通信距离**：10cm - 10m - **特点**： - 全球范围适用 - 可同时传输语音和数据 - 建立临时性的对等连接 - 良好的抗干扰能力 - 蓝牙模块体积小 - 低功耗 - 开放的接口标准 - 成本低 - **组网**：蓝牙设备可以形成微微网（piconet），一个微微网包含最多8个设备，其中一个为主设备，其余为从设备。多个微微网可以组合形成散射网（scatternet）。 - **应用**：主要应用于替代线缆、因特网桥接和临时组网三个领域。 ##### 2.2 IrDA (红外数据关联) - **频段**：850~900nm - **速率**：4Mbps / 16Mbps - **通信距离**：0~1m - **特点**：视距传输技术，点对点通信，组网能力较差。 - **应用**：常见于网络、多媒体、移动办公系统等领域。 ##### 2.3 ZigBee - **频段**：868/915MHz / 2.4GHz - **速率**：20~250kbps - **通信距离**：10~75m - **特点**： - 支持星状、片状和网状网络结构 - 每个网络最多支持255个设备 - 低功耗 - 低成本 - **组网**：星型、片状和网状网络结构。 - **应用**：广泛应用于PC外设、消费类电子设备、家庭智能控制、玩具、医护、工控等领域。 ##### 2.4 NFC (近场通信) - **频段**：13.56MHz - **速率**：106kbps / 212kbps / 424Kbps - **通信距离**：20cm以内 - **特点**：距离近、能耗低、安全性高、兼容性好、传输速率较低。 - **组网**：点对点数据传输和交换数据。 - **应用**：付款和购票、电子票证、无线启动设备、智能媒体、智能标签等。 ##### 2.5 UWB (超宽带) - **频段**：3.1~10.6GHz - **速率**：≥480Mbps - **通信距离**：≤10m - **特点**： - 高传输速率 - 空间容量大 - 保密性强 - 定位精度高 - 体积小、功耗低 - 实现简单 - **组网**：多种网络结构支持。 - **应用**：短距离高速无线多媒体智能局域网、个域网、智能交通系统、军事、公安、消防、医疗、救援等领域。 ##### 2.6 60GHz - **频段**：60GHz - **速率**：>1Gbps - **通信距离**：2~20m - **特点**： - 定向发射和接收 - 多跳中继 - 空间复用 - 单载波调制与OFDM - **组网**：支持多种网络结构。 - **应用**：无线个域网、无线高清多媒体接口、汽车雷达、医疗成像、点对点链路、卫星星际通信等。 #### 三、无线传感器网络 无线传感器网络是由大量微型传感器节点组成的一种分布式网络系统，用于监测、收集和处理环境或物理对象的数据。每个传感器节点都具备一定的数据处理能力和无线通信功能，能够自主地进行数据采集、处理和传输。 #### 四、ZigBee设备分类 ZigBee网络中的设备主要有以下几种类型： - **终端设备(End Device)**：通常部署在监测区域，负责采集数据并发送给协调器或路由器。 - **路由器(Route)**：除了具备终端设备的功能外，还负责转发数据包，提高网络覆盖范围。 - **协调器(Coordinator)**：整个ZigBee网络的核心，负责网络的初始化和维护，管理网络中的其他设备。 #### 五、微微网 微微网(piconet)是蓝牙技术中的基本网络形式，它由一个主设备和最多7个从设备组成。在微微网中，所有设备共享相同的频道，主设备负责管理和调度从设备之间的通信。当多个微微网相互重叠时，形成了更为复杂的网络结构——散射网(scatternet)。 #### 六、蓝牙扩频技术 蓝牙采用跳频技术进行扩频，其工作频段为2.402~2.48GHz，被分为79个频点，每个频点的间隔为1MHz。数据分组在某个频点发送后会跳转到另一个频点，选择的频点顺序是伪随机的。频率每秒变化1600次，每个频率持续625μs，这种方式有助于提高抗干扰能力和安全性。 #### 七、UWB技术原理与特点 UWB是一种无载波通信技术，通过发送纳秒至微微秒级别的非正弦波窄脉冲来传输数据。由于脉冲宽度极窄，UWB信号的带宽非常宽，适用于高速、近距离的无线通信。其基本工作原理是发送严格控制脉冲间隔的高斯单周期超短时脉冲，并直接用一级前端交叉相关器把脉冲序列转换成基带信号，大大简化了设备的设计。 #### 八、60GHz技术 60GHz技术是一种高频无线通信技术，工作在60GHz频段，传输速率高达1Gbps以上。该技术利用定向发射和接收、多跳中继、空间复用等技术提高通信性能，适用于短距离高速数据传输场景。 #### 九、IrDA特点 IrDA使用850~900nm的红外频段，最大速率为4Mbps或16Mbps，通信距离为0~1米。作为一种视距传输技术，IrDA支持点对点通信，但组网能力较弱。 #### 十、NFC工作模式及应用 NFC支持三种工作模式：卡模拟模式、点对点模式和读卡器模式。其中，主动模式和被动模式分别用于不同的应用场景： - **主动模式**：设备之间相互发送和接收数据，适用于点对点数据交换。 - **被动模式**：一个设备作为读取方，另一个设备作为发送方，适用于读卡器模式或卡模拟模式。 #### 十一、UWB保密性 UWB技术具有良好的保密性，主要是因为其宽频带特性导致了信号能量分布非常均匀，难以被截获和解码。此外，UWB信号的短脉冲特性使得其在密集多径环境中具有很高的分辨率，有利于提高通信的安全性。 物联网与短距离通信领域的关键技术涵盖了从感知、传输、支撑到应用的各个层面，涉及蓝牙、IrDA、ZigBee、NFC、UWB等多种无线通信技术，每种技术都有其独特的特点和应用场景。通过对这些技术的深入理解，我们可以更好地把握物联网发展的趋势和技术进步的方向。