第二章 物联网无线通信技术

2.1 短距离无线通信技术

2.1.1蓝牙

​ 蓝牙(Bluetooth ):∶是一种无线技术标准，可实现固定设备、移动设备和楼宇个人域网之间的短距离数据交换（使用2.4-2.485GHz的ISM波段的UHF无线电波）。

​ 蓝牙5.0在低功耗模式下具备更快更远的传输能力，传输速率是蓝牙4.2的两倍（速度上限为2Mbps)，有效传输距离是蓝牙4.2的四倍（理论上可达300米)，数据包容量是蓝牙4.2的八倍，支持室内定位导航，且针对IoT专门优化。

2.1.1.1.1蓝牙概念

​ 蓝牙技术是一种无线通信的方式，利用特定频率的波段（2.4GHz-2.485GHz左右），进行电磁波传输。蓝牙传输原理是主从关系，一个主设备可以与7个蓝牙从设备配对。
无线通信基本实现过程如下图：

2.1.1.1.2经典蓝牙和BLE

​ 蓝牙分为经典蓝牙和低功耗蓝牙（Bluetooth Low Energy）。
经典蓝牙：也称为蓝牙基本速率/增强数据速率 （BR/EDR）。3.0版本以下的蓝牙，都称为经典蓝牙。功耗高、传输数据量大、传输距离只有10米。一般传大量数据和传声音如蓝牙耳机和音箱时用经典蓝牙。

​ 低功耗蓝牙：就是BLE，通常说的是蓝牙4.0及以上版本。低功耗，数据量小，距离50米左右。用在功耗小的地方，如智能设备。

​ 另外还有集成两种模式的双模蓝牙，即同时支持经典蓝牙和BLE。
两者比较如下图：

2.1.1.1.3 蓝牙标准

蓝牙标准版本发展如下：

2.1.1.1.4 影响蓝牙传输的因素

影响蓝牙传输的因素：

• 无线电频谱：无线电频谱范围30 Hz~300 GHz，频率高，范围短，速度快，反之，速度慢，所以需要在频谱范围和传输速率之间折中选择。
• 无线电的物理层（PHY）：主要与调制和发送相关，影响通道数量，通道信号质量等。
  接收器灵敏度（接收机可以接收到的并仍能正常工作的最低信号强度）
• 发射功率：功率高，传输的远，但相对的功耗大。蓝牙功率范围0.1mW-100mW。根据不同应用，采用不同的时钟域可降低功耗。
• 天线增益
• 路径损耗

2.1.1.2.1 蓝牙SOC芯片

蓝牙功能的实现包括硬件部分（基带控制器、HCI固件等）和软件部分（应用软件驱动、HCI驱动等）。本文主要介绍硬件部分。
下图是蓝牙功能实现的示意图。

蓝牙芯片主要由射频收发器，处理器，存储器，电源管理模块，外部接口等组成。

射频收发器，用来接收和发送电磁波。主要组成可参照下图，包括天线，滤波电路，频率调制解调电路等：

蓝牙基带调制采用 GFSK （Gauss frequency Shift Keying高斯频移键控）调制，原理是通过高斯低通滤波器进行脉冲整形得到频率信息，然后通过积分得到相位信息，最后通过载波进行频谱搬移，把频谱搬移到高频频率上，再将信号放大到适当的功率，通过天线发送出去。

基带解调：把高频信号变频到较低的频带， 再经过模数转换把频率信号输入到解调器中进行解调处理，把信号的相位提取，对相位进行微分，得到频率估计值，再对频率判决得到调制信号。

2.1.1.2.2 蓝牙透传

蓝牙透传就是将串口转换为蓝牙进行传输。常用的蓝牙透传模块有HC-05,HC-04等。下面以HC-05为例说明。
蓝牙透传可以代替有线进行传输，与MCU连接的信号主要是TXD,RXD信号。

不过目前市面上带插针的蓝牙透传模块一般有6个信号。

蓝牙模块还可与手机连接，通讯测试可以使用安卓串口助手软件。

蓝牙模块还可与带蓝牙的PC端连接。

HC-05 具有两种工作模式：命令响应工作模式和自动连接工作模式

• 自动连接工作模式：模块可分为主（Master）、从（Slave）和回环（Loopback）三种工作角色。当模块处于自动连接工作模式时，将自动根据事先设定的方式连接的数据传输
• 命令响应工作模式：执行 AT 命令，用户可向模块发送各种 AT 指令，为模块设定控制参数或发布控制命令。

2.1.2 WIFi

Wi-Fi是一种允许电子设备连接到一个无线局域网（WLAN)的技术，通常使用2.4G UHF或5G SHFISM射频频段。
最新的Wi-Fi6支持9.6Gbps的传输速率以及低至20ms的时延

2.1.2.1 WIFI通信协议

基于IEEE802.11系列标准采用的主要技术包括扩频技术（Spread Spectrum，SS）和正交频分复用技术（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM），其中扩频技术又分为跳频扩频（Frequency Hopping Spread Spectrum，FHSS）和直序扩频（Direct Sequence Spread Spectrum，DSSS）。

IEEE802.11系列通信协议标准主要针对WiFi通信协议的物理层和数据链路层进行了制定，采用不同协议标准实现的WiFi通信技术，其在这两层所采用的技术也不尽相同，具体如图所示。

物理层定义了网络中设备之间实际通信时的电气特性，同时负责与传输介质的相连，并向上服务于数据链路层。
数据链路层主要负责将网络层的数据信息无差错的传输到相邻节点的目标网络层中。从上图中可以看出，

基于IEEE802.11b标准实现的WiFi技术工作在2.4GHz频段，并且采用FHSS、DSSS和IR等关键技术；

基于IEEE802.11a标准实现的WiFi技术工作在5GHz频段，并且采用OFDM技术；

基于IEEE802.11g标准实现的WiFi技术工作在5GHz频段，并且采用DSSS/OFDM技术。

协议详细区分

• IEEE802.11b：支持最高11Mbps的传输速率；信号传输稳定不易受阻挡；覆盖范围较广；数据安全性较高；支持无负载平衡。

• IEEE802.11a：支持最高54Mbps的传输速率；与802.11b/g标准不兼容；无线传输距离相对较近；直线范围内使用。

• IEEE802.11g：支持最高54Mbps的传输速率；与802.11b标准完全兼容；与802.11a相比，无线传输距离相对较远；覆盖范围是802.11a的两倍。

• IEEE802.11n：支持最高108Mbps的传输速率，且理论值达到600Mbps；覆盖范围大幅提升；与802.11a、802.11b、802.11g标准完全兼容。

  2.1.2.2 WIFI网络拓朴结构

  WiFi主要采用星型拓扑结构，组网相对简单。

  

WiFi具有网络拓扑结构简单、通信安全、工作频段开放、与以太网的兼容性较好、传输速率高等优点，常常被应用于无线热点、手机、远程控制、网络媒体、医疗器械、现代农业等众多领域。

2.1.3 ZigBee（相关知识点非常的多，选取部分概要，详情等待后续补充）

ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议。
其特点是近距离、低复杂度、自组网、低功耗、低数据速率。

2.1.3.1 ZigBee技术原理

ZigBee协议栈

ZigBee 的协议栈由两部分组成，IEEE 802.15.4 定义了 **PHY(物理层)**和 **MAC(介质访问层)**技术规范;ZigBee 联盟定义了 **NWK(网络层)、APS(应用程序支持子层)、APL(应用层)**技术规范

ZigBee使用的频段

主流是2.4G.另外还有欧洲频段，868MHz，北美频段，915MHz。

在世界上大多数国家，使用无线电设备都是要支付频率使用费的，包括手机通信。只不过移动运营商或服务提供商已经向国家支付了这笔费用，并通过各种方式向用户收取了这笔费用。

我们国家的2.4G频段，就是这样一个频段。

然而，为了保证大家都可以合理使用，国家对该频段内的无线收发设备，在不同环境下的使用功率做了相应的限制。例如在城市环境下，发射功率不能超过 100mW

物理层数据的发送和接收

数据的发送和接收是通过PD-SAP提供的PD-DATA原语完成的，它可以实现两个MAC子层的MAC协议数据单元（MPDU）传输。

IEEE802.15.4标准专门定义了三个与数据相关的原语：数据请求原语（PD-DATA.Request）,数据确认原语（PD-DATA.comfirm）和数据指示原语（PD-DATA.Indication）

2.1.3.2 设备类型和节点类型

设备类型

节点类型

全功能设备（FFD）可以做协调器节点，路由器节点，终端节点

精简功能设备（RFD）可以做路由器节点和终端节点，不可以当协调器节点

2.1.3.3 通信流程

2.1.3.4 拓扑结构类型

拓扑结构类型主要分为三类：星状结构，树状结构，网状结构

星状拓扑结构

优点：

• 最简单的一种拓扑形式
• 包含一个协调器节点和恶一系列的终端节点

缺点：

• 协调器节点故障将导致整个网络瘫痪

树状拓扑结构

优点：

• 可实现网络范围内多跳信息服务
• 具有稳定性和可拓展性

缺点：

• 不能很好的适应外部动态环境
• 任意节点中断或故障将会使部分节点脱离网络

网状拓扑结构

优点：

• 具有自组织，自愈的功能
• 具有更加灵活的信息路由规则

缺点：

• 实现复杂

[^L：？懒人是是吧，实现复杂，看起来很厉害呀]:

2.1.3.5网络层地址分配机制（需要计算的地方）

Zigbee网络中的每一个节点都有一个16bit网络短地址和一个64bitIEEE扩展地址。其中，16bit网络地址实在节点加入网络时由其父节点动态分配，这种地址仅仅用于路由机制和网络中的数据传输。

节点的网络深度是指从节点到根节点协调器的最短跳数，标识节点在网络拓扑结构图中的层次位置。当协调器建立一个新的网络后，首先将自己的16bit网络地址初始化为0，网络深度初始化为0

2.1.4 Z-Wave

Z-Wave是一种新兴的基于射频的、低成本、低功耗、高可靠、适于网络的短距离无线通信技术。

Z-Wave协议是一种低带宽半双工协议，旨在实现可靠的低成本无线网状网络通信协议。Z-Wave 是一种面向住宅控制和自动化市场的无线网状网络协议，但也可用于商业环境。 Z-Wave提供了一种简单而可靠的方法来无线控制您家中的灯光和 A/V 设备。

Z-Wave工作在Sub Ghz的ISM(industrial, scientific, and medical)频段，成功的避开了2.4GHz(Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee)的干扰，同时拥有极远的传输距离。

协议支持Z-Wave和Z-Wave LR两种模式，Z-Wave是Mesh网络，Z-Wave LR是星形网络，这两种网络可以无缝兼容，100%共存。

Z-Wave 网络最多可包含 232 个节点。节点可以重传消息以保证传递。 两个节点之间的典型通信范围是 100 米。 Z-Wave LR可以包含4000个节点。在14dbm(最大30dbm)的输出功率下可达1.6Km的直线距离。

芯片公司:2019年Silicon labs宣布开放Z-Wave协议，目前仅有芯科科技一家芯片公司提供Z-Wave芯片和协议栈。