無線組網(wǎng)技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)方面的應(yīng)用

申倩楠+李文鈞

摘 要：隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，為實現(xiàn)在物聯(lián)網(wǎng)中對事物的智能控制，無線組網(wǎng)技術(shù)就成為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)。文章通過對無線組網(wǎng)技術(shù)的研究，并在物聯(lián)網(wǎng)各個領(lǐng)域的應(yīng)用例證，詳細(xì)論證了無線組網(wǎng)技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的重要作用。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；無線通訊技術(shù)；自組網(wǎng)；無線網(wǎng)絡(luò)

中圖法分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2014）04-0054-03

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)融合了新一代的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和移動通訊技術(shù)，通過把各種傳感器組成的終端嵌入到各種實體中，把實物組建成網(wǎng)絡(luò)的形式，與目前的互聯(lián)網(wǎng)整合起來，利用傳感器收集信息和互聯(lián)網(wǎng)快速傳遞數(shù)據(jù)信息的功能，以及利用計算機強大的數(shù)據(jù)處理信息能力，能夠高效快速地管理實物，并充分實現(xiàn)資源信息的共享，最終達(dá)到提高資源的利用率、提高生產(chǎn)水平的目的。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

在物聯(lián)網(wǎng)中，物體可以實時地被識別、定位和進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，這是形成物聯(lián)網(wǎng)的基本要求，物聯(lián)網(wǎng)的功能決定了其大體上分為3個層狀的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，圖1所示是物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)結(jié)構(gòu)。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)中的感知層由各種傳感器網(wǎng)絡(luò)和無線射頻識別系統(tǒng)組成，用于完成數(shù)據(jù)信息的采集和協(xié)同處理信息，主要涉及傳感器、RFID、多媒體信息采集和實時定位等技術(shù)[1]；

傳輸層也叫網(wǎng)絡(luò)層，是由互聯(lián)網(wǎng)、無線網(wǎng)絡(luò)、移動通訊等組成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，用來實現(xiàn)從信息采集到信息傳輸?shù)墓δ躘2]；

應(yīng)用層則通過上位機（PC機）、手機、智能控制系統(tǒng)等對收集到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行整合、分析、計算和管理，形成與業(yè)務(wù)需求相適應(yīng)，并可實時更新的動態(tài)數(shù)據(jù)資源庫，為各類業(yè)務(wù)提供統(tǒng)一的信息資源服務(wù)，從而實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)各個行業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用，主要體現(xiàn)的是對信息的智能處理能力[3]。

2 無線組網(wǎng)技術(shù)

2.1 無線組網(wǎng)的模型

無線通訊模塊的實現(xiàn)不同于有線通訊，不能使用成熟的有線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，不過無線通訊由于擺脫了場地的限制，所以組成網(wǎng)絡(luò)也有自身的特點，無線網(wǎng)絡(luò)總的來說一般分為3種情況：點對點、星狀網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，圖2所示是3種常見的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

圖2 三種常見的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)

圖2中從左到右依次為點對點結(jié)構(gòu)、星型結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，深色的節(jié)點為協(xié)調(diào)器或者實現(xiàn)路由功能的節(jié)點，淺色節(jié)點為普通終端節(jié)點。

點對點通訊：適合連接物體不多的設(shè)備且需要相互之間傳遞數(shù)據(jù)信息的情況，這種情況屬于一種很特殊的網(wǎng)絡(luò)，只不過網(wǎng)絡(luò)節(jié)點是簡單的包含終端和數(shù)據(jù)中心兩個方面；

星狀網(wǎng)絡(luò)：控制簡單，任何的節(jié)點只需要和中心節(jié)點通訊，致使協(xié)議也行對簡單，易于網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控和管理；

網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)：處于網(wǎng)絡(luò)中，每兩個節(jié)點之間可以直接或者間接的通訊，而且有時候通訊路徑也不唯一，這樣的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)組成各種形狀，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的各個節(jié)點之間對資源的共享比較容易，能選擇最佳路徑，傳輸延時小但是建設(shè)網(wǎng)絡(luò)的費用高[4]。

2.2 無線組網(wǎng)通訊技術(shù)優(yōu)勢

無線組網(wǎng)通訊技術(shù)有以下的優(yōu)點：

實時查詢：在網(wǎng)絡(luò)中的每一個節(jié)點都能實時的傳輸信息，返回終端節(jié)點的狀態(tài)；

數(shù)據(jù)交流：能夠和信息處理中心進(jìn)行雙向的數(shù)據(jù)信息傳遞和信息交換；

數(shù)據(jù)處理：終端節(jié)點一般有簡單提取和處理信息的能力，讓信息以相應(yīng)的格式傳送到信息處理中心；

組成網(wǎng)：雖然具體到每個節(jié)點都有不同的任務(wù)分工，但是每個節(jié)點都有相同的功能就是和上下節(jié)點之間建立連接，宏觀上面就是系統(tǒng)組成了一個無線的局域網(wǎng)絡(luò)；

低能耗：每個節(jié)點不管是終端設(shè)備、路由器還是協(xié)調(diào)器都是由微控制器控制的低功耗芯片，一般的終端節(jié)點都使用紐扣電池或者太陽能電池供電就足夠了，所以整個網(wǎng)絡(luò)的功耗低。

2.3 幾種常見的無線組網(wǎng)技術(shù)

2.3.1 藍(lán)牙組網(wǎng)

藍(lán)牙技術(shù)是一種支持設(shè)備短距離通信（一般10 m內(nèi)）的無線電技術(shù)。能在包括移動電話、PDA、無線耳機、筆記本電腦、相關(guān)外設(shè)等眾多設(shè)備之間進(jìn)行無線信息交換。利用“藍(lán)牙”技術(shù)，能夠有效地簡化移動通信終端設(shè)備之間的通信，也能夠成功地簡化設(shè)備與因特網(wǎng)之間的通信。

藍(lán)牙系統(tǒng)采用一種靈活的無基站的組網(wǎng)方式，使得一個藍(lán)牙設(shè)備可同時與7個其他的藍(lán)牙設(shè)備相連接，藍(lán)牙系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有兩種形式：微微網(wǎng)（piconet）和分布式網(wǎng)絡(luò)（Scatternet）。

微微網(wǎng)是通過藍(lán)牙技術(shù)以特定方式連接起來的一種微型網(wǎng)絡(luò)，一個微微網(wǎng)可以只是兩臺相連的設(shè)備，比如一臺便攜式電腦和一部移動電話，也可以是8臺連在一起的設(shè)備。在一個微微網(wǎng)中，所有設(shè)備的級別是相同的，具有相同的權(quán)限。藍(lán)牙采用自組式組網(wǎng)方式（Ad-hoc），微微網(wǎng)由主設(shè)備（Master）單元（發(fā)起鏈接的設(shè)備）和從設(shè)備（Slave）單元構(gòu)成，有一個主設(shè)備單元和最多7個從設(shè)備單元。主設(shè)備單元負(fù)責(zé)提供時鐘同步信號和跳頻序列，從設(shè)備單元一般是受控同步的設(shè)備單元，接受主設(shè)備單元的控制；

分布式網(wǎng)絡(luò)是由多個獨立的非同步的微微網(wǎng)組成的，以特定的方式連接在一起。一個微微網(wǎng)中的主設(shè)備單元同時也可以作為另一個微微網(wǎng)中的從設(shè)備單元，這種設(shè)備單元又稱為復(fù)合設(shè)備單元。藍(lán)牙獨特的組網(wǎng)方式賦予了它無線接入的強大生命力，同時可以有7個移動藍(lán)牙用戶通過一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點與因特網(wǎng)相連。它靠跳頻順序識別每個微微網(wǎng)。同一微微網(wǎng)所有用戶都與這個跳頻順序同步[5]。

2.3.2 ZigBee協(xié)議組網(wǎng)

ZigBee是最近十年內(nèi)出現(xiàn)的一項技術(shù)，經(jīng)常應(yīng)用于工業(yè)等相關(guān)領(lǐng)域，一般會結(jié)合傳感器技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)，ZigBee技術(shù)已經(jīng)在全世界的范圍內(nèi)推廣開來，也逐漸向農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展[6]。

在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，分為幾種功能不同的類型。如：每一個網(wǎng)絡(luò)中只能有一個協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器主要是負(fù)責(zé)整個網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，同時它也可作為與其他類型網(wǎng)絡(luò)的通訊節(jié)點（網(wǎng)關(guān)），但是網(wǎng)絡(luò)中可以出現(xiàn)很多個路由器，終端的節(jié)點可以擁有的更多，但也有數(shù)量限制，一般一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可存在65000個終端節(jié)點。

ZigBee組網(wǎng)協(xié)議的特點：

（1）ZigBee網(wǎng)絡(luò)的功耗都比較低，主要是因為該協(xié)議一般不支持高速的數(shù)據(jù)傳輸，而且有相應(yīng)的低功耗模式，在有限電量下可以工作很久的時間；

（2）該協(xié)議的容量比較大，在一個網(wǎng)絡(luò)中可以最多的存在65 000個節(jié)點，可以在星型網(wǎng)絡(luò)中容納不同的設(shè)備；

（3）組網(wǎng)形式靈活多變，連接的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間可以相互感知，數(shù)據(jù)流通途徑可以有多種方式；

（4）ZigBee協(xié)議體積小，一般在幾KB到幾十KB之間，也是屬于面專利費的協(xié)議，這樣使用該協(xié)議的成本也會比較低；

（5）可靠性和安全性比較高，在協(xié)議的MAC層中使用了確認(rèn)信息的數(shù)據(jù)傳輸模式，發(fā)送的每一個數(shù)據(jù)都必須得到接收成功后，才能進(jìn)行下一步傳輸動作，而且還提供了循環(huán)冗余校驗的功能，還提供了完善的加密算法，確保了信息的安全傳輸。

2.3.3 SimpicitiTI協(xié)議組網(wǎng)

SimpliciTI協(xié)議是德州儀器針對其生產(chǎn)芯片開發(fā)的，主要支持兩種通信結(jié)構(gòu)，簡單的點對點通信和星狀的網(wǎng)絡(luò)通信結(jié)構(gòu)，在星狀的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中AP負(fù)責(zé)大部分的任務(wù)，包括網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建以及維護(hù)，對各個節(jié)點低功耗的支持等，還提供從正常模式到休眠模式的轉(zhuǎn)變，并且擁有很快的喚醒體制，該協(xié)議組成的網(wǎng)絡(luò)比較穩(wěn)定，數(shù)據(jù)的傳輸可靠性高，SimpliciTI協(xié)議對硬件資源需求不高，在滿足了基本的寄存器和較少的存儲條件就可以運行[7]，圖3所示是SimpliciTI組網(wǎng)協(xié)議的構(gòu)成圖。

圖3 SimpliciTI協(xié)議的組成結(jié)構(gòu)

可以看出，SimpliciTI組網(wǎng)協(xié)議主要分為3個部分：

（1）應(yīng)用層（Application Layer）

就是主應(yīng)用程序，在程序中定義并實現(xiàn)了整個系統(tǒng)的各個功能，具體的包括整個系統(tǒng)的初始化，網(wǎng)絡(luò)的初始化以及網(wǎng)絡(luò)維護(hù)，整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流程等；

（2）網(wǎng)絡(luò)層（Network Layer）

在網(wǎng)絡(luò)層中主要負(fù)責(zé)信息的收發(fā)隊列，由很多的網(wǎng)絡(luò)層應(yīng)用函數(shù)組成，這些函數(shù)都是以端口號的形式作為自身的標(biāo)志，協(xié)議中出現(xiàn)的端口其實和TCP/IP中的端口相似，并且網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層也支持用戶自己定義，在SimpliciTI協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)層中，通過相互的API函數(shù)調(diào)用最終實現(xiàn)整個網(wǎng)絡(luò)層的功能；

（3）硬件邏輯層（Lite Hardware Abstraction Layer）

又可細(xì)分為射頻層Radio和應(yīng)用板支持層BSP，負(fù)責(zé)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的API接口函數(shù)，主要包括涉及到射頻模塊的硬件結(jié)構(gòu)的函數(shù)定義。

SimpliciTI組網(wǎng)協(xié)議的一般工作流程如下：

整個系統(tǒng)首先進(jìn)行硬件底層的初始化，然后是上層網(wǎng)絡(luò)的初始化，所有的終端節(jié)點開始發(fā)送入網(wǎng)請求，這個時候AP節(jié)點檢測是否有節(jié)點加入請求，發(fā)現(xiàn)有入網(wǎng)的請求就開始響應(yīng)終端節(jié)點，最終構(gòu)建好整個網(wǎng)絡(luò)框架。在網(wǎng)絡(luò)建立好了之后，可以調(diào)用協(xié)議中的API函數(shù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的控制，以及整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)接收發(fā)送的流程的控制。

最后，設(shè)備之間通過調(diào)用協(xié)議接口函數(shù)建立好網(wǎng)絡(luò)后，就可以進(jìn)行端到端的數(shù)據(jù)收發(fā)了，這樣就實現(xiàn)了整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳遞功能。

2.3.4 其他常見的無線組網(wǎng)技術(shù)

Wi-Fi也是市場上很熱門的通訊技術(shù)，正式的名稱是IEEE802.11b，傳輸?shù)乃俣纫埠芸欤谕ㄓ嵉母采w范圍上Wi-Fi要比其他的短距離無線通訊方式優(yōu)秀很多，可以輕松地覆蓋整個家庭、辦公室，甚至是整裝辦公大樓。覆蓋在網(wǎng)絡(luò)中的通訊終端都可以連接在一起，相互之間構(gòu)成互聯(lián)網(wǎng)通訊網(wǎng)絡(luò)。

3 無線組網(wǎng)技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用

伴隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，無線組網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到了社會的各個領(lǐng)域，結(jié)合傳感器技術(shù)和計算機技術(shù)對每個應(yīng)用領(lǐng)域都起到了很大的影響。

3.1 智能家庭

可以應(yīng)用于家庭的照明、溫度、安全、控制等，通過無線網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備可以收集家庭各種信息，傳送到中央控制設(shè)備，或是通過遙控達(dá)到遠(yuǎn)程控制的目的，提供家居生活自動化、網(wǎng)絡(luò)化與智能化[9]。

3.2 工業(yè)應(yīng)用

通過無線網(wǎng)絡(luò)自動收集各種信息，并將信息回饋到系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析，以利工廠整體信息之掌握，例如：火警的感測和通知、照明系統(tǒng)的感測、生產(chǎn)機臺的流程控制等，都可由組建的無線網(wǎng)絡(luò)提供相關(guān)信息，以達(dá)到工業(yè)與環(huán)境方面的控制管理。

3.3 物流應(yīng)用

目前物流產(chǎn)業(yè)正在蓬勃發(fā)展，特別是在各種網(wǎng)上購物方面物流是其支撐的很重要的一個方面，而在物流管理方面經(jīng)常會出現(xiàn)貨物的丟失等管理不當(dāng)?shù)男袨椋@時候在每一個或者一批貨物上面加載定位標(biāo)簽，使貨物組建成為一個很大的物流網(wǎng)絡(luò)，不但能夠提高貨物的管理能力，也能大大提高生產(chǎn)運輸效率。

3.4 無線貨架標(biāo)簽

電子貨架標(biāo)簽系統(tǒng)是在計算機技術(shù)、移動通信技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)快速發(fā)展的基礎(chǔ)上實現(xiàn)的，使用無線組網(wǎng)的方式統(tǒng)一管理商品信息，不但擁有便捷的管理方式和快速的數(shù)據(jù)信息處理能力，還減少了資源的浪費，節(jié)省了大量人力[10]。

3.5 農(nóng)業(yè)應(yīng)用

在農(nóng)業(yè)逐步邁進(jìn)現(xiàn)代化的時代，也對農(nóng)業(yè)方面的管理提出了更高的要求，比如對農(nóng)業(yè)的自動化監(jiān)管和控制管理等，這就需要使用物聯(lián)網(wǎng)的組網(wǎng)技術(shù)結(jié)合傳感器技術(shù)，實時地傳遞農(nóng)作物的空氣、濕度、溫度等相關(guān)信息，最終達(dá)到對農(nóng)業(yè)的智能控制。

4 結(jié) 語

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)目前正處于壯大發(fā)展的的階段，在不遠(yuǎn)的未來肯定有其廣闊的發(fā)展前景，物聯(lián)網(wǎng)和無線網(wǎng)絡(luò)通信就像不可分割的一個整體相互促進(jìn)，在未來，無線網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)將會是一個一體化的整合網(wǎng)絡(luò)，各種無線通訊技術(shù)如Wi-Fi、藍(lán)牙、ZigBee和移動通訊（2G、3G或者更高的技術(shù)）等都將會融合到互聯(lián)網(wǎng)中去，組成一個穩(wěn)定高速的信息數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，各種無線通訊技術(shù)相互補充完善，促使物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的日臻完善，屆時將會給人們提供一種更便利高效的物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]Cha J R， Kim J H. Dynamic framed slotted ALOHA algorithms using fast tag estimation method for RFID system[C]. Consumer Communications and Networking Conference， 2006. CCNC 2006. 3rd IEEE. IEEE， 2006（2）： 768-772.

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[3]尹應(yīng)增. 微波射頻識別技術(shù)研究[D]. 西安： 西安電子科技大學(xué)， 2002.

[4]Leong K S， Ng M L， Cole P H. The reader collision problem in RFID systems[C]. Microwave， Antenna， Propagation and EMC Technologies for Wireless Communications， 2005. MAPE 2005. IEEE International Symposium on. IEEE， 2005（1）： 658-661.

[5]余向陽. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究綜述 [J]. 單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用， 2008， 8（2）： 8-12.

[6]喻金錢， 喻斌. 短距離無線通信詳解： 基于單片機控制[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社， 2009.

[7]孫曉東. 基于 nRF2401 的 RFID 系統(tǒng)設(shè)計[D]. 杭州： 浙江大學(xué)， 2008.

[8]周祥. RFID 技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)探討 [D]. 鎮(zhèn)江： 江蘇大學(xué)， 2005.

[9]杜向黨， 李淼， 張繼紅. 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和 GPRS 的無線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計 [J]. 機械與電子， 2010， 2（20）： 72.

[10]張帆， 張海鵬. 一種電子貨架標(biāo)簽系統(tǒng) （ESLS） 的設(shè)計[J]. 電訊技術(shù)， 2010， 50（12）： 95-100.

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