篇一

　　无线组网技术在物联网方面的应用

　　摘 要：随着物联网技术的快速发展，为实现在物联网中对事物的智能控制，无线组网技术就成为物联网技术的基础。文章通过对无线组网技术的研究，并在物联网各个领域的应用例证，详细论证了无线组网技术在物联网领域的重要作用。

　　关键词：物联网;无线通讯技术;自组网;无线网络

　　中图法分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：2095-1302(2014)04-0054-03

　　0 引 言

　　物联网融合了新一代的互联网技术和移动通讯技术，通过把各种传感器组成的终端嵌入到各种实体中，把实物组建成网络的形式，与目前的互联网整合起来，利用传感器收集信息和互联网快速传递数据信息的功能，以及利用计算机强大的数据处理信息能力，能够高效快速地管理实物，并充分实现资源信息的共享，最终达到提高资源的利用率、提高生产水平的目的。

　　1 物联网技术

　　在物联网中，物体可以实时地被识别、定位和进行数据交互，这是形成物联网的基本要求，物联网的功能决定了其大体上分为3个层状的网络结构，图1所示是物联网的技术结构。

　　图1 物联网技术结构

　　物联网中的感知层由各种传感器网络和无线射频识别系统组成，用于完成数据信息的采集和协同处理信息，主要涉及传感器、RFID、多媒体信息采集和实时定位等技术[1];

　　传输层也叫网络层，是由互联网、无线网络、移动通讯等组成的网络结构，用来实现从信息采集到信息传输的功能[2];

　　应用层则通过上位机(PC机)、手机、智能控制系统等对收集到的数据信息进行整合、分析、计算和管理，形成与业务需求相适应，并可实时更新的动态数据资源库，为各类业务提供统一的信息资源服务，从而实现物联网各个行业领域应用，主要体现的是对信息的智能处理能力[3]。

　　2 无线组网技术

　　2.1 无线组网的模型

　　无线通讯模块的实现不同于有线通讯，不能使用成熟的有线网络拓扑结构，不过无线通讯由于摆脱了场地的限制，所以组成网络也有自身的特点，无线网络总的来说一般分为3种情况：点对点、星状网络和网状网络，图2所示是3种常见的组网结构。

　　图2 三种常见的组网结构

　　图2中从左到右依次为点对点结构、星型结构和网络结构，深色的节点为协调器或者实现路由功能的节点，浅色节点为普通终端节点。

　　点对点通讯：适合连接物体不多的设备且需要相互之间传递数据信息的情况，这种情况属于一种很特殊的网络，只不过网络节点是简单的包含终端和数据中心两个方面;

　　星状网络：控制简单，任何的节点只需要和中心节点通讯，致使协议也行对简单，易于网络的监控和管理;

　　网状网络：处于网络中，每两个节点之间可以直接或者间接的通讯，而且有时候通讯路径也不唯一，这样的网络结构组成各种形状，网络内的各个节点之间对资源的共享比较容易，能选择最佳路径，传输延时小但是建设网络的费用高[4]。

　　2.2 无线组网通讯技术优势

　　无线组网通讯技术有以下的优点：

　　实时查询：在网络中的每一个节点都能实时的传输信息，返回终端节点的状态;

　　数据交流：能够和信息处理中心进行双向的数据信息传递和信息交换;

　　数据处理：终端节点一般有简单提取和处理信息的能力，让信息以相应的格式传送到信息处理中心;

　　组成网：虽然具体到每个节点都有不同的任务分工，但是每个节点都有相同的功能就是和上下节点之间建立连接，宏观上面就是系统组成了一个无线的局域网络;

　　低能耗：每个节点不管是终端设备、路由器还是协调器都是由微控制器控制的低功耗芯片，一般的终端节点都使用纽扣电池或者太阳能电池供电就足够了，所以整个网络的功耗低。

　　2.3 几种常见的无线组网技术

　　2.3.1 蓝牙组网

　　蓝牙技术是一种支持设备短距离通信(一般10 m内)的无线电技术。能在包括移动电话、PDA、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等众多设备之间进行无线信息交换。利用蓝牙技术，能够有效地简化移动通信终端设备之间的通信，也能够成功地简化设备与因特网之间的通信。

　　蓝牙系统采用一种灵活的无基站的组网方式，使得一个蓝牙设备可同时与7个其他的蓝牙设备相连接，蓝牙系统的网络结构的拓扑结构有两种形式：微微网(piconet)和分布式网络(Scatternet)。

　　微微网是通过蓝牙技术以特定方式连接起来的一种微型网络，一个微微网可以只是两台相连的设备，比如一台便携式电脑和一部移动电话，也可以是8台连在一起的设备。在一个微微网中，所有设备的级别是相同的，具有相同的权限。蓝牙采用自组式组网方式(Ad-hoc)，微微网由主设备(Master)单元(发起链接的设备)和从设备(Slave)单元构成，有一个主设备单元和最多7个从设备单元。主设备单元负责提供时钟同步信号和跳频序列，从设备单元一般是受控同步的设备单元，接受主设备单元的控制;

　　分布式网络是由多个独立的非同步的微微网组成的，以特定的方式连接在一起。一个微微网中的主设备单元同时也可以作为另一个微微网中的从设备单元，这种设备单元又称为复合设备单元。蓝牙独特的组网方式赋予了它无线接入的强大生命力，同时可以有7个移动蓝牙用户通过一个网络节点与因特网相连。它靠跳频顺序识别每个微微网。同一微微网所有用户都与这个跳频顺序同步[5]。

　　2.3.2 ZigBee协议组网

　　ZigBee是最近十年内出现的一项技术，经常应用于工业等相关领域，一般会结合传感器技术和网络信息技术，ZigBee技术已经在全世界的范围内推广开来，也逐渐向农业、医学等相关领域发展[6]。

　　在ZigBee网络中，分为几种功能不同的类型。如：每一个网络中只能有一个协调器，协调器主要是负责整个网络的构建，同时它也可作为与其他类型网络的通讯节点(网关)，但是网络中可以出现很多个路由器，终端的节点可以拥有的更多，但也有数量限制，一般一个ZigBee网络最多可存在65000个终端节点。 　　ZigBee组网协议的特点：

　　(1)ZigBee网络的功耗都比较低，主要是因为该协议一般不支持高速的数据传输，而且有相应的低功耗模式，在有限电量下可以工作很久的时间;

　　(2)该协议的容量比较大，在一个网络中可以最多的存在65 000个节点，可以在星型网络中容纳不同的设备;

　　(3)组网形式灵活多变，连接的网络节点之间可以相互感知，数据流通途径可以有多种方式;

　　(4)ZigBee协议体积小，一般在几KB到几十KB之间，也是属于面专利费的协议，这样使用该协议的成本也会比较低;

　　(5)可靠性和安全性比较高，在协议的MAC层中使用了确认信息的数据传输模式，发送的每一个数据都必须得到接收成功后，才能进行下一步传输动作，而且还提供了循环冗余校验的功能，还提供了完善的加密算法，确保了信息的安全传输。

　　2.3.3 SimpicitiTI协议组网

　　SimpliciTI协议是德州仪器针对其生产芯片开发的，主要支持两种通信结构，简单的点对点通信和星状的网络通信结构，在星状的网络结构中AP负责大部分的任务，包括网络的构建以及维护，对各个节点低功耗的支持等，还提供从正常模式到休眠模式的转变，并且拥有很快的唤醒体制，该协议组成的网络比较稳定，数据的传输可靠性高，SimpliciTI协议对硬件资源需求不高，在满足了基本的寄存器和较少的存储条件就可以运行[7]，图3所示是SimpliciTI组网协议的构成图。

　　图3 SimpliciTI协议的组成结构

　　可以看出，SimpliciTI组网协议主要分为3个部分：

　　(1)应用层(Application Layer)

　　就是主应用程序，在程序中定义并实现了整个系统的各个功能，具体的包括整个系统的初始化，网络的初始化以及网络维护，整个系统的数据流程等;

　　(2)网络层(Network Layer)

　　在网络层中主要负责信息的收发队列，由很多的网络层应用函数组成，这些函数都是以端口号的形式作为自身的标志，协议中出现的端口其实和TCP/IP中的端口相似，并且网络应用层也支持用户自己定义，在SimpliciTI协议的网络层中，通过相互的API函数调用最终实现整个网络层的功能;

　　(3)硬件逻辑层(Lite Hardware Abstraction Layer)

　　又可细分为射频层Radio和应用板支持层BSP，负责实现网络的API接口函数，主要包括涉及到射频模块的硬件结构的函数定义。

　　SimpliciTI组网协议的一般工作流程如下：

　　整个系统首先进行硬件底层的初始化，然后是上层网络的初始化，所有的终端节点开始发送入网请求，这个时候AP节点检测是否有节点加入请求，发现有入网的请求就开始响应终端节点，最终构建好整个网络框架。在网络建立好了之后，可以调用协议中的API函数进行网络的控制，以及整个系统数据接收发送的流程的控制。

　　最后，设备之间通过调用协议接口函数建立好网络后，就可以进行端到端的数据收发了，这样就实现了整个网络系统的数据传递功能。

　　2.3.4 其他常见的无线组网技术

　　Wi-Fi也是市场上很热门的通讯技术，正式的名称是IEEE802.11b，传输的速度也很快，，在通讯的覆盖范围上Wi-Fi要比其他的短距离无线通讯方式优秀很多，可以轻松地覆盖整个家庭、办公室，甚至是整装办公大楼。覆盖在网络中的通讯终端都可以连接在一起，相互之间构成互联网通讯网络。

　　3 无线组网技术在物联网中的应用

　　伴随着物联网技术的快速发展，无线组网技术已经应用到了社会的各个领域，结合传感器技术和计算机技术对每个应用领域都起到了很大的影响。

　　3.1 智能家庭

　　可以应用于家庭的照明、温度、安全、控制等，通过无线网络终端设备可以收集家庭各种信息，传送到中央控制设备，或是通过遥控达到远程控制的目的，提供家居生活自动化、网络化与智能化[9]。

　　3.2 工业应用

　　通过无线网络自动收集各种信息，并将信息回馈到系统进行数据处理与分析，以利工厂整体信息之掌握，例如：火警的感测和通知、照明系统的感测、生产机台的流程控制等，都可由组建的无线网络提供相关信息，以达到工业与环境方面的控制管理。

　　3.3 物流应用

　　目前物流产业正在蓬勃发展，特别是在各种网上购物方面物流是其支撑的很重要的一个方面，而在物流管理方面经常会出现货物的丢失等管理不当的行为，这时候在每一个或者一批货物上面加载定位标签，使货物组建成为一个很大的物流网络，不但能够提高货物的管理能力，也能大大提高生产运输效率。

　　3.4 无线货架标签

　　电子货架标签系统是在计算机技术、移动通信技术和互联网技术快速发展的基础上实现的，使用无线组网的方式统一管理商品信息，不但拥有便捷的管理方式和快速的数据信息处理能力，还减少了资源的浪费，节省了大量人力[10]。

　　3.5 农业应用

　　在农业逐步迈进现代化的时代，也对农业方面的管理提出了更高的要求，比如对农业的自动化监管和控制管理等，这就需要使用物联网的组网技术结合传感器技术，实时地传递农作物的空气、湿度、温度等相关信息，最终达到对农业的智能控制。

　　4 结 语

　　物联网技术目前正处于壮大发展的的阶段，在不远的未来肯定有其广阔的发展前景，物联网和无线网络通信就像不可分割的一个整体相互促进，在未来，无线网络通讯技术将会是一个一体化的整合网络，各种无线通讯技术如Wi-Fi、蓝牙、ZigBee和移动通讯(2G、3G或者更高的技术)等都将会融合到互联网中去，组成一个稳定高速的信息数据网络，各种无线通讯技术相互补充完善，促使物联网技术的日臻完善，届时将会给人们提供一种更便利高效的物联网服务。 　　参 考 文 献

　　[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.

　　[2]李锦涛， 郭俊波， 罗海勇， 等. 射频识别 (RFID) 技术及其应用[J]. 信息技术快报， 2004， 11(2)： 1-10.

　　[3]尹应增. 微波射频识别技术研究[D]. 西安： 西安电子科技大学， 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]余向阳. 无线传感器网络研究综述 [J]. 单片机与嵌入式系统应用， 2008， 8(2)： 8-12.

　　[6]喻金钱， 喻斌. 短距离无线通信详解： 基于单片机控制[M]. 北京：北京航空航天大学出版社， 2009.

　　[7]孙晓东. 基于 nRF2401 的 RFID 系统设计[D]. 杭州： 浙江大学， 2008.

　　[8]周祥. RFID 技术在物联网中应用的关键技术探讨 [D]. 镇江： 江苏大学， 2005.

　　[9]杜向党， 李淼， 张继红. 基于无线传感器网络和 GPRS 的无线远程监控系统设计 [J]. 机械与电子， 2010， 2(20)： 72.

　　[10]张帆， 张海鹏. 一种电子货架标签系统 (ESLS) 的设计[J]. 电讯技术， 2010， 50(12)： 95-100.