短距离无线通信技术

4.2　物联网网络层技术

物联网网络层泛指将终端数据上传到服务平台并能通过服务平台获取数据的传输通道。它通过有线、无线的数据链路，将传感器和终端检测到的数据上传到管理平台，接收管理平台的数据并传送到各个扩展功能节点。按照通信方式，主要有两类：无线通信和有线通信。两种通信方式对物联网产业来说同等重要，有互相补充的作用。例如，工业化和信息化“两化融合”业务中大部分是有线通信，智能楼宇等领域也是以有线通信为主。有线通信将来会成为物联网产业发展的主要支撑，但无线通信技术也是不可或缺的。

4.2.1　宽带网络技术

宽带网络技术即计算机网络技术，包括局域网技术、广域网技术和无线宽带网络技术。

计算机网络是指将地理位置不同的具有独立功能的多台计算机及其外部设备，通过通信线路连接起来，在网络操作系统，网络管理软件及网络通信协议的管理和协调下，实现资源共享和信息传递的计算机系统。计算机网络分为局域网、城域网和广域网，因特网属于全球最大的计算机网络。

计算机网络系统由硬件系统和软件系统组成，硬件系统常由服务器、计算机、路由器、交换机、网卡、网线（双绞线、光纤）、网线接头（RJ45水晶头、光纤模块）等组成，如图4.46所示。软件系统包含网络操作系统、浏览器、网络通信协议及应用软件等。

图4.46　计算机网络系统

1.本地有线局域网

无论是人类还是计算机进行的通信，都要遵守预先确定的规则或协议。这些协议由源主机、通道和目的主机的特性决定。协议根据来源、通道和目的，对信息格式、信息大小、时序、封装、编码和标准信息模式等问题作出详细规定。

（1）协议的重要性

计算机像人一样，也要按照规则或协议进行通信。协议在本地网络上尤其重要。在有线环境中，本地网络定义为所有主机必须“讲同一种语言”（用计算机术语表示就是“共享一个公共协议”）的区域。

（2）协议的标准化

在网络的最初阶段，每个厂家都有自己的网络设备和网络协议，包括IBM、NCR、DEC、Xerox和HP等厂商使用的协议，不同厂家的设备之间无法通信。

随着网络的不断普及，要求不同厂商设备之间的连接更加方便，即标准化。

有几种标准得到发展，包括以太网、ARCnet和令牌环。实际上不存在官方的本地网络标准协议，但随着时间的发展，以太网逐渐成为最受人们推崇的一种技术，并已成为实施标准。

以太网自从1973年创立以来，其标准经历了多次发展，用于规范更快、更灵活的技术。以太网这种不断改进的能力正是它如此受欢迎的主要原因之一。每个以太网版本都有相关的标准。例如，802.3 100BASE-T代表使用双绞线电缆标准的100兆以太网。此标准的具体解释为：100是以兆位每秒（Mbit／s）为单位的速度；BASE代表基带传输；T代表电缆类型，这里是指双绞线。

早期以太网的速度非常慢，只有10 Mbit／s。而最新的以太网运行速度已经超过10 Gbit／s，比最初提高了1 000倍。

早期以太网使用共享媒体，所有主机都连到同一条电缆或同一个集线器上。采用的协议是具有冲突检测（CD）功能的载波监听多路访问（CSMA）的访问控制方法。

CSMA／CD主要是为解决如何争用一个广播型的共享传输信道而设计的，首先它能够决定应该由谁占用信道，其次如果多个站点同时获得信道控制权，这时多站点发送的数据将会产生冲突，造成数据传输失败。如何发现和解决冲突，也是CSMA／CD要解决的问题。CSMA／CD的工作原理如图4.47所示。CSMA／CD协议的工作过程，如图4.48所示。

图4.47　CSMA／CD协议的工作原理

（3）物理寻址

所有通信都需要一种标识源和目的的方法。在人际交流中，源和目的用名字来表示。当有人呼唤一个名字时，被唤到名字的人就会聆听信息并作出反应。

以太网络也用类似的方法来标识源主机和目的主机。每台连接到以太网络的主机都会获得一个物理地址，用于在网络中标识自己。

每个以太网络接口在制造时都有一个物理地址，此地址称为介质访问控制（MAC）地址。MAC地址用于标识网络中的每台源主机和目的主机。MAC地址长48位，通常用12位十六进制数表示，如图4.49所示，在命令提示符下用ipconfig／all查看NIC（网络接口卡）的MAC地址为00-40-46-51-B6-46，前6个十六进制数字（24位）为厂商标识，后6个十六进制数字（24位）为网卡的标识，以确保MAC地址不会相同。

图4.48　CSMA／CD协议的工作过程

图4.49　物理地址

以太网是基于电缆的，亦即主机和网络设备使用铜缆或光缆连接。这是主机之间通信时使用的通道。

如图4.50所示，当以太网上的一个主机需要通信时，它会发送包含自己MAC地址（作为源地址）和接收方MAC地址的帧；收到帧的主机将对帧进行解码，并读取目的MAC地址。如果目的MAC地址与网卡上配置的地址匹配（H3），它就会处理收到的信息，并将其存储起来供主机应用程序使用；如果目的MAC地址与主机MAC地址不匹配（H2、H4），网卡就会忽略该信息。

图4.50　MAC地址通信

2.OSI参考模型

网络体系结构提出的背景——计算机网络的复杂性、异质性。对于复杂的网络系统，用什么方法能合理地组织网络的结构，以达到结构清晰、简化设计与实现、便于更新与维护、较强的独立性和适应性。解决的方法：分而治之！

1977年3月，国际标准化组织ISO的技术委员会TC97成立了一个新的技术分委会SC16专门研究“开放系统互连”，并于1983年提出了开放系统互连参考模型，即著名的ISO 7498国际标准，记为OSI／RM。

在OSI中采用了三级抽象：参考模型（即体系结构）、服务定义和协议规范（即协议规格说明），自上而下逐步求精。OSI／RM并不是一般的工业标准，而是一个为制定标准用的概念性框架。而实际的工业标准是TCP／IP网络模型，下一部分将详细讨论。

经过各国专家的反复研究，在OSI／RM中，采用了如表4.4所示的7个层次的体系结构，表中对于各层主要功能进行了简略描述，更准确详细的概念请参考有关网络基础教程。

3.TCP／IP网络模型

（1）TCP／IP协议

TCP／IP（Transmission Control Protocol／Internet Protocol）是传输控制协议／网际协议（又称Internet协议）的缩写，它实际上是一个很大的协议包（簇），其中包括网络接口层、网际层、传输层和应用层中的很多协议，TCP和IP协议只是其中两个核心协议。

TCP／IP是Internet上采用的协议，目前已形成了一个完整的网络协议体系，并且得到了广泛的应用和支持。

表4.4　OSI／RM七层协议模型

TCP／IP的基本作用是：如图4.51所示，要在网络上传输数据信息时，首先要把数据拆成一些小的数据单元（不超过64 kB），然后加上“包头”做成数据报（段），才交给IP层在网络上陆续地发送和传输。采用这种传输数据方式的计算机网络就称为“分组交换”或“包交换”网络。其次，在通过电信网络进行长距离传输时，为了保证数据传输质量，还要转换数据的格式即拆包或重新打包。最后，到了接收数据的一方，必须使用相同的协议，逐层拆开原来的数据包，恢复成原来的数据，并加以校验，若发现有错，就要求重发。

①TCP协议

计算机网络中非常重要的一层就是传输层，它可以向源主机和目的主机提供端到端的可靠通信。TCP协议是一个面向连接的端到端的全双工通信协议，通信双方需要建立由软件实现的虚连接，它提供了数据分组在传输过程中可靠的并且无差错的通信服务。

TCP协议规定首先要在通信的双方建立一种“连接”，也叫作实现双方的“握手”。建立“连接”的具体方式是呼叫的一方要找到对方，并由对方给出明确的响应，目的是需要确定双方的存在，并确定双方处于正常的工作状态，在整个传递多个数据报的过程中，发送的每一个数据报都需要接受方给以明确的确认信息，然后才能发送下一个数据报。如果在预定的时间内收不到确认信息的话，发送方会重发信息。正常情况下，数据传送结束后，发送方要发送“结束”信息，“握手”才断开。

这里还要解释一下，“在通信双方建立连接”这句话的含义不是让双方去独占线路，或者说不是在双方之间搭建一条专线。真正双方独占线路，那是打电话的做法，所以说计算机网络中，通信双方建立的连接实际上是一种“虚拟”的连接，是由计算机系统中相应软件程序实现的连接。

图4.51　TCP／IP数据封装

在计算机网络中，通常把连接在网络上的一台计算机叫作一台“主机”。传输层只能存在于端系统（主机）之中，所以又称为“端到端”层或“主机到主机”层。或者说，只有在作为“源主机”和“目的主机”的计算机上才有传输层，才有传输层的相应程序，才执行传输层的操作。

“全双工”通信指通信的双方主机之间，即可以同时发送信息，又可以接收信息。

TCP协议还有一个作用就是保证数据传输的“可靠性”。TCP协议实际上是通过一种称为“进程通信”的方式，在通信的两端（双方）传递信息，以保证发出的数据报不仅都能到达目的地，而且是按照它们发出时的顺序到达的。如果数据报的顺序乱了，它要负责进行“重新排列”；如果传输过程中，某个数据丢失了或出现了错误，TCP协议就会通知发送端重发该数据报。

②IP协议

IP协议称为Internet协议或网际协议，工作在TCP协议的下一层（网络层），是TCP／IP的心脏，也是网络层中最主要的协议，它利用一个共同遵守的通信协议，使Internet成为一个允许连接不同类型的计算机和不同操作系统的网络。而通信协议规定了通信双方在通信中所应共同遵守的约定，即两台计算机交换信息所使用的共同语言。同时，计算机的通信协议精确地定义了计算机在彼此通信过程的所有细节。例如，每台计算机发送信息的格式和含义在什么情况下应发送规定的特殊信息，以及接收方的计算机应作出哪些应答等。

IP协议提供了能适应各种各样网络硬件的灵活性，对底层网络硬件几乎没有任何要求。任何一个网络都可以使用IP协议加入Internet，在Internet任何一台计算机，只要运行IP协议软件，就可以进行交流和通信。

IP协议根据其版本分为IPv4和IPv6。本章主要介绍32位的IPv4，至于128位的IPv6将在有关课程中介绍。

（2）TCP／IP体系结构

①协议体系

TCP／IP协议在物理网基础上分为4个层次，它与ISO／OSI模型的对应关系及各层协议组成如图4.52所示。

图4.52　TCP／IP和OSI模型的对应关系及备层协议组成

②TCP／IP各层主要功能

网络接口层：定义与物理网络的接口规范，负责接收IP数据报，传递给物理网络。

网际层：主要功能是实现两个不同IP地址的计算机（在Internet上都称为主机）的通信，这两个主机可能位于同一网络或互联的两个不同网络中。具体工作包括形成IP数据报和寻址。如果目的主机不是本网的，就要经路由器予以转发直到目的主机。网际层主要包括4个协议：网际协议（IP）、网际控制报文协议（ICMP）、地址解析协议（ARP）、逆向地址解析协议（RARP）。

传输层：提供应用程序间（即端到端）的通信。包括传输控制协议（TCP）和用户数据报协议（UDP）。

应用层：支持应用服务，向用户提供了一组常用的应用协议，包括远程登录（Telnet）、文件传送协议（FTP）、平常文件传送协议（TFTP）、简单邮件传输协议（SMTP）、域名系统（DNS）、简单网管协议（SNMP）等。

③传输层和网际层的其他协议

●用户数据报协议（UDP）

我们已经知道，TCP提供可靠的端到端通信连接，用于一次传输大批数据的情形（如文件传输、远程登录等），并适用于要求得到响应的应用服务。而UDP提供了无连接通信，且不对传送数据报进行可靠保证，适合于一次传输少量数据（如数据库查询）的场合，其可靠性由其上层应用程序提供。

●网际控制报文协议（ICMP）

作为IP协议的一部分，它能使网际上的主机通过相互发送报文来完成数据流量控制、差错控制和状态测试等功能。

●地址解析协议（ARP）和逆向地址解析协议（RARP）

IP地址实际上是在网际范围内标识主机的一种地址，传输报文时还必须知道目的主机在物理网络中的物理地址（MAC地址），ARP协议的功能是实现IP地址到MAC地址的动态转换，RARP协议可以实现MAC地址到IP地址的转换。

初学者要知道：与Internet完全连接必须安装TCP／IP协议，安装Windows操作系统时可自动安装TCP／IP协议，且每个节点至少需要一个“IP地址”、一个“子网掩码”、一个“默认网关”和一个“DNS服务器IP地址”。可以在“Internet协议（TCP／IP）属性”对话框中手动配置IP地址、子网掩码、默认网关和DNS服务器IP地址。如果本网络内有DHCP（动态主机配置协议）服务器，客户端也可设成自动获取IP地址和自动获取DNS服务器地址。

4.IP地址基础知识

（1）IP地址

为了实现数据的准确传输，除了需要有一套对于传输过程的控制机制以外，还需要在数据包中加入双方的地址，就像我们需要在信封上写上收信人和发信人地址一样。现在的问题是进行数据通信的双方，应该用一种什么样的地址来表示呢？

虽然每块网卡都有一个不同的“MAC”地址，但是“MAC”（Media Access Control）地址只能用在“数据链路层”上通信时使用的数据帧中，而网络层中使用的IP地址和链路层中的MAC地址要由ARP或RARP进行转换。MAC地址是一个用12位的16进制数表示的地址，用户很难直接使用它。我们需要另一种“地址”，这个“地址”既要能简单准确地标明对方的位置，又要能够方便地找到对方，这就是设计IP协议的初衷。

IP地址最初被设计成一种由数字组成的4层结构，就好像我们想要找到一个人的时候，需要有这个人的住址（某省、某市、某区、某街的多少号）一样。在Internet中，有很多网络连接在一起以后形成了很大的网络，每个网络下面还有很多较小的网络，计算机是组成网络的基本元素。所以，IP地址就是用4层数字作为代码，说明是在哪个网络中的哪台计算机。显然，这种定义IP地址的方法十分有效，取得了很大的成功。

①IP地址的定义及表示

IP协议为Internet上的每一个节点（主机）定义了一个唯一的统一规定格式的地址，简称IP地址。每个主机的IP地址由32位（4个字节）组成，通常采用“点分十进制表示方法”表示，每个字节为一部分，中间用点号分隔开来。

例如，32位的二进制地址为：11001010011011000010010100101001。

显然这个地址也难记忆，所以分成四段，每段8位，变成了下面的形式：

11001010 01101100 00100101 00101001

转换成十进制，并用点连起来，就构成了通常人们所使用的IP地址：202.108.37.41。

提醒：每一段的8位二进制数，最小是00000000，换成十进制是0，最大是11111111，换算成十进制是255，也就是说，这四段数字，换算成十进制，每段都在0～255之间变化。

②IP地址的分类

每一个IP地址又可分为网络号和主机号两部分，网络号（Network ID）表示网络规模的大小，用于区分不同的网络，主机号（Host ID）表示网络中主机的地址编号，用于区分同一网络中的不同主机。按照网络规模的大小，IP地址可以分为A，B，C，D，E五类，其中常用的是A，B，C三类地址，D类为组播地址，E类为扩展备用地址。其格式如图4.53所示。

图4.53　IP地址格式

A，B，C三类IP地址的有效范围和保留的IP地址如表4.5所示。

表4.5　IP地址分类范围

③IP 地址中的几种特殊地址

网络地址：主机地址全为0，用于区分不同的网络。

广播地址：主机地址全为1，用于向本网络上的所有主机发送报文。有时不知道本网的网络号，TCP／IP协议规定32位全为1的IP地址用于本网广播。

“0”地址：TCP／IP协议规定，32位全为0的地址被解释成本网络。若有一主机想在本网内通信，但又不知道本网的网络号，就可以用“0”地址。

回送地址：127.*.*.*，用于网络软件测试和本机进程间的通信。如果安装了TCP／IP协议，而未设置IP地址，可用127.0.0.0进行测试。

组播地址：指定一个逻辑组，参与该组的机器可能遍布整个Internet网，主要应用于电视会议等。

④IP地址的获取方法

IP地址由国际组织按级别统一分配，机构用户在申请入网时可以获取相应的IP地址。

（2）子网掩码

仅用IP地址中的第一个数来区分IP地址是哪类地址，对于普通人来说，也是较困难的，而且，还有一个问题，如何让计算机也可以很容易地区分网络号和主机号呢？这个工作最终还是要通过计算机去执行的。解决的办法就是使用“子网掩码”（Subnet Mask）。

子网掩码及其作用：

子网掩码是一个32位的位模式。位模式中为1的位用来定位网络号，为0的位用来定位主机号。其主要的作用是区分网络号和主机号以及划分子网。划分子网将在网络课程详细介绍。A，B，C三类网络默认的子网掩码如下表4.6所示。

表4.6　子网掩码类别

子网掩码区分IP地址中的网络号和主机号的方法：

①将IP地址与子网掩码逻辑与运算，结果即为网络号；

②将子网掩码取反与IP地址逻辑与运算，结果即为主机号。

例如已知一主机的IP地址为192.9.200.13，子网掩码为255.255.255 0。求该主机IP地址的网络号和主机号。

先将IP地址和子网掩码化为二进制数：

192.9.200.13　→11000000 00001001 11001000 00001101

255.255.255.0→11111111 11111111 11111111 00000000

按上述①的方法进行逻辑与（AND）运算为：11000000 00001001 11001000 00000000

即得网络号为192.9.200.0。

按上述②的方法，子网掩码取反为：00000000 00000000 00000000 11111111

再与IP地址进行逻辑与运算为：00000000 00000000 00000000 00001101

即得主机号为：0.0.0.13。

5.接入Internet的方法

下面介绍几种接入Internet的常用技术。

（1）通过ADSL接入Internet

ADSL（Asymmetrical Digital Subscriber Line）中文名称为非对称数字用户线路，它是xDSL（HDSL、SDSL、VDSL、ADSL和RADSL）家族中的一员，是目前应用最广泛的一种宽带接入技术。它利用现有的双绞电话铜线提供独享“非对称速率”的下行速率（从端局到用户）和上行速率（从用户到端局）的通信宽带。ADSL上行速率达到640 kbit／s～1 Mbit／s，下行速率达到6～8 Mbit／s，有效传输距离为3～5 km，从而克服了传统用户在“最后1公里”的瓶颈问题，实现真正意义上的高速接入。

①ADSL的工作原理

传统的电话系统使用的是铜线的低频部分（4 kHz以下频段）。而ADSL采用DMT（离散多音频）技术，将原先电话线路0 Hz～1.1 MHz频段划分成256个频宽为4.3 kHz的子频带。其中，4 kHz以下频段仍用于传送PSTN（传统电话业务），20～138 kHz的频段用来传送上行信号，138 kHz～1.1 MHz的频段用来传送下行信号。

ADSL2 （G 992.5）标准在ADSL2（G 992.3）的基础上进行扩展，将工作频段频谱范围从1.1 MHz扩展至2.2 MHz，相应地，最大子载波数目也由256增加至512个，使用的频谱作了扩展，传输性能比ADSL1／2有明显提高（下行最大传输速率可达25 Mbit／s）。

下面以用户接收信号时的情况为例，介绍ADSL的工作过程（用户发送信号时工作过程与之相反），如图4.54所示。

图4.54　ADSL系统构成详图

首先，Internet发送端用户的网络主机数据经光纤传输到电信局。

其次，在电信局DSLAM访问多路复用器，调制并编码用户数据，然后整合来自普通电话线路的语音信号。

之后，被整合后的语音和数据信号经普通电话线传输到Internet接收网络用户端。

最后，由该用户端的ADSLModern分离出数字信号和语音信号，然后数字信号通过解调和解码后传送到用户的计算机中，而语音信号则传送到电话机上，两者互不干扰。

②ADSL的优缺点

ADSL的优点：

●充分利用现有的电话线，保护了现有的投资。

●传输速率高。其下行速率为2～25 Mbit／s，上行速率为640 kbit／s～1 Mbit／s，可以满足绝大多数用户的带宽需求。

●技术成熟，标准化程度高，ADSL安装、连接简单。

●采用了频分多路复用技术。ADSL数据信号和电话音频信号以频分复用原理调制于各自频段，互不干扰。

●由于每根线路由每个ADSL用户独有，因而带宽也由每个ADSL用户独占，不同ADSL用户之间不会发生带宽的共享，可获得更佳的通信效果。

ADSL的缺点：

●传输距离较近。目前ADSL的传输距离还比较短，通常要求在5 km以内，也就是说用户端到电信公司的ADSL局端距离在5 km以内。

●传输速度不够快。前面提到的ADSL的上行和下行速率都是理论值，实际上要受到许多因素的制约，远不如这个值。仅仅适用于家庭用户和中小型商业用户。

③ADSL通信协议

PPPoE协议，PPPoE（PPPover Ethernet）是在以太网上建立PPP连接，由于以太网技术十分成熟且使用广泛，而PPP协议在传统的拨号上网应用中显示出良好的可扩展性和优质的管理控制机制，二者结合而成的PPPoE协议得到了宽带接入运营商的认可并广为采用。

PPPoE不仅有以太网快速简便的特点，同时还有PPP的强大功能，任何能被PPP封装的协议都可以通过PPPoE传输，此外还有如下特点：

●PPPoE很容易检查到用户下线，可通过一个PPP会话的建立和释放对用户进行基于时长或流量的统计，计费方式灵活方便。

●PPPoE可以提供动态IP地址分配方式，用户无须任何配置，网管维护简单，无须添加设备就可解决IP地址短缺问题，同时根据分配的IP地址，可以很好地定位用户在本网内的活动。

●用户通过免费的PPPoE客户端软件（如EnterNet），输入用户名和密码就可以上网，跟传统的拨号上网差不多，最大程度地延续了用户的习惯，从运营商的角度来看，PPPoE对其现存的网络结构进行变更也很小。

④ADSL接入类型

●单用户ADSLModem直接连接。

●多用户ADSL Modem连接。小型网络用户ADSL路由器直接连接几台计算机；较多用户ADSL路由器连接交换机。

ADSL技术的主要特点是充分利用了现有的电话网络，只需要在线路两端加装ADSL设备，即可为用户提供高速接入Internet服务。

（2）通过宽带Cable接入Internet

为了解决终端用户通过普通电话线入网速率较低的问题，人们一方面通过xDSL技术提高电话线路的传输速率，另一方面尝试利用目前覆盖范围广、最具潜力、有很高带宽的有线电视（CATV）网络。有线电视网络拥有庞大的用户群，同时它可以提供极快的接入速度和相对低的接入费用。目前在全球已形成ADSL和Cable Modem两大主流家庭宽带接入技术。

①HFC简介

光纤同轴电缆混合网（Hybrid Fiber Coaxial，HFC），是以现有的CATV网络为基础，采用光纤接到服务区，而在进入用户的“最后1公里”采用同轴电缆的新型有线电视网，HFC的高带宽为数据提供了传输空间。还有一种更为实用的方式，光纤接到楼宇单元的光纤ADSL Modem，再经光纤Modem接到各户。HFC逻辑连接图如图4.55所示。

图4.55　HFC逻辑连接图

在HFC网络中，前端设备通过路由器与数据网相连，并通过局用数据端机与公用电话网（PSTN）相连。有线电视台的电视信号、公用电话网的话音信号和数据网的数据信号送入合路器形成混合信号后，通过光缆线路送至各个小区节点，再经过同轴分配网络送至用户本地综合服务单元，或经光纤ADSLModem接到各户。

②Cable Modem的种类

●从传输方式的角度，可分为双向对称式传输和非对称式传输。对称式传输速率为2～4 Mbit／s、最高能达到10 Mbit／s。非对称式传输下行速率为36 Mbit／s，上行速率为500 kbit／s～10 Mbit／s。

●从接口角度分，可分为外置式、内置式、通用串行总线USB式和交互式机顶盒。

③HFC接入的主要特点

●Cable Modem是通过有线电视网来接入互联网的宽带接入设备，需要有线电视电缆。

●Cable Modem是集Modem、调谐器、加／解密设备、桥接器、网络接口卡、虚拟专网代理和以太网交换机的功能于一身的专用设备。

●始终在线连接，用户不用拨号，打开电脑即可与互联网连接。

●Cable Modem的传输距离可达100 km以上。Cable Modem的连接速度高。

●Cable Modem采用总线型的网络结构，是一种带宽共享方式上网，具有一定的广播风暴风险。

●服务内容丰富，不仅可以连接互联网，而且可以直接连接到有线电视网上的丰富内容，如在线电影、在线游戏、视频点播等。

通过Cable Modem上网，网络连接稳定，速率较快，与电话拨号占用电话线路、常掉线、速率慢等相比具有明显的优势。

（3）通过光纤接入Internet

用xDSL和Cable Modem虽然在一定程度上拓宽了接入带宽，但是它们都先天不足，有很大的局限性。

真正解决宽带接入的是FTTx（光纤到小区、到楼、到家等），随着城域网的快速发展和市场需求的驱动，FTTx已成为接入网市场的热点，企事业单位、住宅社区、网吧等单位和场所纷纷采用FTTx LAN的互联网接入方式。

光纤接入技术是指从网络服务提供商处租用光纤接入到单位的内部，中间全部或部分使用光纤传输介质，实现高速稳定的Internet接入。光纤网络传输带宽一般在50 Mbit／s以上。

使用光纤传输信息，一般在传送两端各使用一个光接收器，安装在交换机或者路由器设备上，更多的是交换机或路由器带光纤模块接口，发送方的光模块负责将数据转换为光信号，发送到光纤上，接收方的光模块负责接收光信号，并将光信号还原为数据。

光以太网接入技术适用于已做好综合布线及系统集成的小区住宅与商务楼宇等对象，需要的主要网络设备包括交换机、超五类线等。由于原来的局域网技术相通，所有光纤以太网接入方式不需要重布线。

光纤以太网接入的特点：

●可靠性好、安全性高、扩展性强。

●网络结构简单，可以和现有网络无缝连接。

●采用波分复用技术，具备高接入带宽（1～10 Gbit／s）。

●接入距离长、维护管理方便等。

（4）通过代理服务器接入Internet

家庭网络、办公网络等，绝大多数都要联上互联网。由于上网费用、通信线路资源有限、IPv4网络地址资源有限、网络安全等原因，同一局域网中的用户一般都要共享同一账号、同一线路、同一IP地址等接入互联网。

共享上网的方式很多，主要分为代理服务器和路由器接入互联网两种。

代理服务器（Proxy Server）是建立在TCP／IP协议应用层上的一种服务软件。把局域网内的所有需要访问网络的需求，统一提交给局域网出口的代理服务器，由代理服务器与Internet上的ISP设备联系，然后将信息传递给提出需求的设备。

①代理服务器的主要功能

●共享上网：代理服务器是局域网与外部网络连接的出口，起到网关的作用。

●作为防火墙：代理服务器可以保护局域网的安全，起到了防火墙的作用。

●提高访问速度：代理服务器将远程服务器提供的数据保存在自己的缓存中，可供多个用户共享，可以节约带宽、提高访问速度。

②代理服务器工作过程

使用代理服务器浏览WWW网络信息，IE浏览不是直接到Web服务器去取回网页，而是向代理服务器发出请求，由代理服务器取回IE浏览器所需要的信息，再反馈给申请信息的计算机。

由于代理服务器是介于计算机和网络服务器之间的一台中间设备，需要满足局域网内部所有计算机访问Internet服务的请求，因此大部分代理服务器都是一台高性能的计算机，具有高速运转的CPU（甚至是双CPU或四CPU）；具有高速缓冲存储器（Cache），Cache容量也较大，存放最近从Internet上取回的信息，不重新从网络服务器上取数据，而直接将Cache上的数据传送给用户的浏览器，这样就能显著提高浏览速度和效率，如图4.56所示。

图4.56　代理服务器（添加了Cache）工作过程

③代理服务器软件种类

第1种代理服务器软件是操作系统自带的。Windows操作系统自带有Internet连接共享（ICS，Internet Connection Sharing）软件。

第2种是第3方代理服务器软件。第3方代理服务器软件又分为两类，一种是通常意义上的代理服务器软件，如Wingate、Winproxy等。另一种是网关代理软件，该方式在代理服务器上设置一个软网关，利用软网关来完成上网数据的转换和中继的任务，而客户机通过这个网关上网，如Sygate、WinRoute等。

案例分析

小型家庭网络接入Internet

张先生家里添置了三台计算机（两台台式机和一台笔记本电脑）和一台打印机，要将三台计算机互连，组成简单的对等网络环境，可以共享打印机、刻录机以及程序文件等，三台还可以同时上Internet。张先生家有电话线。

（1）张先生家连网的主要应用需求

①证券交易、财经资讯、网上购物等。

②张先生是高职学院的老师，要进行多媒体课件制作、课表查询、录入成绩、网上辅导答疑、技术咨询、技术合作、学术交流等。

③图书查询、检索、在线阅读等。

④家庭办公和娱乐。

（2）方案设计与实施

①采用快速以太网100BASE-T，并以星型结构连网，如图4.57所示的逻辑拓扑图，一个ADSLModem（电信部门提供），一端接电话线一端接无线宽带路由器；无线宽带路由器有有线和无线两种连接，一台PC用有线连接，另两台用无线连接，打印机连接在PC2上，可实现共享。

图4.57　逻辑拓扑图

②要安装ADSL，需要到当地网络运营商（即用户电话运营商）申请ADSL业务。ADSL目前提供两种接入方式：专线方式与虚拟拨号方式，可选择2，4，8，16，25 Mbit／s等不同的接入速率，速率根据用户的通信数据量来确定。专线方式即用户24小时在线，网络运营商为用户提供静态IP地址，可将用户局域网接入，主要面对中小型公司用户和网吧用户，价格较贵。虚拟拨号方式主要面对上网时间短、数据量不大的用户，如个人用户及小型公司等，但与传统拨号不同，这里的“虚拟拨号”是指根据用户名与口令认证，接入相应的网络，并没有真正的拨电话号码，费用也与电话服务无关，这种方式价格较便宜。

③无线宽带路由器是一种硬件和软件充分结合的共享上网方式，该类设备通常除具有共享上网的功能外，还具有Hub的功能。它们通过内置的硬件芯片来完成互联网和局域网之间数据包的交换管理，实质也就是在芯片中固化了共享上网软件，当然，功能强大的大型路由器不在此列。由于是硬件工作，不依赖于操作系统，因此该种方式的稳定性较好，但是可更新性比软件稍差，并且需要另外购买共享上网路由器。

通常“硬件共享上网”也有两种方式：一种是通过ADSL调制解调器的路由功能共享上网；另一种是通过SOHO宽带路由器共享上网，本例属于后者。

④IP地址的获取：宽带路由器固化了DHCP软件，可以给主机自动分配IP地址，一般IP地址为192.168.1 0／24这个私有网段。宽带路由器与外网连接的IP地址的设置请读者参见宽带路由器的说明书，是不难完成的，只是外网连接的IP地址等由网络服务提供商提供。

小知识

ADSL网速计算

运营商产品介绍里提及的宽带网速，指的是用户端Modem至电信宽带接入设备（DSLAM）之间的物理接口速率。计算机中存取数据的单位是“字节”，即byte（大写B），而数据通信是以“字位”作为单位，即bit，两者之间的关系是1B= 8 bit。电信业务中提到的网速为1 M、2 M等是以数据通信的字位作为单位计算的。所以计算机软件显示的下载速度为200 kB／s时，1实际线路连接速率不小于1.6 Mbit，网速参考公式：带宽×1 000÷8，单位：kB／s，例如：1 Mbit／s= 125 kB／s，2 Mbit／s= 250 kB／s，3 Mbit／s= 375 kB／s，4 Mbit／s= 500 kB／s，以此类推。

互联网的网络带宽是动态变化的，它的实时带宽主要取决于：运营商骨干出口带宽；运营商提供给客户的接入带宽；客户所访问的内容提供商的带宽；线路和设备衰耗；同时在线的人数；用户自建局域网等多个要素。

6.无线宽带网络技术

除了有线网络之外，还有各种不需要线缆即可在主机之间传输信息的技术，即无线技术。

（1）无线宽带网络概述

无线技术使用电磁波在设备之间传送信息。电磁波是通过空间传送无线电信号的一种介质。

传统宽带网络定义：带宽超过1.54 Mbit／s（T1网络带宽）的网络可称为宽带网络。

根据采用不同技术和协议的无线连接的传输范围，可以将无线网络分为4类（见图4.58），即：

●UWB：超宽带无线个域网

●Wi-Fi：无线局域网

●WiMAX：无线城域网

●3 G或4 G：无线广域网

与传统的有线网络相比，无线技术具有诸多优点。其主要优点之一就是能够随时随地进行连接。广泛分布在公共场合当中的无线接入点（称为热点），使人们能够轻松连接到Internet，下载信息和收发电子邮件与文件。

无线技术的安装非常简单经济，而且家庭和企业无线设备的价格也在不断下降。随着设备价格的下降，其数据速率和功能却在提高，并能支持更快、更可靠的无线连接。

由于不受电缆连接的限制，网络可以利用无线技术轻易地扩展。新用户和来访者可以快速而轻松地加入网络。

无线技术非常灵活，有很多优点，但也有一定的局限性（干扰）和风险（安全）。

图4.58　无线网络分类

（2）Wi-Fi：无线局域网

①无线局域网标准

为确保无线设备之间能互相通信，已经产生了许多标准。这些标准规定了使用的RF频谱、数据速率、信息传输方式等。负责创建无线技术标准的主要组织是IEEE。IEEE 802.11标准用于管理WLAN环境。目前可用的附录有802.11a、802.11b、802.11g和802.11n。这些技术统称为无线保真（Wireless Fidelity，Wi-Fi）。表4.7简要地比较了当前的WLAN标准及其使用的技术。

表4.7　WLAN标准及其技术特征

②无线网络硬件设备

采用某种标准后，WLAN中的所有组件都必须遵循该标准或与该标准兼容。需要考虑的组件主要包括无线客户端、接入点、无线网桥和天线，如图4.59所示。

图4.59　无线网络组件

无线客户端也被称为STA。STA是无线网络中任何可编址的主机，如笔记本电脑或PDA。和以太网一样，无线网卡也使用MAC地址来标识终端设备。客户端软件运行在STA中，让STA能够连接到无线网络。无线STA可以是固定的，也可以是移动的。

接入点（AP）是将无线网络和有线LAN相连的设备。大多数家庭和小型企业环境都使用多功能设备，设备包含AP、交换机和路由器等的功能，通常被称为无线路由器。这种设备充当传统的网桥，将帧在无线网络使用的802.11格式和以太网使用的802.3格式之间转换。AP还跟踪所有关联的无线客户端，并负责传输前往或来自无线客户端的帧。

无线网桥用于提供远距离的点到点或点到多点连接，它们很少用于连接STA，而使用无线技术将两个有线LAN网段连接起来。使用无须许可的RF频率时，桥接技术可连接相隔40 km甚至更远的网络。

天线用于AP、STA和无线网桥中，根据发射信号的方式可将天线分为定向和全向天线。定向天线将信号强度集中到一个方向发射，可实现远距离传输，如常用于实现点到点桥接，即将两个相隔遥远的场点连接起来。而全向天线则朝所有方向均匀发射信号，如AP通常使用全向天线，以便在较大的区域内提供连接性。

③无线局域网介质访问控制规范

在WLAN中，由于没有清晰的边界定义，因而无法检测到传输过程中是否发生冲突。因此，必须在无线网络中使用可避免发生冲突的访问方法。

无线技术使用的访问方法称为“载波侦听多路访问／冲突避免”（Carrier Sense Multiple Accesswith Collision Avoidance，CSMA／CA）。CSMA／CA可以预约供特定通信使用的通道。在预约之后，其他设备就无法使用该通道传输，从而避免冲突。

这种预约过程是如何运作的呢？如果一台设备需要使用BSS中的特定通信通道，就必须向AP申请权限，这称为“请求发送”（Request to Send，RTS）。如果通道可用，AP将使用“允许发送”（Clear to Send，CTS）报文响应该设备，表示设备可以使用该通道传输。CTS将广播到BSS中的所有设备，所有设备就会知道该通道正在使用中。

通信完成之后，请求该通道的设备将给AP发送另一条消息，称为“确认”（Acknowledgement，ACK）。ACK告知AP可以释放该通道。此消息也会广播到WLAN中的所有设备，所有设备就知道该通道重新可用。

④无线网络的组网模式

WLAN有两种基本形式：对等模式和基础架构模式。

●对等模式

最简单的无线网络是以对等方式将多个无线客户端连接在一起。以这种方式组建的无线网络被称为对等网络，其中没有AP。对等网络中的所有客户端都是平等的，如图4.60所示。这种网络覆盖的区域称为独立基本服务集（IBSS）。简单的对等网络可用于在设备之间交换文件和信息，而免除了购买和配置AP的成本和麻烦。

●基础架构模式

对等模式适用于小型网络，但大型网络需要一台设备来控制无线蜂窝中的通信。如果存在AP，AP将承担角色，负责控制可通信的用户及通信时间。当AP负责控制蜂窝内的通信时，被称为基础架构模式，它是家庭和企业环境中最常用的无线通信模式，如图4.61所示。在这种WLAN中，STA之间不能直接通信。要进行通信，每台设备都必须获得AP的许可。AP控制所有通信，确保所有STA都能平等地访问媒体。单个AP覆盖的区域称为基本服务集（BSS）或蜂窝。

图4.60　独立基本服务集

图4.61　基本服务集

BSS是最小的WLAN组成部分。由于单个AP覆盖的区域有限，经常将多个BSS连接起来构成一个扩展服务集（ESS）。ESS由多个通过分布系统连接在一起的BSS组成。ESS使用多个AP，其中每个AP都位于一个独立的BSS中，如图4.62所示。虽然包含独立的BSS，但整个ESS使用的服务集标识符（SSID）相同。

图4.62　扩展服务集

⑤服务区域认证ID（SSID）

服务集标识符（SSID）用于标识无线设备所属的WLAN以及能与其相互通信的设备。无论是哪种类型的WLAN，同一个WLAN中的所有设备必须使用相同的SSID配置才能进行通信。

在构建无线网络时，需要将无线组件连接到适当的WLAN，这可以通过使用SSID来选择适当的WLAN。

SSID是一个区分大小写的字母数字字符串，最多可以包含32个字符。它包含在所有帧的报头中，并通过WLAN传输。

（3）WiMAX：无线城域网

①WiMAX概述

WiMAX（Worldwide Interoperability for Microwave Access）旨在为广阔区域内的无线网络用户提供高速无线数据传输业务，视线覆盖范围可达112.6 km，非视线覆盖范围可达40 km，带宽70 Mbit／s，WiMAX技术的带宽足以取代传统的T1型和xDSL型有线连接为企业或家庭提供互联网接入业务，可取代部分互联网有线骨干网络提供更人性化、多样化的服务。与之对应的是一系列IEEE 802.16协议。

802.16协议的发展及对比如表4.8所示。

②WiMAX架构

架构与802.11基站模式类似。

基站以点对多点连接为用户提供服务，这段被称为“最后1公里”。

基站之间或与上层网络以点对点连接（光纤、电缆、微波）相连，称为“回程”，如图4.63所示。

③频段

●10～66 GHz（适合视线传输，作为回程连接载波）。

●2～11 GHz（适合非视线传输，用于“最后1公里”传输）。

表4.8　802　16协议对比

图4.63　WiMAX架构

④WiMAX介质访问控制协议

WiMAX介质访问控制包含了全双工信道传输、点到多点传输的可扩展性以及对QoS的支持等特征。

●全双工信道利用WiMAX的宽频特性提供更高效的宽带服务。

●可扩展性指单个WiMAX基站可为多个用户同时提供服务。

●QoS是针对不同用户的不同需求提供更优质的数据流服务。

无线宽带技术可为家庭、校园／企业、城市甚至全球范围内的用户提供泛在的互联互通。物联网所需的更广泛地互联互通势必缺少不了无线宽带的支持。

7.中国的“三网融合”

三网融合是指电信网、计算机网和有线电视网三大网络通过技术改造，能够提供包括语音、数据、图像等综合多媒体的通信业务。三网融合是一种广义的、社会化的说法，在现阶段它并不意味着电信网、计算机网和有线电视网三大网络的物理合一，而主要是指高层业务应用的融合。其表现为技术上趋向一致，网络层上可以实现互联互通，形成无缝覆盖，业务层上互相渗透和交叉，应用层上趋向使用统一的IP协议，在经营上互相竞争、互相合作，朝着向人类提供多样化、多媒体化、个性化服务的同一目标逐渐交汇在一起，行业管制和政策方面也逐渐趋向统一。

关于计算机网络的更多知识，会在后续课程中继续学习。主要涉及局域网技术、因特网技术、接入因特网、使用WWW、电子邮件、FTP以及资源共享、网络安全、网站建立等知识。

4.2.2　短距离无线通信技术

短距离无线通信采用的主要协议有蓝牙（802.15.1协议）、紫蜂ZigBee（802.15.4协议）、红外及近距离无线通信NFC等。

1.蓝牙技术

（1）蓝牙技术的起源

1998年5月，爱立信、诺基亚、东芝、IBM和英特尔公司五家著名厂商，在联合开展短程无线通信技术的标准化活动时提出了蓝牙技术，其宗旨是提供一种短距离、低成本的无线传输应用技术。蓝牙的名字来源于10世纪丹麦国王Harold Bluetooth（因为他十分喜欢吃蓝梅，所以牙齿每天都带着蓝色），他将当时的瑞典、芬兰与丹麦统一起来。用他的名字来命名这种新的技术标准，含有将四分五裂的局面统一起来的意思。

（2）蓝牙技术的特点

●一种支持设备短距离通信（一般10 m内）的无线通信技术。

●采用分散式网络结构，支持点对点及点对多点通信。

●工作在全球通用的2.4 GHz ISM（即工业、科学、医学）频段。

●通信速率为1 Mbit／s。

●采用时分双工传输方案实现全双工传输。

●采用802.15.1协议。

（3）蓝牙技术应用

利用蓝牙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Internet之间的通信，从而使数据传输变得更加迅速高效，为无线通信拓宽道路。

（4）蓝牙匹配规则

两个蓝牙设备在进行通讯前，必须将其匹配在一起，以保证其中一个设备发出的数据信息只会被经过允许的另一个设备所接受。蓝牙技术将设备分为两种：主设备和从设备。

①蓝牙主设备

主设备一般具有输入端。在进行蓝牙匹配操作时，用户通过输入端输入随机的匹配密码来将两个设备匹配。蓝牙手机、安装有蓝牙模块的PC等都是主设备。例如，蓝牙手机和蓝牙PC进行匹配时，用户可在蓝牙手机上任意输入一组数字，然后在蓝牙PC上输入相同的一组数字，以此来完成这两个设备之间的匹配。

②蓝牙从设备

从设备一般不具备输入端。因此在从设备出厂时，在其蓝牙芯片中，固化有一个4位或6位数字的匹配密码。蓝牙耳机、UD数码笔等都是从设备。例如，蓝牙PC与UD数码笔匹配时，用户将UD笔上的蓝牙匹配密码正确地输入到蓝牙PC上，完成UD笔与蓝牙PC之间的匹配。

主设备与主设备之间、主设备与从设备之间，是可以互相匹配在一起的，而从设备与从设备是无法匹配的。例如，蓝牙PC与蓝牙手机可以匹配在一起；蓝牙PC也可以与UD笔匹配在一起；而UD笔与UD笔之间是不能匹配的。

一个主设备，可匹配一个或多个其他设备。例如，一部蓝牙手机，一般只能匹配7个蓝牙设备；而一台蓝牙PC，可匹配十多个或数十个蓝牙设备。在同一时间，蓝牙设备之间仅支持点对点通讯。

2.紫蜂ZigBee技术

（1）ZigBee技术来源

ZigBee这个名字来源于蜂群的通信方式，蜜蜂之间通过跳ZigBee形状的舞蹈来交互消息，以便共享食物源的方向、位置和距离等信息。借此意义将ZigBee作为新一代无线通讯技术的名称。

ZigBee联盟成立于2002年8月，由英国Invensys公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦半导体公司组成，如今已经吸引了上百家芯片公司、无线设备公司和开发商的加入。联盟是一个高速成长的非盈利业界组织。联盟制定了基于IEEE802.15.4，具有高可靠、高性价比、低功耗的网络应用规格。

（2）802.15.4／ZigBee协议的结构

802.15.4／ZigBee是无线传感网领域最为著名的无线通信协议，协议的结构如图4.64所示。ZigBee主要定义了网络层、传输层以及之上的应用层的规范；802.15.4主要定义了短距离通信的物理层以及链路层的规范。

图4.64　802.15.4／ZigBee协议的结构

（3）ZigBee技术的特点

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讯技术。主要用于距离短、功耗低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周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据的传输。其具有以下技术特点：

●紫蜂是一种无线连接，可工作在2.4 GHz（全球流行）、868 MHz（欧洲流行）和915 MHz（美国流行）3个频段上，分别具有最高250 kbit／s，20 kbit／s和40 kbit／s的传输速率。

●紫蜂是一种高可靠的无线数传网络，类似于CDMA和GSM网络。ZigBee数传模块类似于移动网络基站。

●通讯距离从标准的75 m到几百米、几千米，并且支持无限扩展。

●ZigBee是一个由可多到65 000个无线数传模块组成的无线网络平台，在整个网络范围内，每一个网络模块之间可以相互通信，每个网络节点间的距离可以从标准的75m无限扩展。

●与移动通信的CDMA网或GSM网不同的是，紫蜂网络主要是为工业现场自动化控制数据传输而建立，因而，它必须具有简单、使用方便、工作可靠、价格低的特点。

●移动通信网主要是为语音通信而建立，每个基站价值一般都在百万元人民币以上，而每个紫蜂网络“基站”却不到1 000元人民币。

（4）ZigBee的应用

①工业控制

工业控制现场存在布线困难，为了解决这一问题，无线通信技术被应用到工业生产现场，如图4.65为石油工业中ZigBee的应用，通过ZigBee网络将生产信息传送到因特网，监控中心就能获取计量站、管道、油井的相关信息。

图4.65　石油工业中的应用

②智能农业

在农业领域，由于应用传感器的范围较广，各种环境监测传感器如果以有线方式进行连接的话，连线复杂，更改困难，为了实现温室加热的智能控制，如图4.66所示，采用Zig-Bee网络获取传感器信息，控制自动加热和自动灌溉系统，满足农作物生长的需要。

图4.66　智能农业的应用

③智能交通

智能交通领域应用ZigBee无线通信技术，可以减少布线，而且更加灵活。如图4.67所示，交通灯控制节点、流量监测节点以无线方式和控制中心通信，控制中心可以根据流量，实时调整交通灯时间。

图4.67　智能交通中的应用

ZigBee的其他知识（包含ZigBee协议、网络拓扑结构、网络配置和组网技术）将在后续课程《无线传感网络技术》中具体学习。

3.红外通信技术

（1）红外通信技术概述

红外通信技术使用一种点对点的数据传输协议，是传统的设备之间连接线缆的替代。它是目前在世界范围内被广泛使用的一种无线连接技术，通过数据电脉冲和红外光脉冲之间的相互转换实现无线的数据收发。

红外通信技术具有以下特点：

●通讯距离一般在0～1 m，传输速率最快可达16 Mbit／s，通讯介质为波长900 nm左右的近红外线。

●小角度（30°锥角以内），短距离，点对点直线数据传输，保密性强。

●传输速率较高，目前4 M速率的FIR技术已被广泛使用，16 M速率的VFIR技术已经发布。

（2）IrDA红外通信标准

IrDA是红外数据组织（Infrared Data Association）的简称，IrDA红外连接技术就是由该组织提出的。在红外通信技术发展早期，存在好几个红外通信标准，不同标准之间的红外设备不能进行红外通信。

为了使各种红外设备能够互联互通，1993年，由二十多个大厂商发起成立了红外数据协会（IrDA），统一了红外通信的标准，这就是目前被广泛使用的IrDA红外数据通信协议及规范。

IrDA的主要优点是无需申请频率的使用权，因而红外通信成本低廉，并且还具有移动通信所需的体积小、功耗低、连接方便、简单易用的特点。此外，红外线发射角度较小，传输上安全性高。

IrDA的不足在于它是一种视距传输，两个相互通信的设备之间必须对准，中间不能被其他物体阻隔，因而该技术只能用于2台（非多台）设备之间的连接。而蓝牙就没有此限制，且不受墙壁的阻隔。

4.近距离通信（NFC）技术

（1）NFC技术概述

近距离通信（Near Field Communication，NFC）是一种短距离的高频无线通信技术，允许电子设备之间进行非接触式点对点数据传输（在10 cm内）交换数据。此技术由免接触式射频识别（RFID）演变而来，并向下兼容RFID，最早由Philips、Nokia和Sony主推，它能快速自动地建立无线网络，为蜂窝设备、蓝牙设备、Wi-Fi设备提供一个“虚拟连接”，使电子设备可以在短距离范围进行通讯。NFC最初仅仅是遥控识别和网络技术的合并，但现在已发展成无线连接技术。

NFC技术具有以下特点：

●NFC是一个开放接口平台，可以对无线网络进行快速、主动设置，也是虚拟连接器，服务于现有蜂窝状网络、蓝牙和无线802.11设备。

●NFC采用了和RFID不同的双向识别和连接。在20 cm距离内工作于13.56 MHz频率范围。

NFC将非接触读卡器、非接触卡和点对点（Peer-to-Peer）功能整合进一块单芯片，为消费者的生活方式开创了不计其数的全新机遇。

（2）NFC技术的原理

NFC的设备可以在主动或被动模式下交换数据。在被动模式下，启动NFC通信的设备，也称为NFC发起设备（主设备），在整个通信过程中提供射频场。它可以选择106，212，424 kbit／s中的一种传输速度，将数据发送到另一台设备。另一台设备称为NFC目标设备（从设备），不必产生射频场，而使用负载调制（Load Modulation）技术，即可以用相同的速度将数据传回发起设备。

移动设备主要以被动模式操作，可以大幅降低功耗，并延长电池寿命。电池电量较低的设备可以要求以被动模式充当目标设备，而不是发起设备。其工作原理如图4.68所示。

图4.68　NFC被动通信模式

在主动模式下，每台设备要向另一台设备发送数据时，都必须产生自己的射频场。这是对等网络通信的标准模式，可以获得非常快速的连接设置。其工作原理如图4.69所示。

图4.69　NFC主动通信模式

（3）NFC技术的优势

●NFC具有距离近、带宽高、能耗低等特点。

●NFC与现有非接触智能卡技术兼容。

●NFC是一种近距离连接协议。

●NFC是一种近距离的私密通信方式。

●NFC在门禁、公交、手机支付等领域内发挥着巨大的作用。

●NFC还优于红外和蓝牙传输方式。

●NFC技术支持多种应用，包括移动支付与交易、对等式通信及移动中信息访问等。

NFC设备可以用作非接触式智能卡、智能卡的读写器终端以及设备对设备的数据传输链路，其应用主要可分为以下4个基本类型：用于付款和购票、用于电子票证、用于智能媒体以及用于交换、传输数据。

5.Wireless HART

（1）HART简介

HART（Highway Addressable Remote Transducer）是可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议，是一种用于现场智能仪表和控制室设备之间的通信协议。HART装置提供具有相对低的带宽，适度响应时间的通信，经过十多年的发展，HART技术在国外已经十分成熟，并已成为全球智能仪表的工业标准。

HART协议采用FSK频移键控信号，在低频的4～20 mA模拟信号上叠加幅度为0 5 mA的音频数字信号进行双向数字通讯，数据传输速率为1.2 Mbit／s。

HART通信采用的是半双工的通信方式，其特点是在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信，属于模拟系统向数字系统转变过程中的过渡性产品。

HART采用统一的设备描述语言DDL。

（2）Wireless HART简介

Wireless HART是第一个开放式的可互操作无线通信标准，用于满足流程工业对于实时工厂应用中可靠、稳定和安全的无线通信的关键需求。每个Wireless HART网络包括三个主要组成部分：

●连接到过程或工厂设备的无线现场设备。

●使这些设备与连接到高速背板的主机应用程序或其他现有厂级通信网络能通信的网关。

●负责配置网络、调度设备间通信、管理报文路由和监视网络健康的网管软件。网管软件能和网关、主机应用程序或过程自动化控制器集成到一起。

网络使用兼容运行在2.4 GHz工业、科学和医药（ISM）频段上的无线电IEEE802.15.4标准。无线电采用直接序列扩频（DSSS）、通信安全与可靠的信道跳频、时分多址（TDMA）同步、网络上设备间延控通信（Latency-controlled Communications）技术。

6.6LowPAN

（1）无线个域网（WPAN）简介

无线个域网是在个人周围空间形成的无线网络，现通常指覆盖范围在半径10 m以内的短距离无线网络，尤其是指能在便携式消费者电器和通信设备之间进行短距离特别连接的自组织网。

WPAN被定位于短距离无线通信技术，但根据不同的应用场合又分为高速WPAN （HR-WPAN）和低速WPAN（LR-WPAN）两种。

①高速WPAN（HR-WPAN）

发展高速WPAN是为了连接下一代便携式消费者电器和通信设备，支持各种高速率的多媒体应用，包括高质量声像配送、多兆字节音乐和图像文档传送等。这些多媒体设备之间的对等连接要提供20 Mbit／s以上的数据速率以及在确保的带宽内提供一定的服务质量（QoS）。高速率WPAN在宽带无线移动通信网络中占有一席之地。

②低速WPAN（LR-WPAN）

发展低速WPAN是因为在日常生活中并不是都需要高速应用。在家庭、工厂与仓库自动化控制、安全监视、保健监视、环境监视、军事行动、消防指挥、货单自动更新、库存实时跟踪以及在游戏和互动式玩具等方面都可以开展许多低速应用。

（2）6LowPan简介

6LowPAN是“IPv6 over Low powerWireless Personal Area Networks”（低功率无线个域网上的IPv6）的缩写，为低速无线个域网标准。

6LowPan技术底层采用IEEE 802.15.4规定的PHY层和MAC层，网络层采用IPv6协议。随着LR-WPAN的飞速发展及下一代互联网技术的日益普及，6LowPan技术将广泛应用于智能家居、环境监测等多个领域。例如，在智能家居中，可将6LowPan节点嵌入到家具和家电中。通过无线网络与因特网互联，实现智能家居环境的管理。

4.2.3　长距离移动通信技术

移动通信（Mobile Communication）是指通信双方或至少有一方处于运动中并同时进行信息传输和交换的通信方式。移动体可以是人，也可以是汽车、火车、轮船等在移动状态中的物体。

1.移动通信系统组成

移动通信系统包括无绳电话、无线寻呼、陆地蜂窝移动通信、卫星移动通信等。移动体之间通信联系的传输手段只能依靠无线电通信，因此，无线通信是移动通信的基础。

移动通信包括无线传输、有线传输、信息的收集、处理和存储等，使用的主要设备有无线收发信机、移动交换控制设备和移动终端设备。

如图4.70所示，移动通信无线服务区由许多正六边形小区覆盖而成，呈蜂窝状，通过接口与公众通信网（PSTN、ISDN、PDN）互联。

移动通信系统包括移动交换子系统（SS）、操作维护管理子系统（OMS）、基站子系统（BSS）和移动台（MS），是一个完整的信息传输实体。

移动通信中建立一个呼叫是由BSS和SS共同完成的。BSS提供并管理MS和SS之间的无线传输通道，SS负责呼叫控制功能，所有的呼叫都是经由SS建立连接的，OMS负责管理控制整个移动网。

图4.70　移动通信系统的组成

MS也是一个子系统。它实际上是由移动终端设备和用户数据两部分组成的，移动终端设备称为移动设备，用户数据存放在一个与移动设备可分离的数据模块中，此数据模块称为用户识别卡（SIM）。

2.移动通信的工作频段

早期的移动通信主要使用VHF和UHF频段。目前，大容量移动通信系统均使用800 MHz频段（CDMA），900 MHz频段（GSM），并开始使用1 800 MHz频段（GSM 1800），该频段用于微蜂窝（Microcell）系统。第三代移动通信使用2.4 GHz频段。

3.移动通信的工作方式

从传输方式的角度来看，无线通信分为单向传输（广播式）和双向传输（应答式）。单向传输只用于无线寻呼系统。双向传输则有单工、双工和半双工3种工作方式。

单工通信是指通信双方电台交替地进行收信和发信，根据收、发频率的异同，又可分为同频单工和异频单工，如图4.71所示。

半双工通信的组成与双工通信相似，移动台采用类似单工的“按讲”方式，即按下按讲开关，发射机才工作，而接收机总是工作的。

双工通信是指通信双方电台同时进行收信和发信，如图4.72所示。

4.移动通信组网

移动通信采用无线蜂窝式小区覆盖和小功率发射的模式。蜂窝式组网放弃了点对点传输和广播覆盖模式，把整个服务区域划分成若干个较小的区域（Cell，在蜂窝系统中称为小区），各小区均用小功率的发射机（即基站发射机）进行覆盖，许多小区像蜂窝一样能布满（即覆盖）任意形状的服务地区，如图4.73所示。

图4.71　单工通信

图4.72　双工通信

图4.73　蜂窝移动通信小区覆盖

（1）第一代移动通信技术（1G）

改进型移动电话系统（Improved Mobile Telephone Service，IMTS）是美国贝尔实验室于1965年在MTS的基础上所发展的汽车公用无线电话。

1982年，为了解决大区制容量饱和的问题，美国贝尔实验室发明了高级移动电话系统AMPS。AMPS提出了“小区制”“蜂窝单元”的概念，同时采用频率复用（Frequency Division Multiplexing，FDM）技术，解决了公用移动通信系统所需要的大容量与频谱资源限制的矛盾，主要实现模拟语音通信。

在100 km范围之内，IMTS每个频率上只允许一个电话呼叫；AMPS以允许100个10 km的蜂窝单元，保证每个频率上有10～15个电话呼叫。

（2）第二代移动通信技术（2G）

以GSM制式和CDMA为主。它们都是数字制式的，除了可以进行语音通信以外，还可以收发短信（短消息、SMS）、MMS（彩信、多媒体短信）、无线应用协议（WAP）等。在中国内地及台湾以GSM最为普及，CDMA和小灵通（PHS）手机也很流行。

GSM移动通信（900／1 800 MHz），GSM工作在900／1 800 MHz频段，无线接口采用TDMA技术，核心网移动性管理协议采用MAP协议。

CDMA移动通信（800 MHz），CDMA工作在800 MHz频段，核心网移动性管理协议采用IS 41协议，无线接口采用窄带码分多址（CDMA）技术。CDMA在蜂窝移动通信网络中的应用容量在理论上可以达到AMPS容量的20倍。CDMA可以同时区分并分离多个同时传输的信号。CDMA有以下特点：抗干扰性好、抗多径衰落、保密安全性高、容量质量之间可以权衡取舍、同频率可在多个小区内重复使用。

（3）第三代移动通信技术（3G）

第三代移动通信技术（3rd-generation，3G），是指支持高速数据传输的蜂窝移动通讯技术。3G技术发展历程如图4.74所示。

图4.74　3G技术发展历程

3G服务能够同时传送声音及数据信息，速率一般在几百kbit／s以上。第三代移动通信（3G）可以提供所有2G的信息业务，同时保证更快的速度，以及更全面的业务内容，如移动办公、视频流服务等。

3G的主要特征是可提供移动宽带多媒体业务，包括高速移动环境下支持144 kbit／s速率，步行和慢速移动环境下支持384 kbit／s数据传输速率，室内环境则应达到2 Mbit／s的数据传输速率，同时保证可靠的服务质量。

人们发现从2G直接跳跃到3G存在较大的难度，于是出现了一个2.5G（也有人称后期2.5G为2 75G）的过渡阶段。

目前我国主要采用TD-SCDMA，W-CDMA和CDMA2000三种3G标准，关于三种标准的内容见表4.9。关于3种标准的详细内容将在后续课程中进行学习。

表4.9　3种3G标准主要技术对比表

（4）第四代移动通信技术（4G）

4G是第四代移动通信及其技术的简称，是集3G与WLAN于一体并能够传输高质量视频图像以及图像传输质量与高清晰度电视不相上下的技术产品。4G系统能够以100 Mbit／s的速度下载，比拨号上网快2 000倍，上传的速度也能达到20 Mbit／s。而在用户最为关注的价格方面，4G与固定宽带网络不相上下。此外，4G可以在DSL和有线电视调制解调器没有覆盖的地方部署，然后再扩展到整个地区。

4G移动系统网络结构可分为三层：物理网络层、中间环境层、应用网络层。

第四代移动通信系统主要是以正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）为技术核心。其主要思想是将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到每个子信道上进行传输。

目前，4G通信具有的特征是：通信速度更快、网络频谱更宽、通信更加灵活、智能性能更高、兼容性能更平滑、提供各种增殖服务、更高质量的多媒体通信、频率使用效率更高、通信费用更加便宜。

通信技术的发展日新月异，在中国，通信技术目前处于由3G逐步向4G过渡的阶段，正在布局4G通信技术，下面对4代通信技术进行简单比较（见表4.10），帮助大家了解移动通信技术。

表4.10　4代通信技术比较

4.2.4　设备到设备通信技术（M2M技术）

M2M（Machine to Machine）即“机器对机器”的缩写，也可以理解为人与机器（Man to Machine）、机器与人（Machine to Man）等，旨在通过通信技术来实现人、机器和系统三者之间的智能化、交互式的无缝连接。M2M技术概念如图4.75所示。

图4.75　设备到设备通信技术概念

M2M设备是能够回答包含在一些设备中的数据的请求或能够自动传送包含在这些设备中的数据的设备。M2M聚焦在无线通信网络应用上，是物联网应用的一种主要方式。

现在，M2M应用遍及电力、交通、工业控制、零售、公共事业管理、医疗、水利、石油等多个行业，涉及车辆防盗、安全监测、自动售货、机械维修、公共交通管理等领域。

1.M2M系统框架

从体系结构方面考虑，M2M系统由机器、网关、IT系统构成，从数据流的角度考虑，在M2M技术中，信息总是以相同的顺序流动，如图4.76所示。

图4.76　M2M体系结构

图4.77　M2M系统组成

2.M2M系统的组成部分

无论哪一种M2M技术与应用，都涉及5个重要的技术部分：机器、M2M硬件、通信网络、中间件、应用，如图4.77所示。

（1）智能化机器

实现M2M的第一步就是从机器／设备中获得数据，然后把它们通过网络发送出去。使机器“开口说话”（Talk），让机器具备信息感知、信息加工（计算能力）、无线通信能力。使机器具备“说话”能力的基本方法有两种：生产设备的时候嵌入M2M硬件；对已有机器进行改装，使其具备通信／联网能力。

（2）M2M硬件

M2M硬件是使机器获得远程通信和联网能力的部件。主要进行信息的提取，从各种机器／设备那里获取数据，并传送到通信网络。现在的M2M硬件共分为5种：嵌入式硬件、可组装硬件、调制解调器（Modem）、传感器、识别标识（Location Tags）。

M2M产品主要集中在卡类和模块形态，如图4.78所示。

图4.78　M2M模块和卡

（3）通信网络

通信网络将信息传送到目的地，它在整个M2M技术框架中处于核心地位，包括广域网（无线移动通信网络、卫星通信网络、Internet、公众电话网）、局域网（以太网、无线局域网WLAN、Bluetooth）、个域网（ZigBee、传感器网络）。在M2M技术框架的通信网络中，有两个主要参与者，他们是网络运营商和网络集成商。

（4）中间件

中间件包括两部分：M2M网关、数据收集／集成部件。

网关是M2M系统中的“翻译员”，它获取来自通信网络的数据，将数据传送给信息处理系统。主要的功能是完成不同通信协议之间的转换。典型产品如Nokia的M2M网关。

数据收集／集成部件是为了将数据变成有价值的信息。对原始数据进行不同加工和处理，并将结果呈现给需要这些信息的观察者和决策者。

常见中间件包括数据分析和商业智能部件、异常情况报告和工作流程部件、数据仓库和存储部件等。

3.M2M的应用

M2M技术是一种无处不在的设备互联通信新技术，它让机器之间，人与机器之间实现超时空无缝连接，从而孕育出各种新颖的应用与服务，未来的移动互联网将是机器的物联网。

我国下一个上亿级的通信将是M2M通信，M2M业务市场潜力巨大，信息化带动工业化和节能减排的国策将进一步促进M2M业务发展。

全球M2M市场迅速发展，应用经验逐步成熟。市场容量以每年100亿美元的速度扩大，在下一个五年中可望达到30%的年增长率。

M2M的两大融合，一是指技术融合，信息技术、微机电技术、自动控制技术、传感器技术、通信技术进一步融合、创新、综合应用。二是指工业化与信息化融合，在推进工业化的过程中注重信息化建设，应用现代信息技术推进工业化进程。通过工业化应用，进一步提升信息化服务水平，形成良性循环，推动我国产业升级，由制造业大国转型为制造业强国。M2M的两大融合如图4.79所示。

图4.79　M2M的两大融合

M2M的应用非常广泛，可以用于交通领域（物流管理、定位导航）、电力领域（远程抄表和负载监控）、农业领域（大棚监控、动物溯源）、城市管理（电梯监控、路灯控制）、安全领域（城市和企业安防）、环保领域（污染监控、水土检测）、企业生产（生产监控和设备管理）、家居生活（老人和小孩看护、智能安防）等。图4.80所示为电力行业中M2M的应用，图4.81所示为交通行业中M2M的应用。

图4.80　电力行业M2M应用

图4.81　交通行业M2M应用

4.2.5　物联网短距离有线通信技术

1.计算机通信技术

通信是人们传递信息的方式。计算机通信是将计算机技术和通信技术相结合，完成计算机与外部设备或计算机与计算机之间的信息交换。这种信息交换可分为两种方式：并行通信和串行通信。

并行通信是将数据字节的各位用多条数据线同时进行传送，如图4.82（a）所示。并行通信的特点是：控制简单，传送速度快；但由于传输线较多，长距离传送时成本较高，因此仅适用于短距离传送。目前，随着USB技术的日益成熟，传统的并行通信接口在计算机主板上已经很少集成了。

串行通信是将数据字节分成一位一位的形式，在一条传输线上逐位地传送，如图4.82（b）所示。串行通信的特点是：传送速度慢；但传输线少，长距离传送时成本较低，因此，串行通信适用于长距离传送。串行接口在单片机、其他微处理器、计算机之间的短距离通信上应用较多，特别是在智能仪表领域应用广泛。

2.现场总线技术

（1）现场总线的概念

为了解决工业通信现场环境恶劣的问题，实现低成本的工业通信，1984年，现场总线的概念得以正式提出。

IEC（International Electrotechnical Commission，国际电工委员会）对现场总线（Fieldbus）的定义为：现场总线是一种应用于生产现场，在现场设备之间、现场设备和控制装置之间实行双向、串形、多结点的数字通信技术。

图4.82　计算机通信方式

总线上的数据输入设备包括按钮、传感器、接触器、变送器、阀门等，传输其位置状态、参数值等数据；总线上的输出数据用于驱动信号灯、接触器、开关、阀门等，如图4.83所示。

图4.83　工业现场总线

现场总线将分散的有通信能力的测量控制设备作为网络节点，连接成能相互沟通信息，共同完成自控任务的控制网络。现场总线减少了接线与安装的复杂程度。

现场总线控制系统（FCS）是建立在现场总线技术基础上的网络结构扁平化、具有开放性、可互操作性、常规控制功能彻底分散、有统一的控制策略组态方法的新一代分散型控制系统。

现场总线与RS232、RS485串行通信总线相比，RS232、RS485只能代表通信的物理介质层和链路层，如果要实现数据的双向访问，就必须自己编写通信应用和程序；现场总线技术是以ISO／OSI模型为基础的，具有完整的软件支持。

现场总线与计算机网络相比，现场总线是一种传输速率低的实时控制网络，其特点是短帧传送，实时性强，可靠性高，安全性好，适应工业应用环境；计算机网络是一种实时性不高的高速信息网络。

（2）现场总线的分类

目前国际上有40多种现场总线，但没有任何一种现场总线能覆盖所有的应用面，按其传输数据的大小可分为4类：

●传感器总线：信息量小、响应快、位传输。

●设备总线：可靠性高、响应快、字节传输。

●控制总线：信息量大、可靠性高、信息传输。

●信息总线：信息量大、集成度高、文件传输。

（3）常用现场总线

现场总线是FCS的核心。目前，世界上出现了多种现场总线的企业或国家标准。这些现场总线技术各具特点，已经逐渐形成自己的产品系列，并占有相当大的市场份额。由于技术和商业利益的原因，尚没有统一。目前流行的8种著名的现场总线见表4.11。

表4.11　8种常用现场总线特点及应用

续表

（4）现场总线的应用

现场总线技术的应用领域十分广泛，凡属设备间需要数据通信的场合都需要它，如连续、离散制造业、电力、石化、冶金、纺织、造纸、智能交通、环境监测（大气、水污染监测网络）等。

在某汽车发动机车间汽车发动机质量追踪系统中，应用了德国西门子的RFID和Profibus现场总线技术、以太网、工控计算机技术，实现了对每台发动机生产过程的质量追踪功能，图4.84所示为硬件的组态。

图4.84　西门子RFID及其硬件组态

3.电力线载波技术

电力线载波（Power Line Carrier，PLC）通信是利用高压电力线在电力载波领域（通常指35 kV及以上电压等级，中压电力线指10 kV电压等级或低压配电线380／220 V用户线作为信息传输媒介）进行语音或数据传输的一种特殊通信方式。

电力线载波的最大特点是不需要重新架设网络，只要有电线，就能进行数据传递。但是电力线载波通讯因为有以下缺点，导致PLC的主要应用“电力上网”未能大规模应用。

①配电变压器对电力载波信号有阻隔作用，载波信号只能在一个配电变压器区域范围内传送。

②三相电力线间有很大信号损失（10～30 dB）。

③不同信号藕合方式对电力载波信号损失不同。

④电力线存在本身就有脉冲干扰。

⑤电力线对载波信号造成高削减。

近年来电力线载波技术突破了仅限于单片机应用的限制，已经进入了数字化时代，并且随着电力线载波技术的不断发展和社会的需要，中／低压电力载波通信技术的开发及应用亦出现了方兴未艾的局面。电力线载波通信正逐渐成为一门电力通信领域乃至关系到千家万户的热门专业。

4.2.6　物联网通信技术发展趋势

1.物联网通信技术发展趋势

在未来物联网通信技术的研究过程中，下面这些内容将是研究的重点：

①发展“物品”与“物品”之间以及“物品”与网络之间可以方便地进行信息交换的各种通信技术。

②发展传感器与传感器之间以及传感器与物联网系统之间的各种通信技术。

③开展驱动装置之间以及驱动装置与物联网系统之间的通信技术研究工作。

④开展各种分布式数据存储单元之间以及它们与物联网系统之间的通信技术研究工作。

⑤发展那些可以满足现实世界中人与人之间各种交互需求的物联网通信技术。

⑥开展用来提供数据挖掘和数据服务的各种通信技术和处理技术的研发工作。

⑦开展与标识技术相适应的通信技术的研究工作。

2.几种传统无线和有线传输技术的分析

①Wi-Fi和蓝牙应用已经十分普及，但是功耗大，节点少，传输距离近等缺陷明显。

②RS-485、can总线、工业现场总线（如Profibus和CC-LINK等）等通信方式，需要预先布线，施工成本高，网络设备出现问题或者通信线出现问题时维护十分麻烦。

③433 MHz、315 MHz等普通无线通信技术成本低，功耗小，但是同频干扰严重，干扰严重时会完全失效。网络容量小，一个网络多于30个节点就很容易出问题。信号无法远距离传输。

④电力线载波通信工程施工方便，工程成本低，但是容易受电网干扰影响，稳定性很差。

⑤GSM、GPRS、EDGE、CDMA等通信方式稳定可靠，传输距离远，节点容量大，但是成本高，功耗大。

⑥ZigBee模块功耗低，成本低，抗干扰性能强，传输距离远，且可以通过路由接力传输，节点容量大，是实现物联网“最后1公里”接入的理想选择。

每种通信技术的应用都要涉及通信协议、通信硬件、通信软件等方面的知识，需要结合相关后续课程、相关应用进行学习。

案例分析

汽车发动机热试质量追踪

（1）项目需求

汽车发动机生产线正在实施生产质量追踪系统ETS（Engine Tracing System），这个系统要求采集所有工位的生产数据进行实时监控。由于发动机热试生产线已经建好5年以上，热试生产线控制系统有4个CC-LINK（Control＆Communication Link）从站和一个主站，从站把测试数据发送给主站，主站接收数据并在触摸屏上显示监控各个热试从站的数据。ETS系统需要从热试主站获取每台发动机生产数据，传送给工控机（Industrial Personal Computer，IPC）存入发动机热试数据库。

（2）项目分析

热试生产线主站的主控（Programmable Logic Controller，PLC）为三菱Q2AS（H）模块式结构PLC，挂接3个32点数字量输入模块、2个32点数字量输出模块、串行通讯模块A1JS71QC24-R2、CC-LINK通讯模块A1SJ61QBTH，它是CC-LINK的主站模块，由它和4个分站的FX32CCL模块进行数据交换；A1JS71QC24-R2未使用，触摸屏A940 GOT完成热试数据和网络状态的监控和显示。

热试4个从站结构相同，从站主控PLC为三菱FX2N整体结构80个I／O点的PLC，均扩展了两个FX2N-4AD、1个FX2N-4AD-PT（PT100）、1个FX2N-4AD-TC（热电偶）共4个模拟量模块，完成热试数据的采集。1个CC-LINK通讯模块FX2N-32CCL完成和主站通讯。

从图4.85和图4.86分析，原热试系统的测试数据都经过CC-LINK网络传送给主站，PLC可以从主站读取每个台架的数据进行在线监控。但是这些测试数据不能储存，无法用于质量跟踪。如何识别每台发动机并把每台发动机的热试数据发送到工控机IPC是解决问题的关键。发动机的识别可以采取两种方法。在汽车生产线的总装、分装等生产线上采用西门子Radio Frequency Identification（RFID）即射频识别技术（电子标签）进行识别并储存生产数据，但是由于在热试现场RFID安装较困难，实现成本较高。基于热试线已有的软硬件情况，采取了一种高性价比的处理方案：每个从站增加条码枪扫描发动机条码，由4个分站发送条码和测试数据给主站，然后在主站对条码和测试数据进行组合，组合后的数据按照预定格式通过A1JS71C24-R2的通道2发送给工控机IPC。

图4.85　热试生产线控制系统框图

图4.86　热试从站控制系统硬件结构框图

（3）项目解决方案

①硬件修改

在从站的FX2N的通讯端口上扩展一个FX2N-232IF通信接口，用于连接条码枪。此通讯模块非常便宜，安装方便，编程容易，能够很好地完成条码识别任务。

采用A1JS71OC24R2的通道2进行所需数据的采集，由于接口为RS-232，故转换为RS 485，完成和工控机的通讯，传输所需数据。硬件修改如图4.87虚线部分。

图4.87　热试总控PLC硬件修改连接图

修改A1JS71QC24-R2硬件参数的站号（station no ）为2，数据位7位，2位停止位和无奇偶校验，9 600 bps。

②软件修改

根据数据采集要求，将从站上获取的发动机热试数据（水温、油温、压力等参数和热试时间）通过CC-LINK总线发送给主站。主站接收各个从站的数据，将数据打包后通过RS485总线发送给工控主机。

③工控机端数据处理

工控机端采用VC 编程获取数据，采用VB ORACLE数据库编写数据处理程序完成数据的存储、查询和统计。数据的查询采用B／S（Browse／Server）模式，基于生产线以太网系统，管理人员坐在办公室即可查看整个生产线的生产情况。如果某台发动机出了售后故障，根据条码即可查询当时的生产信息，从而跟踪到操作员工和操作时间，明确责任人，从而较好地实现了管控一体化的目标。图4.88就是一台发动机热试的转速趋势图，低速和3个高速峰值显示明显，表明发动机热试的测试工序正确，时间3.5分钟表示热试时间完整，没有发生因为操作人员想节约单台发动机热试时间而缩短时间的情况，整个热试是正常完成的。

图4.88　热试转速趋势线图

（4）项目总结

在本项目实施过程中，采用了现场总线通信技术、RS485通信技术和工业以太网技术等通信技术，采用了数据库技术、PLC技术以及上位机软件开发技术，以较低的成本实现了工业生产的实时监控，表明物联网应用可以采用多种技术方法实现，需要根据控制要求选择高性价比的技术方案，实现企业的升级改造要求。

技能练习

1.用交换机组建一个小型局域网。

2.将一台PC机通过ADSL接入Internet。

3.构建基础架构模式的无线网络。

4.使用手机的蓝牙功能，发送各自的手机号码。

5.下载安装Windows版的TinyOS。