【大學(xué)課件】物聯(lián)網(wǎng)與短距離無線通信技術(shù) 概述

物聯(lián)網(wǎng)與短距離無線通信技術(shù)概述物聯(lián)網(wǎng)(IoT)正在改變世界，將各種設(shè)備連接到互聯(lián)網(wǎng)。短距離無線通信技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)的核心，提供設(shè)備之間可靠的連接。課程目標(biāo)11.物聯(lián)網(wǎng)與短距離無線通信技術(shù)的概述了解物聯(lián)網(wǎng)的概念、發(fā)展史和應(yīng)用場景，以及短距離無線通信技術(shù)的分類和特點(diǎn)。22.常用短距離無線通信技術(shù)的學(xué)習(xí)重點(diǎn)掌握藍(lán)牙、RFID、NFC、ZigBee等技術(shù)的工作原理、特點(diǎn)、應(yīng)用領(lǐng)域和案例。33.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的實(shí)踐通過學(xué)習(xí)物聯(lián)網(wǎng)與短距離無線通信技術(shù)，能夠設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)簡單的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)。44.培養(yǎng)物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)應(yīng)用的思維了解物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在各行各業(yè)的應(yīng)用趨勢和發(fā)展方向，為未來物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用和研究打下基礎(chǔ)。物聯(lián)網(wǎng)簡介智能家居通過傳感器和網(wǎng)絡(luò)連接，實(shí)現(xiàn)家居設(shè)備的智能控制和自動化管理。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)通過傳感器和網(wǎng)絡(luò)連接，實(shí)現(xiàn)工業(yè)設(shè)備的實(shí)時監(jiān)測、遠(yuǎn)程控制和優(yōu)化管理。智慧城市通過傳感器和網(wǎng)絡(luò)連接，實(shí)現(xiàn)城市基礎(chǔ)設(shè)施的智能管理和優(yōu)化，提高城市運(yùn)營效率。醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)通過傳感器和網(wǎng)絡(luò)連接，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程醫(yī)療服務(wù)和醫(yī)療數(shù)據(jù)的實(shí)時監(jiān)測和分析。物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展史1萌芽階段20世紀(jì)80年代RFID技術(shù)出現(xiàn)2發(fā)展階段20世紀(jì)90年代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展3起步階段21世紀(jì)初3G技術(shù)應(yīng)用4快速發(fā)展階段21世紀(jì)10年代智能手機(jī)普及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)從20世紀(jì)80年代開始萌芽，經(jīng)歷了多個發(fā)展階段。21世紀(jì)初，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和3G技術(shù)的應(yīng)用，物聯(lián)網(wǎng)開始進(jìn)入起步階段。21世紀(jì)10年代，智能手機(jī)的普及和云計(jì)算技術(shù)的成熟，加速了物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展。如今，物聯(lián)網(wǎng)已成為一個蓬勃發(fā)展的領(lǐng)域，并逐漸滲透到各個行業(yè)。物聯(lián)網(wǎng)的主要應(yīng)用場景智能家居智能家居可以通過物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)家居設(shè)備的自動化控制和遠(yuǎn)程管理，例如智能燈光、智能空調(diào)、智能門鎖等。智慧城市物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以用于城市交通管理、環(huán)境監(jiān)測、公共安全、智慧醫(yī)療等方面，提升城市管理效率和居民生活質(zhì)量。工業(yè)自動化物聯(lián)網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)工廠的智能化管理，例如設(shè)備監(jiān)測、生產(chǎn)過程優(yōu)化、遠(yuǎn)程控制等，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以用于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)，例如土壤監(jiān)測、灌溉控制、病蟲害防治等，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和效益。物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)傳感器技術(shù)傳感器是物聯(lián)網(wǎng)感知層的基礎(chǔ)，負(fù)責(zé)收集現(xiàn)實(shí)世界中的數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)依賴于各種無線和有線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的互聯(lián)。云計(jì)算技術(shù)云計(jì)算提供存儲、處理和分析物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)所需的資源和服務(wù)。安全技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)面臨著安全威脅，需要安全機(jī)制來保護(hù)數(shù)據(jù)和設(shè)備。短距離無線通信技術(shù)概述短距離無線通信技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中扮演著至關(guān)重要的角色，為設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸提供高效、可靠的連接方式。這類技術(shù)通常具有低功耗、低成本、易于部署等特點(diǎn)，適用于各種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景，例如智能家居、工業(yè)自動化、醫(yī)療健康等。藍(lán)牙技術(shù)藍(lán)牙是一種短距離無線通信技術(shù)，基于低功耗、低成本的無線連接解決方案，廣泛應(yīng)用于移動設(shè)備、個人電子產(chǎn)品、汽車、醫(yī)療保健等領(lǐng)域。藍(lán)牙技術(shù)支持多種設(shè)備之間的無線連接，例如手機(jī)、電腦、耳機(jī)、智能手表等。藍(lán)牙技術(shù)使用2.4GHz頻段，提供安全可靠的無線通信。藍(lán)牙的版本演進(jìn)1藍(lán)牙5.3更高數(shù)據(jù)速率，更低功耗，更強(qiáng)抗干擾能力2藍(lán)牙5.2支持更高精度的位置服務(wù)3藍(lán)牙5.1新增長距離傳輸功能4藍(lán)牙5.0雙模傳輸，提高數(shù)據(jù)傳輸速率5藍(lán)牙4.2支持更高數(shù)據(jù)速率和更低功耗藍(lán)牙技術(shù)不斷發(fā)展，最新版本藍(lán)牙5.3擁有更強(qiáng)的性能，更快的速度，更低的功耗和更高的安全性。藍(lán)牙的工作模式點(diǎn)對點(diǎn)模式兩個藍(lán)牙設(shè)備之間直接建立連接，用于數(shù)據(jù)傳輸和文件共享。點(diǎn)對多點(diǎn)模式一個主設(shè)備與多個從設(shè)備建立連接，例如手機(jī)連接藍(lán)牙耳機(jī)和音箱。藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渌{(lán)牙網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲饕腥N：星型、點(diǎn)對點(diǎn)、網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。星型網(wǎng)絡(luò)以一個主設(shè)備為中心，其他設(shè)備連接到主設(shè)備，適用于控制多個設(shè)備的場景。點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)僅有兩個設(shè)備直接連接，適合數(shù)據(jù)傳輸量小的場景。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)是多個設(shè)備互相連接，形成網(wǎng)絡(luò)，提高了網(wǎng)絡(luò)的可靠性和擴(kuò)展性。藍(lán)牙低功耗低功耗設(shè)計(jì)藍(lán)牙低功耗技術(shù)通過優(yōu)化硬件和軟件，實(shí)現(xiàn)低功耗運(yùn)行，延長設(shè)備電池壽命。低功耗連接采用高效的無線通信協(xié)議，減少功耗，延長設(shè)備待機(jī)時間。廣泛應(yīng)用適用于可穿戴設(shè)備、智能家居、醫(yī)療設(shè)備等需要低功耗和無線連接的場景。藍(lán)牙應(yīng)用案例智能家居藍(lán)牙技術(shù)可用于連接智能音箱、智能燈泡等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)智能家居控制。比如，可以通過藍(lán)牙連接智能音箱，播放音樂或控制家電。無線音頻藍(lán)牙耳機(jī)是藍(lán)牙技術(shù)應(yīng)用的典型案例。它們可以連接手機(jī)、電腦和其他音頻設(shè)備，實(shí)現(xiàn)無線音樂播放和通話。車載設(shè)備藍(lán)牙技術(shù)廣泛應(yīng)用于車載系統(tǒng)中，例如連接藍(lán)牙耳機(jī)進(jìn)行免提通話，連接手機(jī)播放音樂，或者連接導(dǎo)航設(shè)備。RFID技術(shù)RFID（無線射頻識別）技術(shù)是一種非接觸式自動識別技術(shù)，通過無線電波識別物體。RFID技術(shù)利用電磁場或電磁波進(jìn)行非接觸式雙向通信，實(shí)現(xiàn)物體識別和數(shù)據(jù)交換。RFID系統(tǒng)構(gòu)成標(biāo)簽標(biāo)簽包含一個微芯片，用于存儲數(shù)據(jù)，以及一個天線，用于接收和發(fā)送信號。閱讀器閱讀器通過無線電波與標(biāo)簽進(jìn)行通信，讀取標(biāo)簽數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。天線閱讀器的天線將無線電波發(fā)送到標(biāo)簽，標(biāo)簽的天線接收無線電波。軟件軟件負(fù)責(zé)管理RFID系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集、處理、存儲和應(yīng)用。RFID的工作原理1標(biāo)簽發(fā)射RFID標(biāo)簽被射頻信號激活，標(biāo)簽內(nèi)的芯片會產(chǎn)生高頻振蕩，并發(fā)射出無線電波。2信號接收讀取器接收標(biāo)簽發(fā)射的無線電波，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并進(jìn)行處理。3數(shù)據(jù)解析讀取器根據(jù)協(xié)議解析標(biāo)簽數(shù)據(jù)，并將其傳遞給應(yīng)用系統(tǒng)，完成信息識別和追蹤。RFID頻段和協(xié)議頻段RFID系統(tǒng)使用不同頻段進(jìn)行無線通信，例如低頻、高頻和超高頻。協(xié)議每個頻段都有其相應(yīng)的協(xié)議，例如ISO/IEC18000系列標(biāo)準(zhǔn)。選擇選擇合適的頻段和協(xié)議取決于應(yīng)用場景和系統(tǒng)需求。RFID應(yīng)用領(lǐng)域1供應(yīng)鏈管理跟蹤商品從生產(chǎn)到銷售的整個過程，提高效率和透明度，減少庫存和損失。2資產(chǎn)管理管理公司資產(chǎn)，如設(shè)備、車輛和工具，提高資產(chǎn)利用率，防止丟失和盜竊。3人員身份識別識別員工、學(xué)生和訪客身份，控制訪問權(quán)限，提高安全性和管理效率。4物流管理跟蹤貨物運(yùn)輸過程，優(yōu)化物流路線，提高運(yùn)輸效率和貨物安全。NFC技術(shù)近場通信技術(shù)（NFC）是一種非接觸式通信技術(shù)，允許設(shè)備在彼此靠近時進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸。NFC是一種短距離無線通信技術(shù)，其傳輸距離通常在幾厘米內(nèi)。NFC技術(shù)建立在射頻識別（RFID）和藍(lán)牙技術(shù)的基礎(chǔ)上，融合了這兩種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，并簡化了無線連接過程。它允許設(shè)備之間進(jìn)行快速、簡便的數(shù)據(jù)交換，而無需配對或進(jìn)行復(fù)雜的設(shè)置。NFC的工作模式11.讀卡模式NFC設(shè)備作為讀卡器，讀取NFC標(biāo)簽上的數(shù)據(jù)。22.寫卡模式NFC設(shè)備作為寫卡器，向NFC標(biāo)簽寫入數(shù)據(jù)。33.對等模式兩個NFC設(shè)備之間互相通信，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。44.仿真模式NFC設(shè)備模擬其他設(shè)備，例如模擬信用卡進(jìn)行支付。NFC標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范NFCForum標(biāo)準(zhǔn)NFCForum制定了NFC技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，確保兼容性和互操作性。ISO/IEC14443標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC14443定義了非接觸式智能卡的通信協(xié)議，廣泛應(yīng)用于NFC。EMV標(biāo)準(zhǔn)EMV標(biāo)準(zhǔn)用于規(guī)范金融交易的安全性，確保NFC支付的安全性和可靠性。NFC應(yīng)用案例交通支付NFC技術(shù)支持無接觸式支付，用于公交卡，地鐵卡等。用戶無需刷卡，只需將手機(jī)靠近刷卡機(jī)即可完成支付。門禁系統(tǒng)NFC技術(shù)能與門禁系統(tǒng)集成，用戶只需將手機(jī)靠近門禁設(shè)備即可解鎖門禁，無需攜帶實(shí)體鑰匙。ZigBee技術(shù)ZigBee是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)。ZigBee技術(shù)主要應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，例如智能家居、智能農(nóng)業(yè)、工業(yè)自動化等。ZigBee網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)星型網(wǎng)絡(luò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，所有節(jié)點(diǎn)直接連接到一個中心節(jié)點(diǎn)。中心節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)管理網(wǎng)絡(luò)的通信和路由。這種架構(gòu)簡單易于部署，但擴(kuò)展性有限。樹型網(wǎng)絡(luò)樹型網(wǎng)絡(luò)中，多個中心節(jié)點(diǎn)形成樹狀結(jié)構(gòu)，每個中心節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)管理其子節(jié)點(diǎn)的通信。這種架構(gòu)比星型網(wǎng)絡(luò)更加靈活，可以擴(kuò)展到更大的網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中，所有節(jié)點(diǎn)都可以直接或間接連接到其他節(jié)點(diǎn)，形成一個分布式的網(wǎng)絡(luò)。這種架構(gòu)具有自組織、自愈和高容錯性等優(yōu)點(diǎn)，非常適合于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用?；旌暇W(wǎng)絡(luò)混合網(wǎng)絡(luò)是以上幾種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的組合，例如，可以在樹型網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上增加一些網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)連接，以提高網(wǎng)絡(luò)的容錯性和可擴(kuò)展性。ZigBee能源管理低功耗特性ZigBee協(xié)議專門設(shè)計(jì)用于低功耗應(yīng)用，延長電池壽命。休眠模式設(shè)備可以進(jìn)入休眠模式，以節(jié)省能量。高效網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化以減少能量消耗，提高電池壽命。ZigBee應(yīng)用案例智能家居控制系統(tǒng)ZigBee可用于構(gòu)建智能家居控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)燈光、溫度、濕度、家電等設(shè)備的遠(yuǎn)程控制和自動化管理。無線傳