认识物联网

1 物联网简介  

1.1 概述

物联网定义：

物联网是一种通过各种信息传感设备，按约定的协议，利用互联网把各种物品连接起来，进行信息自动交换和通信，以实现对物品的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。

3个本质特征：

        1）全面感知。物联网包括物与人通信、物与物通信的不同通信模式，物品信息能够自动采集和相互通信。

物品的信息有两种，一种是物品本身的属性，另一种是物品周围环境的属性。物品本身信息的采集一般使用RFID（射频识别，Radio Frequency IDentification）技术，物品这时需要具备以下几个条件：①唯一的物品编号；②足够的存储容量；③必要的数据处理能力；④畅通的数据传输通路；⑤专门的应用程序；⑥统一的通信协议。

        2）可靠传输。物联网广泛采用互联网协议、技术和服务。

        3）智能处理。物联网为产品信息的交互和处理提供基础设施。

物联网与互联网区别：

互联网是把计算机连接起来为人们提供信息服务的全球通信网络，缺点是不能实时提供真实世界的信息。物联网的数据是通过自动感知方式获取的，是真实的数据信息。

物联网与传感网区别：

传感网一般是指无线传感器网络。传感网主要探测的是自然界的环境参数，属于物体的动态属性，偏向于区域性。物联网不仅能够处理这种数据，还强调物体的静态标识读取，范围更广，偏向于行业性。

 物联网体系分层：

        五层结构：边缘技术层、接入网关层、互联网层、中间件层和应用层

        ITU-T四层模型：设备层、网络层、支撑层和应用层                        

域模型：

六域模型从业务结合方面把物联网功能分为6个域：物联网用户域、目标对象域、感知控制域、服务提供域、运维管控域和资源交换域。

五域模型从信息运行方面把物联网分为5个域：对象域、通信域、管理域、服务域和用户域。

1.2 ITU-T四层模型

感知层的功能是感知周围环境或自身的状态，并对获取的感知信息进行初步处理和判决，根据规则做出响应，并把中间结果或最终结果送往传输层。物联网感知技术可分为二维码技术、RFID技术、传感器技术、多媒体采集技术、地理位置感知技术这五大类。

传输层面对的是各种通信网络。通信网络按地理范围从小到大分为体域网（Body Area Network，BAN）、个域网（Personal Area Network，PAN）、局域网（Local Area Network，LAN）、城域网（Metropolitan Area Network，MAN）和广域网（Wide Area Network，WAN）。体域网限制在人体上、人体内或人体周围，一般不超过10m。

        体域网技术可组成身体传感网络（Body Sensor Network，BSN）等。体域网标准由IEEE 802.15.6制定。 

        个域网范围一般在几十米，具体技术包括ZigBee、无线超宽带（Ultra Wideband，UWB）、蓝牙、无线千兆网（Wireless Gigabit，WiGig）、高性能个域网（High Performance PAN，HiperPAN）和红外数据（Infrared Data Association，IrDA）等。

处理层通过数据挖掘、模式识别等人工智能技术，提供数据分析、局势判断和控制决策等处理功能。

应用层利用经过分析处理后的感知数据，构建面向各类行业实际应用的管理平台和运行平台，为用户提供丰富的特定服务。

2 自动识别技术

2.1 概述

识别就是对有关事务进行归类和定性。分为两大类：

• 数据采集技术：需要特定的载体存放信息
• 特征提取技术：根据事物本身的行为特征来判决信息

数据采集技术：

1）光存储识别技术有条码识别、二维码识别，以及光标读卡机对答题卡的识别等。

2）磁存储识别技术有磁条、非接触磁卡、磁光存储和微波信号识别等。

3）电存储识别技术有射频识别、IC卡识别等。

特征提取技术：

1）静态特征，如指纹、虹膜、面部和光学字符识别（OCR）等。

2）动态特征，如语音、步态、签名和键盘敲击等。

3）属性特征，如化学感觉特征、物理感觉特征、生物抗体病毒特征和联合感觉系统。

2.2 条码

1）辨识条码

条码阅读器 ——〉反射光信号——〉光电转换——〉一组与线条、空白相对应的电子信号——〉使用编码规则转换成相应的数字、字符信息——〉计算机

白色物体能反射各种波长的可见光，黑色物体则吸收各种波长的可见光。 

  2）条码的编码方法通常有两种，即宽度调节和色度调节

• 宽度调节编码：条码符号是由宽、窄的条和空，以及字符符号间隔组成，宽的条和空逻辑上表示1，窄的条和空逻辑上表示0。
• 色度调节编码：利用条和空的反差来标识的，条逻辑上表示1，而空逻辑上表示0。

2.3 二维码

一般语言文字和图像等在计算机中存储时都以机内码（字节码）的形式表示，因此可以将文字和图像先转换成字节流，然后再将字节流用二维码表示，故二维码可以表示多种语言文字和图像数据（如照片、指纹等）。

1）二维码的分类

二维码按照不同的编码方法可分为行排式、矩阵式、邮政码、彩码和复合码等几种类型：

• 行排式二维码又称堆积式或层叠式二维码，是在一维条码的基础上按需要将其堆积成两行或多行而成。常见的行排式二维码有PDF417、49码和Code 16 K条码等。
• 矩阵式二维码是在一个矩形空间通过黑、白像素在矩阵中的不同分布进行编码。常见的矩阵式二维码有Code One、Maxicode、QR码、Data Matrix、Vericode码、田字码、汉信码和龙贝码等。
• 邮政码是通过不同高度的条进行编码，主要用于邮件编码，如Postnet、BPO 4-State等。
• 彩码是在传统二维码的基础上添加色彩元素而形成的，通常以4种相关性最大的单一颜色：红、绿、蓝和黑来表述信息，因此也称为三维码。

2）QR码

快速响应矩阵（Quick Response Code，QR）码是目前世界上使用最为广泛的二维码：

3）QR码编码过程：

• 数据分析：分析所输入的数据流，确定要进行编码的字符的类型、纠错等级和符号版本等
• 数据编码：将数据字符转换为位流
• 纠错编码：将码字序列分块，再采用纠错算法按块生成一系列纠错码字，然后将其添加在数据码字序列后，使得符号可以在遇到损坏时不致丢失数据。QR码有L、M、Q和H共4个纠错等级
• 构造最终的码字序列：先根据版本和纠错等级将数据码字序列分为n块，对每一块计算相应块的纠错码字，然后依次将每一块的数据和纠错码字装配成最终的序列
• 在矩阵中布置模块
• 掩模：直接对原始数据编码可能会在编码区域形成特定的功能图形，造成阅读器误判
• 最后将格式信息与版本信息加入符号当中

2.4 RFID

射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）是20世纪90年代兴起的一种非接触式的自动识别技术，它首先在产品中嵌入电子芯片（称为电子标签），然后通过射频信号自动将产品的信息发送给读写器进行识别。

1）RFID的分类

（1）可编程划分

RFID系统按可编程划分为只读型和读写型两种。电子标签中的信息通常为一个序列号或UID，可在加工芯片时集成进去，以后不能再改动。较复杂的RFID系统可以通过读写器或专用的编程设备向电子标签写入数据。

（2）工作频率

系统的工作频率不仅决定着射频识别系统的工作原理和识别距离，还决定着电子标签及读写器实现的难易程度和设备的成本。根据系统工作频率的不同，RFID系统可分为4种：低频系统、高频系统、超高频和微波系统。

• 低频系统的工作频率范围为30～300 kHz，电子标签一般为无源标签，即内部不含电池的标签，标签与读写器之间的距离一般小于1m，如畜牧业的动物识别
• 高频系统的工作频率一般为3～30 MHz，电子标签一般也采用无源方式，阅读距离一般也小于1m，数据传输速率较高。如电子身份证
• 超高频与微波系统的工作频率为433.92 MHz、862～928 MHz、2.45 GHz和5.8GHz。

2）系统构成

 电子标签可分为以集成电路为基础的电子标签和利用物理效应的电子标签：
（1）集成电路电子标签

（2）物理效应的电子标签

典型代表是声表面波标签，它是综合电子学、声学、半导体平面工艺技术和雷达及信号处理技术制成的。所谓声表面波（Surface Acoustic Wave，SAW），就是指传播于压电晶体表面的声波，传播损耗很小。

长条状的压电晶体基片的端部有叉指换能器。利用基片材料的压电效应，叉指换能器将电信号转换成声信号，并局限在基片表面传播。然后，输出叉指换能器再将声信号恢复成电信号，实现电-声-电的变换过程，完成电信号处理。在压电基片的导电板上附有偶极子天线，其工作频率和读写器的发送频率一致。在电子标签的剩余长度上安装了反射器，反射器的反射带通常由铝制成。 

（3）读写器的结构

（4）能量传输

a.电感耦合

电感耦合是通过高频交变磁场实现的，依据的是电磁感应定律。当一个电路中的电流或电压发生波动时，该电路中的线圈（称为初级线圈）内便产生磁场，在同一个磁场中的另外一组或几组线圈（称为次级线圈）上就会产生相应比例的磁场（与初级线圈和次级线圈的匝数有关），磁场的变化又会导致电流或电压的变化，因此便可以进行能量传输。

b.电磁反向散射耦合

当电磁波在传播过程中遇到空间目标时，其能量的一部分会被目标吸收，另一部分以不同强度散射到各个方向。在散射的能量中，一小部分携带目标信息反射回发射天线，并被天线接收。对接收的信号进行放大和处理，即可得到目标的相关信息。

3）数据传输

RFID系统的数据传输分两部分：

        电子标签与读写器之间的数据传输（通常无线）

        读写器与计算机之间的数据传输。

电子标签ISO18000-6B的存储格式：

2.5 NFC

近场通信（NFC）由RFID及网络技术整合演变而来，并向下兼容RFID。

NFC传输范围比RFID小，NFC将非接触式读卡器、非接触卡和点对点功能整合进一块芯片，而RFID必须由读写器和电子标签组成。RFID只能实现信息的读取及判定，而NFC技术则强调的是信息交互。

1）系统组成

NFC系统由两部分组成：NFC模拟前端和安全单元。

模拟前端包括NFC控制器与天线。NFC控制器是NFC的核心，它主要由模拟电路（包括输出驱动、调制解调、编解码、模式检测和RF检测等功能）、收发传输器、处理器、缓存器和主机接口等几部分构成。

NFC安全单元则协助管理控制应用和数据的安全读写。

3 嵌入式系统

3.1 认识嵌入式系统

根据美国电气和电子工程师协会（IEEE）的定义，嵌入式系统是用来控制、监视或辅助设备、机器或工厂操作的装置。

中国计算机学会微机专业委员会的定义是，嵌入式系统是以嵌入式应用为目的的计算机系统，可分为系统级、板级和片级。

• 系统级：各种类型的工控机、PC104模块。

• 板级：各种类型的带有CPU的主板及OEM产品。

• 片级：各种以单片机、DSP、微处理器为核心的产品

嵌入式系统的结构分为4层：硬件层、硬件抽象层、系统软件层和应用软件层

1）系统结构

早期嵌入式系统自底向上包含3个部分：硬件平台、嵌入式实时操作系统（RTOS）和嵌入式实时应用程序。

如今引入一个硬件抽象层变成四层结构：

（1）硬件平台

硬件平台以嵌入式处理器为核心，由存储器、I/O单元电路、通信模块、外部设备等必要的辅助接口组成

（2）硬件抽象层

硬件抽象层（Hardware Abstraction Layer，HAL）是位于操作系统内核与硬件电路之间的接口层，其目的是将硬件抽象化，为上层的驱动程序提供访问硬件设备寄存器函数包，即可以通过程序来控制所有硬件电路（如CPU、I/O设备、存储器等）的操作。

板级支持包（Board Support Package，BSP）是现有的大多数商用嵌入式操作系统实现可移植性所采用的一种方案，是硬件抽象层的一种实现。BSP隔离了所支持的嵌入式操作系统与底层硬件平台之间的相关性。

（3）实时多任务操作系统

2）嵌入式处理器

嵌入式处理器主要分为4类：嵌入式微控制器（EMCU）、嵌入式数字信号处理器（EDSP）、嵌入式微处理单元（EMPU）和片上系统。

嵌入式微控制器（（Embedded Microcontroller Unit，EMCU）又称为单片机。

嵌入式数字信号处理器（Embedded Digital Signal Processor，EDSP）是专门用于信号处理方面的处理器，在系统结构和指令算法方面进行了特殊设计，具有很高的编译效率和指令执行速度。

嵌入式微处理单元（Embedded Microprocessor Unit，EMPU）是将运算器和控制器集成在一个芯片内的集成电路。

3）存储器

在嵌入式系统中最常用的存储器类型分为3类：随机存储器（RAM）、只读存储器（ROM）以及介于两者之间的混合存储器。

 

分级存储器系统： 

 4）外围设备

有线传输接口包括传统的RS-232接口（串行UART接口）、通用串行总线（USB）接口、快速数据传输接口IEEE 1394、CAN总线、以太网（Ethernet）接口等，无线传输接口包括红外线（IrDA）、GSM、GPRS与蓝牙（Bluetooth）接口等。

3.2 基于ARM的处理器体系结构

1）体系结构

精简指令集计算机（Reduced Instruction Set Computer，RISC）和复杂指令集计算机（Complex Instruction Set Computer，CISC）：

 ARM指令集属于RISC指令集，但ARM内核并不是一个纯粹的RISC体系结构。

2）工作状态

从编程的角度看，ARM微处理器的工作状态一般有两种，并可在两种状态之间切换：

• 第一种为ARM状态，此时处理器执行32位的字对齐的ARM指令；

• 第二种为Thumb状态，此时处理器执行16位的半字对齐的Thumb指令。

进入ARM状态：当操作数寄存器的状态位（位0）为0时，执行BX指令时可以使微处理器从Thumb状态切换到ARM状态。

3）运行模式

ARM微处理器支持7种运行模式，分别为：

• 用户模式（user）：ARM处理器正常的程序执行状态；

• 系统模式（system）：运行具有特权的操作系统任务；

• 快速中断模式（fiq）：用于高速数据传输或通道处理；

• 外部中断模式（irq）：用于通用的中断处理；

• 管理模式（supervisor）：操作系统使用的保护模式；

• 数据访问中止模式（abort）：当数据或指令预取中止时进入该模式，可用于虚拟存储及存储保护；

• 未定义指令中止模式（undefined）：当未定义的指令执行时进入该模式，可用于支持硬件协处理器的软件仿真。

4）寄存器组织

（1）ARM状态下寄存器

ARM处理器共有37个寄存器，均为32位，被分为若干个组（BANK），这些寄存器包括：

• 31个通用寄存器包括程序计数器（PC指针）；

• 6个状态寄存器，用以标识CPU的工作状态及程序的运行状态。

通用寄存器：

状态寄存器：

状态寄存器包括当前程序状态寄存器（CPSR）和5个程序状态寄存器（SPSR_svc、SPSR_abt、SPSR_irq、SPSR_und、SPSR_fig）。

特定的异常发生时，SPSR用于保存CPSR的当前值，而当异常中断程序退出时，可以用SPSR中保存的值来恢复CPSR。

 （2）Thumb状态下的寄存器

Thumb状态下的寄存器集是ARM状态下寄存器集的一个子集，程序可以直接访问8个通用寄存器（R7～R0）、程序计数器（PC）、堆栈指针（SP）、连接寄存器（LR）和CPSR。同时，在每一种特权模式下都有一组SP、LR和SPSR。

3.3 ARM的异常处理

异常由内部或外部中断源产生并引起处理器处理一个事件，ARM异常按引起异常事件的不同可分为以下3类：

• 指令执行引起的直接异常：软件中断、未定义指令（包括所要求的协处理器不存在时的协处理器指令）和指令预取中止（因为取指过程中的存储器故障而导致的无效指令）
• 指令执行引起的间接异常：数据中止（在读取和存储数据时出现的存储器故障）
• 外部产生的与指令流无关的异常：复位、IRQ和FIQ 

ARM微处理器会执行以下几步操作从异常返回：

①所有修改过的用户寄存器必须从处理程序的保护堆栈中恢复（出栈）；

②将连接寄存器（LR）的值减去相应的偏移量后送到PC中；

③将SPSR_mode寄存器内容复制回CPSR中，使得CPSR从相应的SPSR中恢复，即恢复被中断的程序工作状态；

④若在进入异常处理时设置了中断禁止位，要在此清除。 

第2步、第3步不能独立完成。这是因为，如果先恢复CPSR，则保存返回地址的当前异常模式的R14就不能再访问了；如果先恢复PC，异常处理程序将失去对指令流的控制，使得CPSR不能恢复。因此，ARM提供了两种返回处理机制，利用这些机制，可使上述两步作为一条指令的一部分同时完成。

当返回地址保存在当前异常模式的R14时，使用第1种机制；当返回地址保存在堆栈时，使用第2种机制。只有当R14的值在存入堆栈之前进行过调整，才可使用堆栈的返回机制。

第1种机制：返回地址保存在R14。

 第2种机制：异常处理程序把返回地址复制到堆栈（在这种情况下，SPSR也和PC一样必须保存），可使用一条多寄存器传送指令来恢复用户寄存器并实现返回。

 进入异常处理时保存在相应R14中的PC值，及在退出异常处理时推荐使用的指令：

4 传感器

中国国家标准GB/T 7665-2005《传感器通用术语》对传感器的定义是：“能感受被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。

4.1 构成

传感器一般是把被测量按照一定的规律转换成相应的电信号，其结构组成如图:

• 敏感元件是指能够直接感受被测量，并直接对被测量产生响应输出的部分。
• 转换元件是指将敏感元件的输出信息再转换成适合于传输或后续电路处理使用的电信号部分。
• 转换电路用于将转换元件输出的电信号量转换成便于测量的电量。

4.2 无线传感器网络概述

1）网络的组成

无线传感器网络由无线传感器结点、汇聚结点和管理结点3部分组成：

无线传感器网络体系：

 2）MAC协议

无线传感器网络MAC协议的网络性能指标有：能量有效性、可扩展性、冲突避免、信道利用率、时延、吞吐量、公平性

（1）竞争型MAC协议

竞争型MAC协议的基本思想是，当结点需要发送数据时，通过竞争方式使用无线信道，若发送的数据产生冲突，就按照某种策略退避一段时间再重发数据，直到发送成功或放弃发送为止。

典型的竞争型MAC协议是IEEE 802.11无线局域网和ZigBee网络使用的CSMA/CA（带冲突避免的载波侦听多路访问）。

CSMA/CA的方法为：结点在发送数据前首先侦听信道是否空闲，即是否有其他结点在发送数据，如果有其他结点占用信道，则等待。当信道由忙转闲时，则发送请求发送（RTS）帧请求占用信道。如果收到接收方的允许发送（CTS）帧，则说明信道占用成功，就可以发送数据帧了。如果没有收到对方的CTS帧，说明与其他结点发送的RT S帧发生了冲突，于是随机退避一段时间，再侦听信道重新尝试。

在CSMA/CA的基础上，针对能耗问题，提出多种竞争MAC协议：

S-MAC协议采用周期性的睡眠和侦听机制。在侦听状态，结点可以和它的相邻结点进行通信，侦听、接收或发送数据。在休眠状态，结点关闭发射接收器，以此减少能量的损耗。一般设置侦听的占空比为10%，即2 s中有200ms处于侦听状态。

T-MAC协议对S-MAC协议进行了改进，使侦听占空比能够动态调整，从而适应动态变化的通信负载。

PMAC只唤醒传输路径上的结点，减少了邻居结点过度侦听和分组冲突的状况。

WiseMAC协议在数据确认帧中携带了下一次信道监听时间，这样结点就可以获得所有邻居结点的信道监听时间，从而在发送数据时可以将唤醒前导压缩到最短。

Sift协议是基于事件驱动的MAC协议。大多数传感器网络是事件驱动的网络，多个邻近的结点会同时探测到某个事件，并开始传输相关信息，Sift协议通过在不同时隙采用不同的发送概率，只保证短时间内部分结点能够无冲突地成功发送数据，并抑制其他结点的发送。

（2）调度型MAC协议

调度型MAC协议就是按预先固定的方法把信道划分给或轮流分配给各个结点，例如，时分多址

流量自适应媒介访问（TRAMA）协议：邻居协议、调度交换协议和自适应时隙选择算法（Adaptive Election Algorithm，AEA）。TRAMA协议将时间划分为交替的随机访问周期和调度访问周期，其时隙数由具体应用决定。

3）路由协议

（1）以数据为中心

对感知到的数据按照属性命名，对相同属性的数据在传输过程中进行融合操作，以减少网络中冗余数据的传输。如基于信息协商的传感器协议（Sensor Protocols for Information via Negotiation，SPIN）、定向扩散协议（Directed Diffusion，DD）。

SPIN协议假定网络中的所有结点都是汇聚结点，每个结点都有用户需要的信息，而且相邻的结点所感知的数据类似，所以只要发送其他结点没有的数据即可。

SPIN协议采用了3种数据包来通信：数据描述数据包ADV用于新数据的广播；数据请求数据包REQ用于请求发送数据；数据请求数据包REQ用于请求发送数据

SPIN协议不需要了解网络拓扑结构，当一个传感器结点在发送一个数据包之前，首先向其邻居结点广播发送ADV数据包，如果一个邻居希望接收该数据包，则向该结点发送REQ数据包，接着结点向其邻居结点发送DATA数据包。

 a) 汇聚结点 b) 普通结点

（2）基于簇结构

簇结构路由协议是一种网络分层路由协议，重点考虑的是路由算法的可扩展性。它将传感器结点按照特定规则划分为多个集群（簇），每个簇由一个簇头和多个簇成员组成。多个簇头形成高一级的网络，在高一级的网络中，又可以分簇，从而形成更高一级的网络，直至最高级的汇聚结点。

簇结构路由协议使用的路由算法有低能耗自适应分簇结构（Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy，LEACH）、传感器信息系统的节能型采集方法（Power-Efficient Gathering in Sensor Information Systems，PEGASIS）、阈值敏感的节能的传感器网络协议（Threshold-Sensitive Energy Efficient Sensor Network，TEEN）和两层数据发布（Two-Tier Data Dissemination，TTDD）等。

LEACH算法定义了“轮”的概念，每一轮分为两个阶段：初始化阶段和稳定工作阶段。

在初始化阶段，网络以周期性循环的方式随机选择簇头结点，簇头结点向周围广播信息，其他结点依照所接收到的广播信号强度加入相应的簇头，形成虚拟簇。

在稳定工作阶段，簇头接收结点传来的数据，并进行数据融合处理，以减少网络数据量，并发送到汇聚结点。

（3）基于地理位置信息

基于地理位置信息的路由协议使用的路由算法有GAF、GPSR等。

（4）基于服务质量

有序分配路由协议（Sequential Assignment Routing，SAR）综合考虑了能效和QoS，它维护多棵树结构，每棵树以落在汇聚结点的有效传输半径内的结点为根向外生长，树干的选择需要满足一定的QoS要求和能量储备。大多数结点可能同时属于多棵树，每个结点与汇聚结点之间有多条路径，可任选某一采集树回到汇聚结点。

SPEED协议是一个实时路由协议。SPEED中的每个结点记录所有邻结点的位置信息和转发速度，并设定一个速度门限，当结点接收到一个数据包时，根据这个数据包的目的位置把相邻结点中距离目的位置比该结点近的所有结点划分为转发结点候选集合，然后把转发结点候选集合中转发速度高于速度门限的结点划分为转发结点集合，在这个集合中，转发速度越高的结点被选为转发结点的几率越大。如果没有结点属于这个集合，则利用反馈机制重新路由。

4）传输协议

传输层的主要目的是利用下层提供的服务向上层提供可靠、透明的数据传输服务，因此传输层必须实现流量控制和拥塞避免的功能，以实现无差错、无丢失、无重复、有序的数据传输功能。

• 由传感器执行拥塞检测。源传感器根据自身的缓存状态判断是否发生拥塞，然后向汇聚结点发送当前的网络状态。
• 采用事件到汇聚结点的可靠性模型。
• 消极确认机制。只有当结点发现缓存中的数据包并不是连续排列时，才认为数据丢失，并向邻居结点发送否认数据包，索取丢失的数据包。
• 局部缓存和错误恢复机制。每个中间结点都缓存数据包，丢失数据的结点快速地向邻居结点索取数据，直到数据完整后，该结点才会向下一跳结点发送数据。

（1）缓发快取（Pump Slowly Fetch Quickly，PSFQ）传输协议

汇聚结点以较长的发送间隔将分组顺序地发布到网络中，中间结点在自己的缓冲区中存储这些分组并转发到下游结点。中间结点如果接收到一个乱序的帧，不是立刻转发，而是迅速向上游邻居索取缺失的数据帧。该协议采用的是本地点到点逐跳的差错恢复机制，而不是端到端恢复机制。

（2）事件到汇聚结点的可靠传输（Event-to-Sink Reliable Transport，ESRT）协议

汇聚结点采用基于当前传输状态的动态流量控制机制，确保传输稳定在最优工作状态。传输开始时，汇聚结点发送控制报文，命令源传感器结点以预定的速率回送事件消息报文。在每个决策周期结束时，汇聚结点计算当前传输的可靠性程度，结合源传感器结点回送的拥塞标志位，判断当前的传输状态。

4.3 组网技术

无线传感器网络的组建一般采用低功耗的个域网（PAN）技术，如IEEE 802.15.4低速无线个域网、ZigBee网络、Z-WAVE、Thread、6LowPAN、蓝牙、UWB（超宽带）、红外线IrDA、Halow（即低功耗的IEEE 802.11ah无线局域网）和普通射频芯片等。

1）ZigBee

ZigBee在IEEE 802.15.4的基础上增加了网络层和应用层框架，成为无线传感器网络的主要组网技术之一。ZigBee无线设备工作在公共频段上（全球为2.4GHz，美国为915 MHz，欧洲为868 MHz），传输速率为20～250Kbit/s，传输距离为10～75m。

（1）网络设备

ZigBee把结点设备分为两种：全功能设备（Full-Function Device，FFD）和精简功能设备（Reduced-Function Device，RFD）。FFD设备可以与所有其他FFD设备或RFD设备通信。RFD设备之间不能直接通信，只能与FFD设备通信，或者通过一个FFD设备向外转发数据。

根据设备的功能，ZigBee网络定义了3种设备：协调器、路由器和终端设备。协调器和路由器必须是FFD设备，终端设备可以是FFD或RFD设备。

每个ZigBee网络都必须有且仅有一个协调器，充当无线传感器网络的汇聚结点。

路由器在结点设备之间提供中继功能，负责邻居发现、搜寻网络路径、维护路由和存储转发数据，以便在任意两个设备之间建立端到端的传输。

终端设备就是网络中的任务执行结点，负责采集、发送和接收数据。

（2）拓扑

 （3）协议族

 MAC协议使用CSMA/CA：

 网络帧：

2）Thread

Thread是一种基于IP的无线网络协议，是专门为连接家用智能设备而设计的。

 Thread协议栈提供了一种可靠、高性价比、低功耗的无线D2D（Device-to-Device）通信标准。特点是网络的安装、启动和运行简单、安全性高、网络的规模可大可小、通信覆盖范围大，支持网状（Mesh）网络、无单点故障、低功耗。

Thread网络中的设备分为4种：边界路由器、路由器、有路由器资格的终端设备（Router-eligible End Devices，REED）和休眠的终端设备。

• 边界路由器是一种特殊类型的路由器，提供从802.15.4网络到其他网络的连接，如Wi-Fi、以太网等。Thread网络可能有一个或是多个边界路由器。
• 路由器为网络设备提供路由服务，同时为试图加入网络的设备提供连接和安全服务。路由器在运行时不能够休眠，在必要时可以被降级处理，成为REED。
• REED在网络中不能提供路由器的路由和管理服务。但在必要的情况下，Thread网络能够自动通过管理将REED变为路由器。
• 休眠的终端设备就是网络中的主机，这些类型的终端设备只与其父结点进行通信，而且不能为其他设备提供数据转发。

设备以REED或睡眠终端的身份加入网络，在自动构建网络时，第一个REED结点被指定为路由器，并作为Leader（类似于ZigBee网络中的协调器）。

网络中的其他路由器也能够自动地担任Leader的角色，但是在同一时间内每一个网络中只能有一个Leader。

4.4  核心支撑技术

 拓扑控制、时间同步和数据融合技术

5 物联网安全需求

5.1 安全架构

信息采集安全需要防止信息被窃听、篡改、伪造和重放攻击等。主要涉及RFID、EPC和传感器等技术的安全。采用的安全技术有高速密码芯片、密码技术和公钥基础设施（Public Key Infrastructure，PKI）等。

信息传输安全需要保证信息在传递过程中数据的机密性、完整性、真实性和可靠性，主要是各种通信网络和互联网的安全。采用的安全技术主要有虚拟专用网、信号加密、安全路由、防火墙和安全域策略等。

信息处理安全需要保证信息的处理和储存安全等，主要是云计算、数据中心等的安全。采用的安全技术主要有内容分析、病毒防治、攻击监测、应急反应和战略预警等。

信息应用安全需要保证信息的私密性和使用安全等，主要是个体隐私保护和应用系统安全等。采用的安全技术主要有身份认证、可信终端、访问控制和安全审计等。

物理安全需要保证物联网各层的设备（如信息采集结点、大型计算机等）不被欺骗、控制和破坏。主要涉及设备的安全放置、使用与维护，以及机房的建筑布局等。

5.2 各层安全需求

（1）感知层

感知层可能遇到的安全问题包括：末端结点安全威胁、传输威胁、拒绝服务和路由攻击等。

安全需求：

• 感知层结点常常应用在无人看管的场合，因此，并不能保证结点设备的绝对安全，但可以通过增加设备的冗余来提高整个系统的抗毁性。
• 根据用户的实际需求，通过对称密码或非对称密码的方案实现结点之间在通信前的身份认证。
• 通过限制网络的发包速度和同一数据包的重传次数，来阻止利用协议漏洞导致以持续通信的方式使结点能量资源耗尽的攻击。 

（2）传输层

传输层可能遇到的安全问题有传输的安全问题、隐私的泄漏问题、网络拥塞和DoS攻击、密钥问题等。

安全需求：

通信网络的安全需求主要包括以下几个方面：接入鉴权；话音、数据及多媒体业务信息的传输保护；端到端和结点到结点的机密认证、密钥协商与管理机密性算法选取的有效机制；在公共网络设施上构建虚拟专网（VPN）的应用需求；用户个人信息或集团信息的屏蔽；各类网络病毒、网络攻击和DoS攻击的防护等。

（3）处理层

处理层可能遇到的安全威胁包括：信息识别问题、日志安全问题、配置管理问题和软件远程更新问题。

安全需求：

对信息系统数据库信息的保护，防泄漏、篡改或非法授权使用；有效的数据库访问控制和内容筛选机制；通过安全可靠的通信确保对结点的有效跟踪和控制；确保信息系统或控制系统采集的结点信息及下达的决策控制信息的真实性，防篡改、假冒或重放；安全的计算机信息销毁技术；叛逆追踪和其他有效的信息泄露追踪机制；对信息系统及控制系统的安全审计等。

（4）应用层

应用层面临的安全威胁主要有隐私威胁、业务滥用、身份冒充、重放威胁和用户劣性。

安全需求：

对操作用户的身份认证、访问控制；对行业敏感信息的信源加密及完整性保护；利用数字证书实现身份鉴别；利用数字签名技术防止抵赖；安全审计。