第1章 基础知识

本章要点

●了解智慧家庭与智能家居相关概念。

●熟悉物联网的体系结构与关键技术。

●熟悉无线传感器网络的组成与网络结构。

●掌握家庭网络几种无线通信技术。

●熟悉大数据与云计算。

1.1 智慧家庭与智能家居

1.1.1 智能家居的概念

智能家居是一个以家庭住宅为平台，兼备建筑、网络通信、信息家用电器、设备自动化，集系统、结构、服务、管理为一体的高效、舒适、安全、便利、环保的居住环境。智能家居通过物联网技术将家中的各种设备（如窗帘、空调、网络家用电器、音视频设备、照明系统、安防系统、数字影院系统以及三表抄送等）连接到一起，提供家用电器控制、照明控制、窗帘控制、安防监控、情景模式、远程控制、遥控控制以及可编程序定时控制等多种功能和手段，智能家居示意图如图1⁃1所示。

图1⁃1 智能家居示意图

智能家居是一个集成性的系统体系环境，而不是单一个或一类智能设备的简单组合，传统的智能家居通过利用先进的计算机技术、网络通信技术和综合布线技术，将与家居生活有关的各种子系统有机地结合在一起，通过统筹管理，让家居生活更加舒适、安全、有效。与普通家居相比，智能家居不仅具有传统的居住功能，提供舒适安全、高品位且宜人的家庭生活空间；还由原来的被动静止结构转变为具有能动智慧的工具，提供全方位的信息交换功能，实现了人们与“家居对话”的愿望，帮助家庭与外部保持信息交流畅通，优化人们的生活方式，帮助人们有效安排时间，增强家居生活的安全性，甚至为各种能源费用节约资金。

简单地说，智能家居就是通过智能控制主机将家里的灯光、音响、电视、空调、电风扇、电水壶、电动门窗、安防监控设备甚至燃气管道等所有声、光、电设备连在一起，并根据用户的生活习惯和实际需求设置成相应的情景模式，无论何时何地，都可以通过电话、手机、平板式计算机或者个人计算机来操控或者了解家里的一切。如有外人进入家中，远在千里之外的手机也会收到家里发出的报警信息。

1.1.2 智慧家庭的概念

智慧家庭可以看作是智慧城市理念在家庭层面的体现，是信息化技术在家庭环境的应用落地。智慧家庭是智慧城市的最小单元，是以家庭为载体，以家庭成员之间的亲情为纽带，利用物联网、云计算、移动互联网和大数据等新一代信息技术，实现健康、低碳、智能、舒适、安全和充满关爱的个性化家居生活方式。智慧家庭是智慧城市的理念和技术在家庭层面的应用和体现。

智慧家庭依托核心是物联网非互联网，将数据化的服务推送到家庭中，智慧家庭是一套跨界的依据用户服务需求创新定义的服务产品整合系统，跨界领域包括智能家用电器、智慧娱乐、智能家居、智慧安防、智慧医疗、智能能源、智慧健康等部分，创新的服务需求包括智慧空气、智慧水管理、智慧食品加工与配送、情绪灯光与音乐、住家美容、智慧教育与儿童成长等人们直接感知的创新性产品，爱悠智慧家庭示意图如图1⁃2所示。

图1⁃2 爱悠智慧家庭示意图

智慧家庭又称为智慧家庭服务平台，如海尔U+智慧生活平台的智能硬件包括WiFi模组、智能网关、智能终端三大板块，用户通过一部智能手机，一个APP就能搞定安全、健康、美食、洗护等7大智慧生态圈。海尔U+智慧生活平台如图1⁃3所示。

图1⁃3 海尔U+智慧生活平台

海尔U+智慧生活平台不仅仅是个“云平台”而已，还要连接到“云端”，背后需要大量的智能硬件来支撑。通过这些智能硬件来实现7大生态圈的智能化，打通物与物、物与人之间的接口。具体来说，这些硬件起到了一个人的智能作用。比如，WiFi模组就可让家用电器自行组网，通过WiFi模组可将家中的空调、电冰箱、洗衣机等家用电器产品智能互联。

智能网关可让接入器变成服务器，简单来说，就是让数据收发中心（U+路由器）具备服务功能。这样，作为家庭互联网络的入口，U+路由器不仅承担着将智能手机、平板式计算机、台式计算机等移动终端连接到U+的云端服务器里的责任。还能通过SmartLink功能，做到自动识别家里的U+终端，自动连接的“聪慧”功能，达到用户不用再输入无线账号、密码，简单直接就能操控智能家用电器的效果。

智能终端就是指智能开关、智能监控、智能插座等具体的智能终端产品。

业内专家指出，“智慧家庭”不仅仅意味着智能家居产品形态的创新，它更是一种前所未有的全新商业模式。通过物联网和大数据，将智能硬件、物联网云平台、运营商和地产物业家装等角色有机组织起来，形成完整的生态架构，去满足消费者的“服务”需求，产业完成了“从卖产品到卖服务”的转型升级，新的商业模式由此而生。

智慧家庭发展至今已经历3个发展阶段：1.0时代是单品智慧，即网器+APP；2.0时代是场景智能化，即网器到成套设备的迭代，而由海尔开启的3.0阶段，则是家庭智慧化，旨在面向不同家庭不同需求的生活场景实现从被动服务向主动响应的差异化场景定制。相对于前两个阶段，智慧家庭的3.0时代最大差异，就是人工智能技术的应用，让网器和生态具备主动意识。

1.1.3 智慧家庭的五层架构

智慧家庭作为物联网的一个分支，该系统架构大致可分为五层，自上到下依次为应用层、平台层、传输层、设备层、芯片和技术层，智慧家庭系统架构如图1⁃4所示。应用层负责服务运营，打通设备和内容，做好用户体验；平台层负责各设备间的数据信息、控制命令、能源的互联互通；传输层是具体的无线或有限的传递方式，决定家庭设备物联网的特质；设备层是传感和执行层，是家庭所有信息的源头和落脚点；芯片和技术层是为以上四层做服务，从而推动智慧家庭从概念走向现实。

图1⁃4 智慧家庭系统架构

从图1⁃4可知，智慧家庭的应用领域划分为9类，分别为智能家用电器、居家养老、医疗保健、远程教育、家庭娱乐、社区服务、智能安防、家居控制、能源监控。其中，智能家用电器将改变家庭日常的生活习惯，如同每个家用电器都有一个大脑，帮助用户制订吃穿住行计划，并及时提醒；医疗保健是指以物联网、移动互联网及云计算等技术为依托，通过健康保健类可穿戴式设备等多层次感知终端为数据采集来源，以智能显示终端为服务、资讯、个人健康信息档案为内容汇集终端，在健康保健信息系统的基础上，通过整合健康服务机构来为消费者提供健康保健信息服务；居家养老是指充分借助互联网、物联网等先进科技手段，形成基于云计算、大数据处理等以家庭为核心、以社区为依托、以专业化服务为依靠的新的养老模式，从而为居住在家的老年人提供以解决日常生活困难和健康问题为主要内容的社会化服务，主要包括一键式上门服务、远程健康咨询、身体状况监测、实时健康提醒、老人位置监控等；远程教育是以云概念为基础，以物联网为支撑，构建一个智能教育管理平台，以优质教育资源共建共享和应用，资源整合为中心，融入教学、学习，管理等各个领域，最终实现全民互动教育，逐步提高国人综合素质。远程教育的内容体现在远程视频授课、在线课堂讨论、个性化教学目标设置，突发事件指导等通过网络和智能电子设备进行学习的模式；智慧家庭在影音娱乐方面的应用是指用户通过智能手机、智能电视等智能终端产品，利用网络资源观看各种视频影音节目，获取最新娱乐资讯，并进行游戏、社交等活动，从而丰富人们的生活。影音娱乐是智慧家庭最广泛的应用之一，也是智慧家庭最初的和最显著的体现，它在视频点播、网络音乐、在线游戏，社交互动和实时娱乐资讯等方面均有体现；智能安防负责看护家庭安全，实现自动检测和报警；家居控制将传动灯、开关、窗帘和门磁等进行联动，形成不同情景模式的控制；能源监控是指家庭能源消费过程的计划、控制和监测等一系列设备和方法。通过家庭能源监控、能源统计、能源消费分析、重点能耗设备管理和能源计量设备管理等多种手段，使消费者对能源能源消耗比重、发展趋势有准确的掌握，并将家庭的能源消费规划自动分配到各个家庭智能化设备，达到家庭节能的目的，促进社会整体能耗的降低，保持环境健康和可持续发展；社区服务包括了智慧家庭物业基础设施、提供的相关服务要求、业务流程和方案能力要求，包括相关系统运营维护、服务信息接口和可靠性等管理要求。

智慧家庭中的设备种类繁多，相互间信息交互、共享非常复杂，需要一些平台进行衔接和统一管理。主要有3种平台，其中信息平台掌握所有家庭里的数据内容，须具备大的存储空间；控制平台掌握智能设备的控制指令，对稳定性要求极高；能源平台掌握家庭水、电、气的流向，保证智慧家庭的正常运转。

1.1.4 智慧家庭终端的技术特点

智慧家庭是智能终端的主要应用场所，智能终端是智慧家庭的重要组成部分，智能终端与智慧家庭的融合发展，是人民群众物质和精神文化需求的提升。同时，智能终端又是智慧家庭多种服务能够实现的基础，智慧家庭是智能终端发挥效用的主要场所。

面向个人消费市场的终端产品在发展之初，由于硬件和软件的限制，都是非智能终端，随着嵌入式软硬件系统的发展，智能终端逐步发展并取代非智能终端，成为市场的主流。而家庭网络也从最早的仅为了计算机进行网络布线转化为能够进行数字内容信息协同共享的数字家庭，现在正在逐步向具有多种应用场景及新型服务模式的智慧家庭转换。

从智能终端的硬件架构来讲，智能终端应有高集成度、高性能的嵌入式系统软硬件。智能终端是SoC的典型应用，其系统配置类似于个人计算机，既包含了中央处理器、存储器、显示设备和输入输出设备等硬件，还包含操作系统、应用程序和中间件等软件，要求系统的集成度高于个人计算机。

智能终端的硬件呈现集成度越来越高的现象，使得SoC单颗芯片的功能越来越多，SoC的设计趋向于模块化，不同的芯片设计厂商设计不同的IP核，SoC系统厂商将中央处理器单元和IP软核或硬核集成在单颗芯片中，提高了系统的集成度。

目前市场上用于智能终端的中央处理器主要包含ARM系列处理器、Intel ATOM系列处理器等。这些高性能的处理器增强了智能终端的运行速度，为智能终端所承载的多业务、多应用提供了支持。智能终端硬件组成示意图如图1⁃5所示。

图1⁃5 智能终端硬件组成示意图

1.1.5 智慧家庭与智能家居的区别

有关专家指出，“智能家居”和“智慧家庭”这两者之间的概念区别是：“智能是手段，家居是设备；智慧是思想，家庭是亲情”。

智能家居强调的是连接与控制，把一些硬件单品联动控制起来，只是智慧家庭应用层里面的一个组成部分，参看图1⁃2。而智慧家庭则是生活方式，以家庭为平台、以亲情为纽带，是让家中设备感知人的需求，更好地为人服务。它是一套跨界的依据用户服务需求创新定义的服务产品整合系统，跨界领域包括智能家用电器、智慧娱乐、智能家居、智慧安防、智慧医疗、智能能源和智慧健康等部分，创新的服务需求包括智慧空气、智慧水管理、智慧食品加工与配送、情绪灯光与音乐、住家美容、智慧教育与儿童成长等老百姓直接感知的创新性产品。

在技术模式上，两者也有所不同。智慧家庭包括是设备数据和生活经验数据的有机结合。它涉及两个方面，一个是机械设备的控制数据化模型，另一个是生活经验的数据化，比如医疗数据、情绪管理数据。最终依据两种数据的结合，在家庭里面实现差异化、自动化的服务，核心是物联网推动的数据与智能硬件适配进行的服务自动化以及与社区O2O服务的衔接的服务效率的提升。而这些是智能家居无法做到的。

智慧家庭必须要看两个关键点：一是建立可兼容互通的软件应用平台系统，高度开放的一体化家庭物联网理念；二是必须专注消费者需求。

家联国际提出了智慧家庭的四大要素：

1）互联。做到“家电互联、人家互联、家家互联”。

2）智能。做到“远程控制、智能分析，低碳节能”。

3）感知。做到“家庭环境、家人健康、家居安全”。

4）分享。做到“家人分享、朋友分享、网友分享”。

智慧家庭不是以简单的智能硬件产品来构建，而是以各种服务以及传统产业跨界产生的新服务作为这次智慧家产推动的动力，这就需要产业间的横向跨界。智慧家庭的核心在于提高生活服务的价值。

1.2 物联网

1.2.1 物联网的定义

由于物联网概念刚刚出现不久，随着对其认识的日益深刻，其内涵也在不断地发展、完善，所以目前人们对于物联网的定义有以下几种：

（1）定义1

1999年美国麻省理工学院Auto-ID研究中心提出的物联网概念如下：把所有物品通过射频识别（RFID）和条码等信息传感设备与互联网连接起来，实现智能化识别和管理。

（2）定义2

2005年国际电信联盟（1TU）在《TheInternet of Things》报告中对物联网概念进行扩展，提出如下定义：任何时刻、任何地点、任意物体之间的互联，无所不在的网络和无所不在计算的发展愿景，除RFID技术外，传感器技术、纳米技术、智能终端等技术都将得到更加广泛的应用。

（3）定义3

2009年9月15日欧盟第7框架下RFID和物联网研究项目簇（CERP-IOT）在发布的《Internet of Things Strategic Research Roadmap》研究报告中对物联网的定义如下：物联网是未来互联网（Internet）的一个组成部分，可以被定义为基于标准的和可互操作的通信协议且具有自配置能力的动态的全球网络基础架构。物联网中的“物”都具有标识、物理属性和实质上的个性，使用智能接口，实现与信息网络的无缝整合。

从上述3种定义不难看出，“物联网”的内涵是起源于由RFID对客观物体进行标识并利用网络进行数据交换这一概念，并不断扩充、延展、完善而逐步形成的。

通过这些年的发展，物联网基本可以定义为：通过无线射频识别（RFID）、无线传感器等信息传感设备，按传输协议，以有线和无线的方式把任何物品与互联网相连接，运用“云计算”等技术，进行信息交换和通信等处理，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理等功能的一种网络。物联网是在互联网的基础上，将用户端延伸和扩展到任何物品与物品之间，在这个网络中，物品（商品）能够彼此进行“交流”，而无须人的干预。其实质是利用射频自动识别等技术，通过计算机互联网实现物品（商品）的自动识别和信息的互联与共享。

1.2.2 物联网的体系结构

物联网的突出特征是通过各种感知方式来获取物理世界的各种信息，结合互联网、有线网、无线移动通信网等进行信息的传递与交互，再采用智能计算技术对信息进行分析处理，从而提升人们对物质世界的感知能力，实现智能化的决策和控制。

物联网的体系结构通常被认为有3个层次，从下到上依次是感知层、网络层和应用层，如图1⁃6所示。

1.感知层

物联网的感知层主要完成信息的采集、转换和收集。可利用射频识别（RFID）、二维码、GPS、摄像头、传感器等感知、捕获、测量技术手段，随时随地地对感知对象进行信息采集和获取。感知层包含两个部分，即传感器（或控制器）、短距离传输网络。传感器（或控制器）用来进行数据采集及实现控制，短距离传输网络将传感器收集的数据发送到网关，或将应用平台的控制指令发送到控制器。感知层的关键技术主要为传感器技术和短距离传输网络技术，例如物联网智能家居系统中的感知技术，包括无线温湿度传感器、无线门磁、窗磁、无线燃气泄漏传感器等；短距离无线通信技术（包括由短距离传输技术组成的无线传感网技术）将在后面介绍。

图1⁃6 物联网的体系结构

2.网络层

物联网的网络层主要完成信息传递和处理。网络层包括两个部分，即接入单元、接入网络。接入单元是联接感知层的网桥，它汇聚从感知层获得的数据，并将数据发送到接入网络。接入网络即现有的通信网络，包括移动通信网、有线电话网、有线宽带网等。通过接入网络，人们将数据最终传入互联网。

例如物联网智能家居系统中的网络层还包括家居物联网管理中心、信息中心、云计算平台和专家系统等对海量信息进行智能处理的部分。网络层不但要具备网络运营的能力，还要提升信息运营的能力，如对数据库的应用等。在网络层中，尤其要处理好可靠传送和智能处理这两个问题。

网络层的关键技术既包含了现有的通信技术，如移动通信技术、有线宽带技术、公共交换电话网（PSTN）技术、无线联网（WiFi）通信技术等，又包含了终端技术，如实现传感网与通信网结合的网桥设备、为各种行业终端提供通信能力的通信模块等。

3.应用层

物联网的应用层主要完成数据的管理和数据的处理，并将这些数据与各行业应用相结合。应用层也包括两部分，即物联网中间件、物联网应用。物联网中间件是一种独立的系统软件或服务程序。中间件将许多可以公用的能力进行统一封装，提供给丰富多样的物联网应用。统一封装的能力包括通信的管理能力、设备的控制能力、定位能力等。

物联网应用是用户直接使用的各种应用，种类非常多，包括家庭物联网应用（如家用电器智能控制、家庭安防等），也包括很多企业和行业应用（如石油监控应用、电力抄表、车载应用和远程医疗等）。

应用层主要基于软件技术和计算机技术实现，其关键技术主要是基于软件的各种数据处理技术，此外云计算技术作为海量数据的存储、分析平台，也将是物联网应用层的重要组成部分。应用是物联网发展的目的，各种行业和家庭应用的开发是物联网普及的源动力，将给整个物联网产业链带来巨大利润。

1.2.3 物联网的关键技术

物联网是一种复杂、多样的系统技术，它将“感知、传输、应用”3项技术结合在一起，是一种全新的信息获取和处理技术。因此，从物联网技术体系结构角度解读物联网，可以将支持物联网的技术分为4个层次：感知技术、传输技术、支撑技术、应用技术。

1.感知技术

感知技术是指能够用于物联网底层感知信息的技术，它包括射频识别（RFID）技术、传感器技术、无线传感器网络技术、遥感技术、GPS定位技术、多媒体信息采集与处理技术及二维码技术等。

2.传输技术

传输技术是指能够汇聚感知数据，并实现物联网数据传输的技术，它包括互联网技术、地面无线传输技术、卫星通信技术以及短距离无线通信技术等。

3.支撑技术

支撑技术是物联网应用层的分支，它是指用于物联网数据处理和利用的技术，包括云计算技术、嵌入式技术、人工智能技术、数据库与数据挖掘技术、分布式并行计算和多媒体与虚拟现实等。

4.应用技术

应用技术是指用于直接支持物联网应用系统运行的技术，应用层主要是根据行业特点，借助互联网技术手段，开发各类行业应用解决方案，将物联网的优势与行业的生产经营、信息化管理、组织调度结合起来，形成各类物联网解决方案，构建智能化的行业应用。它包括物联网信息共享交互平台技术、物联网数据存储技术以及各种行业物联网应用系统。

1.2.4 物联网终端设备的发展趋势

物联网是现代信息技术发展到一定阶段后出现的一种聚合性应用与技术提升，将各种感知技术、现代网络技术和人工智能与自动化技术聚合与集成应用，使人与物智慧对话，创造一个智慧的世界。简单、便捷、节能是物联网应用普及的基本要求，物联网终端设备的发展所趋一般有以下几个方面：

1）高精传感器技术的发展将促使智能硬件不断朝着小型化方向发展，这一方面将使得智能硬件更精美，另外一方面将使得监测的灵敏度与准确性更高。

2）采用低功耗蓝牙与WiFi技术的产品将受到消费者的喜爱。随着短距离无线通信技术的普及，将更大程度地实现产品与智能设备的互动连接，从而提高智能设备使用的效率，这就使得制造商能够设计、制造并推出消费者买得起的产品，从而鼓励大众消费。

3）智能可穿戴产品将成为物联网世界中实现人与物交互的核心终端。智能可穿戴产品的普及也将对物联网发展起到关键的作用，例如4G移动通信技术的发展将大大降低智能可穿戴设备对数据处理和功耗的需求，反过来，又为制造商及消费者降低了相应的成本和花费，这将为物联网的普及、应用和发展带来巨大的正面效应。

4）智能硬件中集成计算芯片必将向尺寸更小、运行速度更快、功能更敏捷、产量更大的方向演化。物联网时代是一个计算无处不在的新时代，每个设备、每个物体都将具备计算能力。2014年1月，英特尔推出名为Edison的微型计算平台，这是一款针对智能硬件、可穿戴设备、物联网市场的新产品。它只有SD卡大小，采用22nm Quark双核SoC，集成WiFi、BLE、内存、存储区，预装YoctoProjectLinux系统，支持Arduino、Python以及Wolf⁃ram环境，兼容超过30项业内标准I/O接口。在功耗方面，在正常模式下它的最高功率约为1W，而在低功耗模式下只有250mW，甚至更低。在不到一年的时间里，英特尔从客户中收集反馈意见，不断完善产品功能，终于在2014年年底推出了第二版Edison，虽然尺寸稍微放大了一些，但也远小于大家的想象。

1.2.5 窄带物联网（NBIoT）

窄带物联网（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）是万物互联网络的一个重要分支，构建于通信蜂窝网络，本身只消耗大约180kHz的带宽，成本低，容量大，不占用正常的通信信道，可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络，以降低部署成本、并实现面向5G的平滑升级。与此同时，NBIoT采用全球通用物联网传输协议标准，基于4G FDDLTE网络，通过软硬件系统升级实现业务部署，有效解决物联芯片能耗、待机时长等问题，可广泛应用于工业、农业等经济领域，交通、环保等城市运行领域，智能家居、健康医疗等生活领域，市政、气象等公共服务领域。支持车联网、基础设施智能管理、智能停车、水电暖民生应用智能化改造、城市安全监控、执法监管、安全生产等政府信息化项目应用，可整体提升智慧城市的建设水平和产业发展，窄带物联网体系结构如图1⁃7所示。

图1⁃7 窄带物联网体系结构

2017年4月1日，海尔与中国电信、华为三方签署战略合作协议，共同研发基于新一代NBIoT技术的物联网智慧生活方案。基于这个协议，即使在没有网络覆盖的地方也能够让用户更好的体验物联家用电器带来的方便，实现对智慧家用电器产品的远程控制、安防报警、运行状态监控等，避免了WiFi、蓝牙距离太远无法连接的尴尬情况，以“永在线”的互联互通体验助推智慧生活的落地入户以及更多场景的衍生。

为满足更多场景的物联网部署需求，中国移动将同步推进NBIoT（窄带物联网）和eMTC（增强机器类通信）两项新技术，计划2017年内实现全国范围内NBIoT的全面商用，全年智能连接数增加1亿户，总规模达到两亿户。

2017年5月18日，中国电信无锡分公司与小天鹅合作推出了国内首款物联网智能洗衣机。这款智能洗衣机可实现“人机对话”，使用者只要扫描一下洗衣机上的二维码，就能通过微信公众号或手机APP与洗衣机厂商沟通。使用者通过在手机上进行相关操作，洗衣机就能根据使用者提交的“指令”，进行投放洗衣剂等自动操作，并能解决一些用户的问题，比如有些种类的洗衣剂用户不知道在哪儿买，“交互平台”可自动帮助转接到相应商家；有些衣物不能机洗，“交互平台”可推荐最近的干洗店等。厂商则能通过传输过来的数据，实时了解洗衣机的工作状态，哪里出了问题，哪些程序需要更新，都能迅速掌握并及时解决。也就是说，洗衣机哪里出了问题，用户可能不是第一时间知道的，而厂商才是。而这些能够实现的手段就是窄带物联网技术，通过在洗衣机控制板上安装窄带物联网通信模块，就能实现数据控制和传输的双向管理，从而更好地呵护衣物。

NB-IoT具备四大特点：一是广覆盖，将提供改进的室内覆盖，在同样的频段下，NB IoT比现有的网络增益20dB，相当于提升了100倍覆盖区域的能力；二是具备支撑海量连接的能力，NBIoT一个扇区能够支持10万个连接，支持低延时敏感度、超低的设备成本、低设备功耗和优化的网络架构；三是更低功耗，NBIoT终端模块的待机时间可长达10年；四是更低的模块成本，企业预期的单个接连模块不超过5美元。

有关NBIoT技术，必须先从物联网通信技术说起。从传输距离区分，物联网通信技术主要分为短距离通信技术和广域网通信技术，前者代表有ZigBee、WiFi、Bluetooth等，后者则是常说的LPWAN（低功耗广域网）。LPWAN技术同样分为两类，一类是工作在非授权频段的技术，如Lora、Sigfox等；另一类是工作在授权频段的技术，基于3GPP或3GPP2等国际标准。NB-IoT即是在3GPP标准下新的窄带蜂窝通信LPWAN技术，旨在解决大量物与物之间的低功耗、低带宽、远距离传输的网络连接。

2017年6月28日，在“中国移动物联网大会”上，中国移动首次推出4款NBIoT通用模组，涵盖大中小各种尺寸；芯讯通无线科技有限公司推出NB-IoT/eMTC/GSM三模大尺寸通用模组；中国台湾联发科技股份有限公司（MTK）推出NB-IoT单模小尺寸及NB-IoT/GSM双模大尺寸通用模组，可供用户设计时参考选用。

窄带物联网技术的应用场景有很多，如公共事业、智慧城市、消费电子、设备管理、智能建筑、指挥物流、农业与环境以及文物保护等。智慧城市应用方面，如智能停车、智能路灯、空气检测、智能燃气、共享单车、白色家用电器、智能垃圾桶和智能窨井盖。还有一个值得期待的应用是在防汛领域，一些地势低洼处安装上带有窄带物联网通信技术的传感器后，可及时获得低洼处的水情，从而做到提前告知和预警。

1.3 无线传感器网络

1.3.1 无线传感器网络概述

无线传感器网络（WSN）最早由美国军方提出，起源于1978年美国国防部高级研究所计划署（DARPA）资助的卡耐基梅隆大学进行分布式传感器网络的研究项目。当时没有考虑互联网及智能计算等技术的支持，强调无线传感器网络是由节点组成的小规模自组织网络，主要应用在军事领域。

例如在冷战时期，布设在一些战略要地的海底、用于检测核潜艇行踪的海底声响监测系统（Sound Surveillance System，SOSUS）和用于防空的空中预警与控制系统（AirbomeWarn-ing and Control System，AWACS），这种原始的传感器网络通常只能捕获单一信号，在传感器节点之间进行简单的点对点通信。

无线传感器网络技术的发展大致可分为4个阶段，如表1⁃1所示。

表1⁃1 无线传感器网络技术的发展阶段

1980年，美国国防高级研究计划署（DARPA）又提出了分布式传感器网络（Distritrut-ed Sensor Networks，DSN）项目，该项目开始了现代传感器网络研究的先河。1998年，DARPA再投入巨资启动了SensIT项目，目标是实现“超视距”的战场监测。这两个项目的根本目的是研究传感器网络的基础理论和实现方法，并在此基础上研制具有实用目的的传感器网络。美国军方启动的一些具有代表性的项目，主要包括：1999～2001年间由DARPA资助，UCBerkelcy承担的SmartDust项目；1999～2004年间海军研究办公室Sea Web计划等。当前，在美国国防部高级规划署、美国自然科学基金委员会和其他军事部门的资助下，美国科学家正在对无线传感器网络所涉及的各个方面进行深入的研究。

在民用领域，从1993年开始美国许多知名高校、研究机构相继展开了对WSN的基础理论和关键技术的研究，其中具有代表性有UCBerkeley大学和Intel公司联合成立的被称为智能尘埃（Smart Dust）实验室：加州大学伯克利分校研制的传感器节点Mica、MicaZ、Mi-ca2Dot已被广泛地用于无线传感器网络的研究和开发；美国加州大学（UCLA）的WINS实验室对如何为嵌入式系统提供分布式网络和互联访问能力进行了大量研究，提供了在同一个系统中综合微型传感器技术、低功耗信号处理、低功耗计算、低功耗低成本无线网络等技术的解决方案；RICE大学研制的Gnomes传感器网络由低成本的定制节点组成，每个节点包含一个德州仪器（T1）的微控制器、传感器和一个蓝牙通信模块；2004年在美国国家自然科学基金和国家健康协会的资助下，哈佛大学启动了CodeBule平台研究计划，目的是把WSN技术应用于医疗事业领域：包括医疗救急、灾害事故的快速反应、病人康复护理等方面。

日本总务省在2004年3月成立了“泛在传感器网络”调查研究会，主要的目的是对其研究开发课题、社会的认知性、推进政策等进行探讨。NEC、OKI等公司已经推出了相关产品，并进行了一些应用试验。欧洲国家的一些大学和研究机构也纷纷开展了该领域的研究工作。学术界的研究主要集中在传感器网络技术和通信协议的研究上，也开展了一些感知数据查询处理技术的研究，取得了一些初步结果。

我国对无线传感器网络的发展非常重视。从2002年开始，国家自然科学基金、中国下一代互联网（CNGD）示范工程、国家“863”计划等已经陆续资助了多项与无线传感器网络相关的课题。另外，国内许多科研院所和重点高校近年来也都积极展开了该领域的研究工作。2004年，中国国家自然科学基金委员会将无线传感器网络列为重点研究项目。2005年，我国开始传感网的标准化研究工作。2006年，《国家中长期科学与技术发展规划纲要（2006—2020）》列入了“传感器网络及智能信息处理”部分。对WSN的研究工作在我国虽然起步较晚，但在国家的高度重视和扶持下，已经取得了令人瞩目的成就。

21世纪，电系统MEMS、片上系统SOC、低功耗微电子和无线通信等技术决定了WSN的自组织、低成本、低功耗等独特优势，在智能建筑、自然灾害、环境监测、现代农业、石油勘探、医疗护理和智能交通等领域都有着广阔的应用前景，也推动了家庭自动化的发展。

1.3.2 无线传感器网络的组成与网络结构

无线传感器网络是由大量体积小、成本低、具有无线通信和数据处理能力的传感器节点组成的。传感器节点一般由传感器、微处理器、无线收发器和电源组成，有的还包括定位装置和移动装置，无线传感器网络的组成框图如图1⁃8所示。

图1⁃8 无线传感器网络的组成框图

无线传感器网络由许多密集分布的传感器节点组成，每个节点的功能都是相同的，它们通过无线通信的方式自适应地组成一个无线网络。各个传感器节点将自己所探测到的有用信息，通过多跳中转的方式向指挥中心（主机）报告。传感器节点配备有满足不同应用需求的传感器，如温度传感器、湿度传感器、光照度传感器、红外线感应器、位移传感器、压力传感器等。

传感器节点由传感单元、处理单元、无线收发单元和电源单元等几部分组成，无线传感器网络节点结构如图1⁃9所示。

图1⁃9 无线传感器网络节点结构

传感单元由传感器和AD转换模块组成，用于感知、获取监测区域内的信息，并将其转换为数字信号；处理单元由嵌入式系统构成，包括处理器、存储器等，负责控制和协调节点各部分的工作，存储和处理自身采集的数据以及其他节点发来的数据；无线收发单元由无线通信模块组成，负责与其他传感器节点进行通信，交换控制信息和收发采集数据；电源单元能够为传感器节点提供正常工作所必需的能源，通常采用微型电池。

典型无线传感器网络结构如图1⁃10所示。

图1⁃10 典型无线传感器网络结构

1.3.3 无线传感器网络的体系结构

无线传感器网络（WSN）是由部署在监测区域内大量传感器节点相互通信形成的多跳自组织网络系统，是物联网底层网络的重要技术形式。随着无线通信、传感器技术、嵌入式应用和微电子技术的日趋成熟，WSN可以在任何时间、任何地点、任何环境条件下获取人们所需信息，为物联网（IOT）的发展奠定基础。

无线传感器网络的体系结构由分层的网络通信协议、网络管理平台以及应用支撑平台三个部分组成，无线传感器网络的体系结构如图1⁃11所示。

1.网络通信协议

网络通信协议类似于传统Internet网络中的TCP/IP协议体系，由物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层组成。

图1⁃11 无线传感器网络的体系结构

物理层负责信号的调制和数据的收发，所采用的传输介质主要有无线电、红外线、光波等；数据链路层负责数据成帧、帧检测、媒体访问和差错控制。其中，媒体访问协议保证可靠的点对点和点对多点通信；差错控制则保证源节点发出的信息可以完整无误地到达目标节点；网络层负责路由发现和维护。通常，大多数节点无法直接与网关通信，需要通过中间节点以多跳路由的方式将数据传送至汇聚节点；传输层负责数据流的传输控制，主要通过汇聚节点采集传感器网络内的数据，并使用卫星、移动通信网络、Internet或者其他的链路与外部网络通信，是保证通信服务质量的重要部分。

2.网络管理平台

网络管理平台主要是对传感器节点自身的管理以及用户对传感器网络的管理，它包括了拓扑控制、服务质量管理、能量管理、安全管理、移动管理以及网络管理等。

3.应用支撑平台

应用支撑平台是建立在分层网络通信协议和网络管理技术的基础之上，它包括一系列基于监测任务的应用层软件，通过应用服务接口和网络管理接口来为终端用户提供各种具体应用的支持。

无线传感器网络的通信协议和应用要求各节点间的时钟必须保持同步，这样多个传感器节点才能相互配合工作。此外，节点的休眠和唤醒也要求时钟同步。

节点定位是确定每个传感器节点的相对位置或绝对位置，节点定位在军事侦察、环境监测、紧急救援等应用中尤为重要。

1.3.4 无线传感器网络的特点

无线传感器网络是集信息采集、数据传输、信息处理于一体的综合智能信息系统。与传统无线网络相比在通信方式、动态组网以及多跳通信等方面有许多相似之处，但同时也存在很大的差别。无线传感器网络具有许多鲜明的特点：

1.节点的能量、计算能力和存储容量有限

传感器节点体积微小，通常携带能量十分有限的电池。电池的容量一般不是很大。由于传感器节点数目庞大，成本要求低廉，分布区域广，而且部署区域环境复杂，有些区域甚至人员不能到达，所以传感器节点通过更换电池的方式来补充能源是不现实的，如果不能给电池充电或更换电池，一旦电池能量用完，这个节点也就失去了作用（死亡）；另外传感器节点由于受价格、体积和功耗的限制，其计算能力、程序空间和内存空间比普通的计算机功能要弱很多。

2.节点数量大，密度高

传感器网络中的节点分布密集，数量巨大，可能达到几百、几千万，甚至更多。此外为了对一个区域执行监测任务，往往有成千上万传感器节点空投到该区域。传感器节点分布非常密集，利用节点之间高度连接性来保证系统的容错性和抗毁性。传感器网络的这一特点使得网络的维护十分困难甚至不可维护，因此传感器网络的软、硬件必须具有高强壮性和容错性，以满足传感器网络的功能要求。

3.拓扑结构易变化，具有自组织能力

在传感器网络应用中，节点通常被放置在没有基础结构的地方。传感器节点的位置不能预先精确设定，节点之间的相互邻居关系预先也不知道，而是通过随机布撒的方式。这就要求传感器节点具有自组织能力，能够自动进行配置和管理，通过拓扑控制机制和网络协议自动形成转发监控数据的多跳无线网络系统。同时，由于部分传感器节点能量耗尽或环境因素造成失效，以及经常有新的节点加入，或是网络中的传感器、感知对象和观察者这三要素都可能具有移动性，这就要求传感器网络必须具有很强的动态性，以适应网络拓扑结构的动态变化。

4.数据为中心

无线传感器网是以数据为中心的网络。传感器网络的核心是感知数据，而不是网络硬件。观察者感兴趣的是传感器产生的数据，而不是传感器本身。观察者不会提出这样的查询：“从A节点到B节点的连接是如何实现的？”他们经常会提出如下的查询：“网络覆盖区域中哪些地区出现毒气？”在传感器网络中，传感器节点不需要地址之类的标识。因此，传感器网络是一种以数据为中心的网络，

5.多跳路由，采用空间位置寻址方式

网络中节点通信距离有限，一般在几百米范围内，节点只能与它的邻居直接通信。如果希望与其射频覆盖范围之外的节点进行通信，则需要通过中间节点进行路由。固定网络的多跳路由使用网关和路由器来实现，而无线传感器网络中的多跳路由是由普通网络节点完成的，没有专门的路由设备。这样每个节点既可以是信息的发起者，又是信息的转发者，并采用空间位置寻址方式。

6.节点出现故障的可能性较大

由于WSN中的节点数目庞大，分布密度超过如Ad hoc网络那样的普通网络，而且所处环境可能会十分恶劣，所以出现故障的可能性会很大。有些节点可能是一次性使用，可能会无法修复，所以要求其有一定的容错率。

1.4 家庭网络几种无线通信技术

1.4.1 无线通信技术概述

无线通信是利用电磁波信号可以在自由空间中传播的特性进行信息交换的一种通信方式，近些年信息通信领域中，发展最快、应用最广的就是无线通信技术。在移动中实现的无线通信又通称为移动通信，人们把二者合称为无线移动通信。

无线通信离不开无线网络，凡是采用无线传输媒体的网络都可称为无线网络，无线媒体可以是无线电波、红外线或激光等。无线网络是由许多独立的无线节点之间，通过空气中的无线电波/光波，构成的无线通信网络。无线通信网络根据覆盖距离的不同，分为无线个域网（WPAN）、无线局域网（WLAN）、无线城域网（WMAN）和无线广域网（WWAN）等。

随着无线通信技术的发展，国际电气和电子工程师协会（IEEE）于1997年制定出第一个无线局域网标准IEEE802.11。此后IEEE802.11迅速发展了一个系列标准，并在家庭、中小企业、商业领域等方面取得了成功的应用。1999年，IEEE成立了802.16工作组开始研究建立一个全球统一的宽带无线接入城域网（WMAN）技术规范。虽然宽带无线接入技术的标准化历史不长，但发展却非常迅速。已经制定的标准有IEEE 802.11、IEEE 802.15、IEEE 802.16、IEEE 802.20、IEEE 802.22等。图1⁃12和表1⁃2给出了IEEE 802无线标准体系及其特征对比。

图1⁃12 IEEE 802无线标准体系

表1⁃2 IEEE 802 无线体系及其特征比较

短距离无线通信涵盖了无线个域网（WPAN）和无线局域网（WLAN）的通信范围。其中WPAN的通信距离可达10m左右，而WLAN的通信距离可达100m左右。除此之外，通信距离在毫米至厘米量级的近距离无线通信（NFC）技术和可覆盖几百米范围的无线传感器网络（WSN）技术的出现，进一步扩展了短距离无线通信的涵盖领域和应用范围。

短距离无线通信有如下特点。

（1）低功耗

由于短距离无线应用的便携性和移动特性，低功耗是基本要求；另一方面，多种短距离无线应用可能处于同一环境之下，如WLAN和微波RFID，在满足服务质量的要求下，要求有更低的输出功率，避免造成相互干扰。

（2）低成本

短距离无线应用与消费电子产品联系密切，低成本是短距离无线应用能否推广和普及的重要决定因素。此外，如RFID和WSN应用，需要大量使用或大规模敷设，成本成为技术实施的关键。

（3）多为室内环境下应用

与其他无线通信不同，由于作用距离限制，大部分短距离应用的主要工作环境是在室内，特别是WPAN应用。

（4）使用ISM频段

考虑到产品和协议的通用性及民用特性，短距离无线技术基本上使用免许可证ISM频段。

（5）电池供电的收发装置

短距离无线应用设备一般都有小型化、移动性要求。在采用电池供电后，需要进一步加强低功耗设计和电源管理技术的研究。

物联网的无线通信技术很多，主要分为两类：一类是ZigBee、WiFi、蓝牙、Z-wave等短距离通信技术；另一类是LPWAN（低功耗广域网），即广域网通信技作于授权频谱下，3GPP支持的2/3/4G蜂窝通信技术，比如EC-GSM、LTECat-m、NB-IoT等。

1.4.2 ZigBee技术

1.概述

ZigBee技术是一种近距离、低功耗、低速率以及低成本的双向无线通信技术。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有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。因此非常适用于智能硬件的无线控制指令传输。

ZigBee是一种高可靠的无线数据传输网络，类似于CDMA和GSM网络。ZigBee数据传输模块类似于移动网络基站，最多可达6.5万个。在整个网络范围内，每一个ZigBee网络数据传输模块之间可以相互通信，每个网络模块间的通信距离可以从标准的75m无限扩展。

ZigBee技术采用DSSS（直接序列扩频）扩频技术，使用的频段分为2.4GHz（全球）、868MHz（欧洲）和915MHz（美国），而且均为免付费、免申请的无线电频段。3个频段传输速率分别为20kbit/s、40kbit/s与250kbit/s。

ZigBee采用自组网的方式进行通信，也是无线传感器网领域最为著名的无线通信协议。在无线传感器网络中，当某个传感器的信息从某条通信路径无法顺畅的传递出去时，动态路由器会迅速的找出另外一条近距离的信道传输数据，从而保证了信息的可靠传递。

到目前为止ZigBee技术主要是基于两个标准，一个是ZigBee联盟所制定的V1.0规范，另一个是IEEE802.15.4工作组所制定的低速、近距离的无线个域网标准。V1.0规范是基于IEEE802.15.4标准基础之上的，两个规范都满足OSI参考模型。

ZigBee的底层技术基于IEEE 802.15.4，即其物理层和媒体访问控制层直接使用了IEEE802.15.4的定义。IEEE 802.15.4规范是一种经济、高效、低数据速率（<250kbit/s）、工作在2.4GHz和868/915MHz的无线技术，用于个人区域网和对等网络。它是ZigBee应用层和网络层协议的基础。ZigBeeHA协议是智能家居行业的统一标准。

ZigBee技术是一组基于IEEE 802.15.4无线标准研制开发的，有关组网、安全和应用软件方面的技术标准，无线个人局域网工作组IEEE 802.15.4技术标准是ZigBee技术的基础，ZigBee技术建立在IEEE 802.15.4标准之上，IEEE 802.15.4只处理低级MAC层和物理层协议，ZigBee联盟对其网络层协议和API进行了标准化。

ZigBee联盟于2015年11月发布的ZigBee3.0版标准，强化低延迟与低功耗优势，并加入网际网路通信协定（IP）支援能力，能大幅简化家中各种装置互连设计的复杂度，同时实现让用户以IP网路进行远端操控，因而成为打造智慧家庭的理想技术。

ZigBee技术体系基本架构如图1⁃13所示。

图1⁃13 ZigBee技术体系基本架构

2.特点

作为一种无线通信技术，ZigBee具有如下特点：

（1）功耗低

ZigBee网络模块设备工作周期较短、传输数据量很小，且使用了休眠模式（当不需接收数据时处于休眠状态，当需要接收数据时由“协调器”唤醒它们）。因此，ZigBee模块非常省电，2节5号干电池可支持1个模块工作6～24个月，甚至更长。这是ZigBee的突出优势，特别适用于无线传感器网络。

（2）成本低

由于ZigBee协议栈设计非常简单（不到蓝牙的1/10），所以降低了对通信控制器的要求。普通网络模块硬件只需8位微处理器，4～32KB的ROM，且软件实现也很简单。ZigBee协议是免专利费的，每块芯片的价格低于1美元。

（3）可靠性高

ZigBee采用了CSMA/CA碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输机制，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。所以从根本上保证了数据传输的可靠性。如果传输过程中出现问题可以进行重发。

（4）时延短

ZigBee技术与蓝牙技术的时延相比，其各项指标值都非常小。通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，典型的搜索设备时延30ms，而蓝牙为3～10s。休眠激活时延为15ms，活动设备信道接入时延为15ms。因此ZigBee技术适用于对时延要求苛刻的无线控制（如工业控制场合等）应用。

（5）数据传输速率低

ZigBee工作在20～250kbit/s的较低速率，它分别提供20kbit/s（868MHz）、40kbit/s（915MHz）与250kbit/s（2.4GHz）的原始数据吞吐率，满足低速率传输数据的应用需求。

（6）网络容量大

相比于蓝牙网络只支持7个从设备的连接，一个星形结构的ZigBee网络最多可以容纳一个主设备和254个从设备，一个区域内最多可以同时存在100个ZigBee网络，这样，最多可组成65000个模块的大网，网络容量大，组网灵活。

（7）安全性好

ZigBee提供了三级安全模式。第一级实际上是无安全方式，对于某种应用，如果安全并不重要或者上层已经提供足够的安全保护，器件就可以选择这种方式来转移数据；对于第二级安全级别，器件可以使用接入控制清单（ACL）来防止非法器件获取数据，在这一级不采取加密措施；第三级安全级别在数据转移中采用属于高级加密标准（AES）的对称密码，AES可以用来保护数据净荷和防止攻击者冒充合法器件，以灵活地确定其安全性。

（8）有效范围小

ZigBee有效覆盖范围10～75m，具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定，基本上能够覆盖普通的家庭或办公室环境。

（9）兼容性好

ZigBee技术与现有的控制网络标准无缝集成。通过网络协调器自动建立网络，采用载波侦听/冲突检测（CSMACA）方式进行信道接入。为了可靠传递，还提供全握手协议。

3.应用领域

ZigBee技术的应用领域主要包括家庭和楼宇网络、工业控制、公共场所、农业控制、商业和医疗等。ZigBee技术的应用领域如图1⁃14所示。

图1⁃14 ZigBee技术的应用领域

1.4.3 蓝牙技术

1.概述

“蓝牙”（Bluetooth）是一种短距离无线通信技术规范，它将计算机技术与通信技术更紧密地结合在一起，使得现代一些轻易携带的移动通信设备和计算机设备，不必借助电缆就能联网，随时随地进行信息的交换与传输。除此之外，蓝牙技术还可为数字网络和外设提供通用接口，以组建远离固定网络的个人特别联接设备群。蓝牙技术主要面向网络中各类数据及语音设备（如PC、拨号网络、笔记本式计算机、打印机、数码相机、移动电话和高品质耳机等，通过无线方式将它们联成一个微微网，多个微微网之间也可以互联形成分布式网络，从而方便、快速地实现各类设备之间的通信。它是实现语音和数据无线传输的开放性规范，是一种低成本、短距离的无线联接技术。其中无线收发器是很小的一块芯片，大约有9mm×9mm，可方便地嵌入到便携式设备中，从而增加设备的通信选择性。

蓝牙技术最早始于1994，由瑞典爱立信研发。1998年5月，爱立信、诺基亚、东芝、IBM和英特尔公司等5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。

蓝牙协议的标准版本为IEEE 802.15.1，新版IEEE 802.15.1a基本等同于蓝牙技术规范V1.2标准，具备一定的QoS特性，并完整保持后向兼容性。截止目前蓝牙技术规范已经更新了10个版本，分别为蓝牙1.0/1.1/1.2/2.0/2.1/3.0/4.0/4.1/4.2/5.0。蓝牙4.2标准数据传输速率可达1Mbit/s、隐私功能更强大，IPv6网络支持。全新蓝牙5.0标准在性能上将远超蓝牙4.2LE版本，包括在有效传输距离上将是4.2LE版本的4倍，也就是说，理论上，蓝牙发射和接收设备之间的有效工作距离可达300m。而传输速度将是4.2LE版本的两倍，速度上限为24Mbit/s。另外，蓝牙5.0还支持室内定位导航功能，可以作为室内导航信标或类似定位设备使用，结合WiFi可以实现精度小于1m的室内定位。这样，用户就可以在那些非常大的商场中通过支持蓝牙5.0的设备找到路线。另外，蓝牙5.0针对物联网进行了很多底层优化，力求以更低的功耗和更高的性能为智能家居服务。自2016年年底蓝牙5.0标准发布后，蓝牙技术联盟一直在推动蓝牙5.0投入市场。蓝牙5.0将运用于无线可穿戴、工业、智能家庭和企业市场领域。

蓝牙技术规范的目的是使符合该规范的各种应用之间能够互通，为此，本地设备与远端设备需要使用相同的协议栈。不同的应用可以在不同的协议栈上运行。但是，所有的协议栈都要使用蓝牙技术规范中的数据链路层和物理层。完整的蓝牙协议栈如图1⁃15所示，在其顶部支持蓝牙使用模式的相互作用的应用被构造出来。不是任何应用都必须使用全部协议，相反，应用只会采用蓝牙协议栈中垂直方向的协议。图1⁃15显示了数据经过无线传输时，各个协议如何使用其他协议所提供的服务，但在某些应用中这种关系是有变化的，如需控制连接管理器时，一些协议如逻辑链路控制应用协议（L2CAP），二元电话控制规范（TCSBinary）可使用链路管理协议（LMP）。完整的协议包括蓝牙专用协议（LMP和L2CAP）和蓝牙非专用协议（如对象交换协议OBEX和用户数据报协议UDP）。设计协议和协议栈的主要原则是尽可能利用现有的各种高层协议，保证现有协议与蓝牙技术的融合及各种应用之间的互通性，充分利用兼容蓝牙技术规范的软/硬件系统。蓝牙技术规范的开放性保证了设备制造商可自由地选用蓝牙专用协议或常用的公共协议，在蓝牙技术规范基础上开发新的应用。

图1⁃15 蓝牙协议栈

蓝牙协议体系中的协议由SIG分为4层。

1）蓝牙核心协议：基带协议（Base Band）、链路管理协议（LMP）、逻辑链路控制和适配协议（L2CAP）、服务检测协议（SDP）。

2）电缆替换协议：RFCOMM。

3）电话传送控制协议：TCSBinary、ATCommands。

4）选用协议：PPP、UDP/TCP/IP、OBEX、vCard、vCal、IrMC、WAE。

除上述协议层外，蓝牙规范还定义了主机控制器接口（HCl），它为基带控制器、连接管理器提供命令接口，并且可通过它访问硬件状态和控制寄存器。HCI位于L2CAP的下层，但HCI也可位于L2CAP上层。蓝牙核心协议由SIG制定的蓝牙专利协议组成，绝大部分蓝牙设备都需要蓝牙核心协议（包括无线部分），而其他协议根据应用的需要而定。总之，电缆替换协议、电话控制协议和被采用的协议构成了面向应用的协议，允许各种应用运行在核心协议之上。

2.特点

蓝牙技术具有以下特点：

（1）低成本，全球范围适用

蓝牙技术使用的是2.4GHz的ISM频段。现有的蓝牙标准定义的工作频段为2.402～2.480MHz，这是一个无须向专门管理部门申请频率使用权的频段。

（2）便于使用

蓝牙技术的程序写在一个不超过1cm²的微芯片中，并采用微微网与散射网络结构及调频和短包技术。与其他工作在相同频段的系统相比，蓝牙跳频更快，数据包更短，这使蓝牙技术比其他系统都更稳定。

（3）安全性高和抗干扰能力强

蓝牙无线收发器采用扩展频谱跳频技术。把2.402～2.480MHz以1MHz划分为79个频点，根据主单元调频序列，采用每秒1600次快速调频。跳频是扩展频谱常用的方法之一，在一次传输过程中，信号从一个频率跳到另一个频率发送，而频率点的排列顺序是伪随机的，这样蓝牙传输不会长时间保持在一个频率上，也就不会受到该频率信号的干扰。

（4）低功耗

蓝牙设备在通信连接状态下，有4种工作模式：激活模式、呼吸模式、保持模式和休眠模式。激活模式是正常的工作状态，另外3种模式是为了节能所规定的低功耗模式。呼吸模式下的从设备周期性地被激活：保持模式下的从设备停止监听来自主设备的数据分组，但保持其激活成员地址：休眠模式下的主从设备仍保持同步，但从设备不需要保留其激活成员地址。这3种节能模式中，呼吸模式的功耗最高，但对于主设备的响应最快，休眠模式的功耗最低，对于主设备的响应最慢。

（5）开放的接口标准

蓝牙特别兴趣小组（SIG）为了推广蓝牙技术的使用，将蓝牙的技术标准全部公开，全世界范围内的任何单位和个人都可以进行蓝牙产品的开发，只要最终通过SIG的蓝牙产品兼容性测试，就可以推向市场。这样一来，SIG就可以通过提供技术服务和出售芯片等业务获利，同时大量的蓝牙应用程序也可以得到大规模推广。

（6）全双工通信和可靠性高

蓝牙技术是采用时分双工通信，实现了全双工通信。采用FSK调制，CRC、FEC和ARQ，保证了通信的可靠性。

（7）网络特性好

由于蓝牙支持一点对一点及一点对多点通信，利用蓝牙设备也可方便地组成简单的网络（微微网）。蓝牙无线网络结构示意图如图1⁃16所示。

图1⁃16 蓝牙无线网络结构示意图

图中BAP为蓝牙接入点；LAN为局域网

3.应用领域

蓝牙技术的应用一般分为3大类，即语音/数据接入、外围设备互联和无线个人局域网。语音/数据的接入是将一台计算机通过安全的无线链路联接通话设备上，以完成与广域通信网络的互联；外围设备互联是指将各种设备通过蓝牙链路联接主机上；无线个人局域网的主要应用是个人网络和信息的共享和交换。从市场的角度看，蓝牙技术可制造出点对点连接、点对多点连接及无线个人局域网等网络产品。

1.4.4 WiFi技术

1.概述

WiFi是英文无线保真（Wireless Fidelity）的缩写，俗称为无线宽带。是无线局域网（WLAN）中的一个标准（IEEE 802.11b）。随着技术的发展以及IEEE 802.11a和IEEE 802.11g等标准的出现，现在IEEE 802.11这个标准已被统称为WiFi。

WiFi技术与蓝牙技术一样，同属于在办公室和家庭中使用的短距离无线通信技术。使用的使2.4GHz附近的频段，该频段是无须申请的ISM无线频段。同蓝牙技术相比，它具备更高的传输速率，更远的传播距离，已经广泛应用于笔记本式计算机、智能手机、汽车等广大领域中。

WiFi是以太网的一种无线扩展，理论上只要用户位于一个接入点四周的一定区域内，就能以最高约11Mbit/s的速度接入全球广域网（Web）。但实际上，如果有多个用户同时通过一个点接入，带宽被多个用户分享，WiFi的连接速度一般将只有几百kbit/s的信号不受墙壁阻隔，在建筑物内的有效传输距离小于户外。

WiFi技术未来最具潜力的应用将主要在家居办公（SoHo）、家庭无线网络，以及不便安装电缆的建筑物或场所。目前通过有线网络外接一个无线路由器，就可以把有线信号转换成WiFi信号。

IEEE 802.11是针对WIFI技术制定的一系列标准，第一个版本发表于1997年，其中定义了介质访问接入控制层和物理层。物理层定义了工作在2.4GHz的ISM频段上的两种无线调频方式和一种红外传输的方式，总数据传输速率设计为2Mbit/s。1999年加上了两个补充版本：802.11a定义了一个在5GHzISM频段上的数据传输速率可达54Mbit/s的物理层，802.11b定义了一个在2.4GHz的ISM频段上但数据传输速率高达11Mbit/s的物理层。802.11g在2003年7月被通过，其载波的频率为2.4GHz（跟802.11b相同），传输速率达54Mbit/s。802.11g的设备向下与802.11b兼容。其后有些无线路由器厂商应市场需要而在IEEE 802.11g的标准上另行开发新标准，并将理论传输速度提升至108Mbit/s或125Mbit/s。IEEE 802.11n是2004年1月时IEEE宣布组成一个新的单位来发展的新的802.11标准，于2009年9月正式批准，最大传输速度理论值为600Mbit/s，并且能够传输更远的距离。IEEE802.11ac是一个正在发展中的802.11无线计算机网络通信标准，它通过5GHz频带进行无线局域网（WLAN）通信，在理论上，它能够提供高达1Gbit/s的传输速率，进行多站式无线局域网（WLAN）通信。

IEEE 802.11协议主要工作在ISO协议的物理层和数据链路层。IEEE 802.11基本结构模型如图1⁃17所示，其中数据链路层又划分为LLC和MAC两个子层。

图1⁃17 IEEE 802.11基本结构模型

2016年，WiFi联盟公布的802.11ah WiFi标准——WiFi HaLow，使得WiFi可以被运用到更多地方如：小尺寸、电池供电的可穿戴设备同时也适用于工业设施内的部署，以及介于两者之间的应用。HaLow采用900MHz频段，低于当前WiFi的2.4GHz和5GHz频段，如图1⁃18所示。HaLow功耗更低，覆盖范围可以达到1km，信号更强，且不容易被干扰。这些特点使得WiFi更加顺应了物联网时代的发展。

图1⁃18 802.11ah WiFi标准

2017年2月，WiFi联盟最新公布的802.11ax是802.11ac的加强版，与802.11ac一样都工作在5GHz频段。不同的是802.11ax使用了MU-MIMO技术，将信号在时域、频域、空域等多个维度上分成4个不同的“信号通道”，每个“信号通道”都能单独与一台设备进行通信。就好比将一条高速公路分成4个不同的车道，效率成倍提高。除MU-MIMO技术外，802.11ax的还引入了OFDMA（正交频分多址）技术，能在多个副载波上对数据进行编码，也就是在相同空间区域内装入更多的数据，这是下一代高速无线通信网络的核心技术。此外，802.11ax在显著提高吞吐量的同时，还有效改善了行动装置的电源利用率。不仅仅是理论值，使用者在例如人口稠密的场所、室内与户外等存在干扰源的实际环境中，也可以达到提升吞吐量的作用。从技术层面上来说，802.11ax支持12路数据流（8个5GHz和4个2.4GHz）、8×8MU-MIMO、80MHz信道，以及增加网络容量与覆盖的其他特性，支持正交频分多址（OFDMA）与流量调度，效率更高，吞吐量更大，并且在新的资源管理方式和唤醒时间优化下，WiFi功耗降低达2/3，因此有助于延长设备的续航时间。

IEEE 802.11工作组研究和标准化了完整的WiFi技术体系，涵盖从物理层核心标准到频谱资源、管理、视频车载应用多方面等一系列标准，IEEE 802.11标准化进程如表1⁃3所示。

表1⁃3 1EEE802.11标准化进程

2.特点

WiFi技术具有以下特点。

（1）无线电波的覆盖范围广

WiFi的半径可达100m，甚至可以覆盖整栋大楼。

（2）WiFi的传输速度很快

最高可达54Mbit/s，符合个人和社会信息化的需求。在网络覆盖范围内，允许用户在任何时间、任何地点访问网络，随时随地享受诸如网上证券、视频点播（VOD）、远程教育、远程医疗、视频会议和网络游戏等一系列宽带信息增值服务，并实现移动办公。

（3）无须布线

可以不受现实地理条件的限制，因此非常适合移动办公用户的需要。只要在需要的地方安装无线路由器，并通过高速线路将因特网接入。这样，在无线路由器所发射出的电波的覆盖范围内，用户只要将支持无线LAN的笔记本计算机或PDA拿到该区域内，即可高速接入互联网。

（4）健康安全

IEEE802.11规定的发射功率不可超过100mW，实际发射功率为60～70mW，而手机的发射功率为200mW～1W，手持式对讲机高达5W。与后者相比，WiFi产品的辐射更小。

3.应用领域

随着Internet的快速发展，WiFi在个人、家庭和企业的应用已经非常普及，并且和有线网络（固网）及移动网络（蜂窝网）相结合，提供更加丰富的应用。目前在公交车、火车、机场、商场等公共场所均提供免费的WiFi服务；而且支持WiFi的电子产品越来越多，像智能手机、MP4、计算机等，基本上已经成为主流标准配置，WiFi的应用示意图如图1⁃19所示。

图1⁃19 WiFi的应用示意图

1.4.5 超宽带UWB技术

1.概述

超宽带（Ultra Wide Band，UWB）技术是一种无载波通信技术，即它不采用正弦载波，而是利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，因此其所占的频谱范围很宽。UWB可在非常宽的带宽上传输信号，美国FCC对UWB的规定为：在3.1～10.6GHz频段中占用500MHz以上的带宽。由于UWB可以利用低功耗、低复杂度发射/接收机实现高速数据传输，在近年来得到了迅速发展。它在非常宽的频谱范围内采用低功率脉冲传送数据而不会对常规窄带无线通信系统造成大的干扰，并可充分利用频谱资源。

UWB技术具有系统复杂度低、发射信号功率谱密度低、对信道衰落不敏感、低截获能力、定位精度高等优点，尤其适用于室内等密集多径场所的高速无线接入，非常适于建立一个高效的无线局域网或无线个域网（WPAN）。UWB主要应用在小范围、高分辨率、能够穿透墙壁、地面和身体的雷达和图像系统中。除此之外，这种新技术适用于对速率要求非常高（大于100Mbit/s）的LAN或PAN。

UWB有可能在10m左右的范围内，支持高达110Mbit/s的数据传输率，不需要压缩数据，可以快速、简单、经济地完成视频数据处理。UWB具有抗干扰性能强、传输速率高、带宽极宽、消耗电能小、发送功率小等诸多优势，主要应用于室内通信、高速无线LAN、家庭网络、无绳电话、安全检测、位置测定、雷达等领域。

UWB的标准化过程主要在国际标准化组织IEEE 802.15工作组内完成，IEEE 802.15致力于无线个人网（WPAN）的标准化。WPAN系统主要用于个人设备之间的互联，它的覆盖范围一般在10m以内，而且应该具有廉价、低能耗的特点。其中的802.15.3a采用UWB技术实现55Mbit/s以上的高速率传输。802.15.4a旨在提供高精度测距和定位服务（精度为lm以内），以及实现更长的作用距离和超低耗电量，在这个协议中，脉冲无线电UWB技术也是备选方案之一。

目前的UWB技术根据底层UWB信号的实现形式不同，可分为两大类。一类是基于窄脉冲式的冲激类UWB，即不使用载波，而是使用短的能量脉冲序列，并通过正交频分调制或直接排序将脉冲扩展到一个频率范围内。这样提出的UWB设计方案称为直接序列CDMA UWB（DS-CDMA UWB）方案。这个方案频谱利用率高，可进行高精度定位和跟踪，抵抗多径衰落能力强，但频谱共享的灵活性较差，不利于与其他窄带系统共存。另外一类是基于调制载波扩频式的载波类UWB，提出的设计方案叫多载波OFDM UWB（MB-OFDM UWB）方案，它采用OFDM技术传输子带信息，提高了频谱的灵活性，但易造成较高的功率峰值与均值比（PAR），容易产生对其他系统的干扰，因此解决干扰问题是该方案目前最大的难题。两种技术形成了鲜明对立的两大阵营，使得制订面向UWB高速数据传输标准的802.15.3a工作组已经解散。目前，由ITU-RTG1/8工作组来负责UWB高速数据传输的全球统一标准的制订工作。

我国在2001年9月初发布的“十五”国家863计划通信技术主题研究项目中，首次将“超宽带无线通信关键技术及其共存与兼容技术”作为无线通信共性技术与创新技术的研究内容，鼓励国内学者加强这方面的研究工作。至于产品方面，由于UWB标准迟迟未定，同时，我国政府还未对UWB的频谱做出规划，因此，国内厂商还都处于观望阶段，技术上保持跟踪，生产尚未启动，仅有海尔等少数厂商与国外公司合作，开发一些样品。

目前，我国的UWB标准化工作尚未有定论，可根据自身的特点，积极参与UWB标准的研究与制定。目前UWB国际标准悬而未决的现状也为技术创新与新标准的提出提供了空间和时间。我国应该积极参与两种主流UWB标准的制定、修改和评估，为我国选择一种适宜的、更有利于中国UWB产业发展的技术，和广大的国内生产厂商一起，推进我国UWB技术的标准化工作。

同时，在低速UWB技术的研究中，我国802.15.4a征集提案过程已过，我国仍可根据具有自主知识产权的技术制定国家标准，这也使我国制定不同于国际标准的国家标准成为可能。

2.特点

由于UWB技术不同于传统的通信技术，因此具有以下技术特点：

（1）系统结构的实现比较简单

当前的无线通信技术所使用的通信载波是连续的电波，载波的频率和功率在一定范围内变化，从而利用载波的状态变化来传输信息。而UWB则不使用载波，它通过发送纳秒级脉冲来传输数据信号。UWB发射器直接采用脉冲小型激励天线，不需要传统收发器所需要的上变频，从而不需要功率放大器与混频器，因此，UWB允许采用非常低廉的宽带发射器。在接收端，UWB接收机也有别于传统的接收机，UWB接收机不需要中频处理。因此，UWB系统结构的实现比较简单。

（2）体积小、功耗低

UWB收发信机不需要复杂的载频调制/解调电路和滤波器。因此，可以大大降低系统复杂度，减小收发信机体积和功耗。同时UWB系统使用间歇的脉冲来发送数据，脉冲持续时间很短，一般在0.20～1.5ns，有很低的占空因数，系统的耗电可以达到很低，在高速通信时系统的耗电量仅为几百微瓦到几十毫瓦。民用的UWB设备功率一般是传统移动电话所需功率的1/100左右，是蓝牙设备所需功率的1/20左右，军用的UWB电台耗电也很低。因此，UWB设备在电池寿命和电磁辐射上相对于传统无线设备有着很大的优越性。

（3）高速的数据传输

民用商品中，一般要求UWB信号的传输范围为10m以内，再根据经过修改的信道容量公式，其传输速率可达500Mbit/s，是实现个人通信和无线局域网的一种理想调制技术。UWB以非常宽的频率带宽来换取高速的数据传输，并且不单独占用现在已经拥挤不堪的频率资源，而是共享其他无线技术使用的频带。在军事应用中，可以利用巨大的扩频增益来实现远距离、低截获率、低检测率、高安全性和高速的数据传输。

（4）安全性高

在短距离应用中，UWB发射机的发射功率通常可低于1mW，这是通过牺牲带宽来换取的。从理论上讲，相对于其他通信系统，UWB所产生的干扰仅仅相当于一个宽带白噪声。UWB信号的功率谱密度低于自然的电子噪声，这就使得UWB信号具有良好的隐蔽性，不易被截获，采用编码对脉冲参数进行伪随机化后，脉冲的检测将更加困难，这对提高通信保密性是非常有利的。

（5）多径分辨能力强

由于常规无线通信的射频信号大多为连续信号或其持续时间远大于多径传播时间，多径传播效应限制了通信质量和数据传输速率。由于超宽带无线电发射的是持续时间极短的单周期脉冲且占空比极低，多径信号在时间上是可分离的。假如多径脉冲要在时间上发生交叠。其多径传输路径长度应小于脉冲宽度与传播速度的乘积。由于脉冲多径信号在时间上不重叠，很容易分离出多径分量以充分利用发射信号的能量。大量实验表明，对常规无线电信号多径衰落深达10～30dB的多径环境，对超宽带无线电信号的衰落最多不到5dB。

（6）定位精度高

冲激脉冲具有很高的定位精度，采用超宽带无线电通信，很容易将定位与通信合一，而常规无线电难以做到这一点。超宽带无线电具有极强的穿透能力，可在室内和地下进行精确定位，而GPS定位系统只能工作在GPS定位卫星的可视范围之内；与GPS提供绝对地理位置不同，超短脉冲定位器可以给出相对位置，其定位精度可达厘米级。此外，超宽带无线电定位器更便宜。

（7）工程简单，造价便宜

在工程实现上，UWB比其他无线技术要简单得多，可全数字化实现。它只需要以一种数学方式产生脉冲，并对脉冲产生调制，而这些电路都可以被集成到一个芯片上，设备的成本将很低。

3.应用领域

UWB技术的应用领域主要分为军用和民用两个方面。近年来，超宽带技术在民用领域的应用主要包括两个方面：一方面是以高速率数据传输为主的近距离无线通信技术；另一方面是以精确测距、定位、成像等为主的无线探测技术，UWB技术的民用领域示意图如图1⁃20所示。

图1⁃20 UWB技术的民用领域示意图

在军用方面，主要应用于UWB雷达、UWB低干扰、低检测（PLI/D）无线内部通信系统（预警机、舰船等）、战术手持和网络的PLI/D电台、警戒雷达、探测地雷、检测地下埋藏的军事目标或以叶簇伪装的物体。

1.4.6 几种短距离无线通信技术比较

前面介绍了ZigBee、蓝牙、WiFi和超宽带4种主要短距离无线通信技术，总的看来，这些流行的短距离无线通信技术各有千秋，这些技术之间存在着相互竞争，但在某些实际应用领域内它们又相互补充，没有一种技术可以完美到足以满足所有的要求。表1⁃4给出了这4种主要短距离无线通信技术的比较。4种短距离无线通信技术的应用场合如图1⁃21所示。

表1⁃4 4种主要短距离无线通信技术的比较

图1⁃21 4种短距离无线通信技术的应用场合

1.5 大数据与云计算

1.5.1 大数据的定义与特征

大数据（big data）是指无法在一定时间范围内用常规软件工具进行捕捉、管理和处理的数据集合，是需要新处理模式才能具有更强的决策力、洞察发现力和流程优化能力的海量、高增长率和多样化的信息资产。

业界通常用5个V来概括大数据的特征，即容量（Volume），数据的大小决定所考虑的数据的价值的和潜在的信息；种类（Variety），数据类型的多样性；速度（Velocity），指获得数据的速度；可变性（Variability），妨碍了处理和有效地管理数据的过程；真实性（Veracity）：数据的质量。

从技术上看，大数据与云计算的关系就像一枚硬币的正反面一样密不可分。大数据必然无法用单台的计算机进行处理，必须采用分布式架构。它的特色在于对海量数据进行分布式数据挖掘。但它必须依托云计算的分布式处理、分布式数据库和云存储、虚拟化技术。

大数据分析处理架构图如图1⁃22所示。

现在是一个充满“数据”的时代，无论是打电话、用微博、聊QQ、刷微信，还是在阅读、购物、看病、旅游，都在不断产生新数据，“堆砌”着数据大厦。大数据已经与人们的工作、生活息息相关。中国工程院院士高文说：“不管你是否认同，大数据时代已经来临，并将深刻地改变着我们的工作和生活。”2013年7月，有关人士视察中国科学院时指出：“大数据是工业社会的‘自由’资源，谁掌握了数据，谁就掌握了主动权。”2015年5月，有关人士在给国际教育信息化大会的贺信中说：“当今世界，科技进步日新月异，互联网、云计算、大数据等现代信息技术深刻改变着人类的思维、生产、生活、学习方式，深刻展示了世界发展的前景。”2015年9月，国务院通过《关于促进大数据发展的行动纲要》，标志支持大数据发展第一部正式国家层面文件出台，对大数据的规范化发展起到了至关重要作用。2015年11月3日，《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十三个五年规划的建议》提出，拓展网络经济空间，推进数据资源开放共享，实施国家大数据战略，超前布局下一代互联网。专家认为，这是我国首次提出推行国家大数据战略。

图1⁃22 大数据分析处理架构图

1.5.2 云计算的概念

云计算（Cloud Computing）是由分布式计算（Distributed Computing）、并行处理（Paral⁃lel Computing）、网格计算（Grid Computing）发展来的，是一种新兴的商业计算模型。目前，对于云计算的认识在不断的发展变化，云计算仍没有普遍一致的定义。

中国网格计算、云计算专家刘鹏给出如下定义：“云计算将计算任务分布在大量计算机构成的资源池上，使各种应用系统能够根据需要获取计算力、存储空间和各种软件服务”。

云计算可理解为一种分布式计算技术，是通过计算机网络将庞大的计算处理程序自动分拆成无数个较小的子程序，再交由多部服务器所组成的庞大系统经搜寻、计算分析之后将计算处理结果回传给用户。通过该技术，网络计算服务提供者可以在数秒之内，完成处理数以千万计甚至亿计的信息，达到与“超级计算机”同样强大效能的网络计算服务。

典型的云计算提供商往往提供通用的网络业务应用，可以通过浏览器等软件或者其他Web服务来访问，而软件和数据都存储在服务器上。云计算服务通常提供通用的通过浏览器访问的在线商业应用，软件和数据可存储在数据中心。云计算环境下数据中心如图1⁃23所示。

图1⁃23 云计算环境下数据中心

2016年7月，在百度云计算战略发布会上，百度发布了天算大数据平台，天算平台整合了百度大数据服务和人工智能技术，提供从数据收集、存储、处理分析到应用场景的一站式服务。2016年11月10日，腾讯云大数据联合团队在全球排序竞赛中，用时98.8s就完成100TB的1万亿条无序100B的数据排序。腾讯云数智分布式计算平台，能提供单集群上千台规模实时流式计算，支持多重数据备份，具有万亿数据的存储能力。

在2016百度云智峰会智慧对话上，中国工程院院士李德毅表示，云计算已经进入了常态化。云计算的基本思想就是把产品变成服务，在服务的过程中，最重要的，服务得好，那就是要有大数据和人工智能。确切地说是云计算和大数据成就了人工智能。反过来，人工智能又助推了云计算和大数据。

1.5.3 云计算主要服务形式

云服务是基于互联网的相关服务的增加、使用和交付模式，通常涉及通过互联网来提供动态易扩展且经常是虚拟化的资源。云服务指通过网络以按需、易扩展的方式获得所需服务。这种服务可以是IT和软件、互联网相关，也可是其他服务。它意味着计算能力也可作为一种商品通过互联网进行流通。

云服务足够智能，能够根据用户的位置、时间、偏好等信息，实时地对用户的需求做出预期。在这一全新的模式下，信息的搜索将会是为用户而做，而不再是由用户来做。无论用户采用什么设备，无论用户需要哪种按需服务，用户都将得到一个一致且连贯的终极体验。

云服务包含3个层次：基础设施即服务（IaaS）、平台即服务（PaaS）和软件即服务（SaaS）。百度私有云服务架构如图1⁃24所示。

图1⁃24 百度私有云服务架构

1.基础设施即服务（IaaS）

IaaS即把厂商的由多台服务器组成的“云端”基础设施，客作为计量服务提供给客户。它将内存、I/O设备、存储和计算能力整合成一个虚拟的资源池为整个业界提供所需要的存储资源和虚拟化服务器等服务。这是一种托管型硬件方式，用户付费使用厂商的硬件设施。例如Amazon Web服务（AWS），IBM的BlueCloud等均是将基础设施作为服务出租。

IaaS的优点是用户只需低成本硬件，按需租用相应计算能力和存储能力，大大降低了用户在硬件上的开销。

2.平台即服务（PaaS）

把开发环境作为一种服务来提供。这是一种分布式平台服务，厂商提供开发环境、服务器平台、硬件资源等服务给客户，用户在其平台基础上定制开发自己的应用程序并通过其服务器和互联网传递给其他客户。云平台直接的使用者是开发人员而不是普通用户，它为开发者提供了稳定的开发环境。

3.软件即服务（SaaS）

SaaS服务提供商将应用软件统一部署在自己的服务器上，用户根据需求通过互联网向厂商订购应用软件服务，服务提供商根据客户所定软件的数量、时间的长短等因素收费，并且通过浏览器向客户提供软件的模式。这种服务模式的优势是，由服务提供商维护和管理软件、提供软件运行的硬件设施，用户只需拥有能够接入互联网的终端，即可随时随地使用软件。这种模式下，客户不再像传统模式那样花费大量资金在硬件、软件、维护人员，只需要支出一定的租赁服务费用，通过互联网就可以享受到相应的硬件、软件和维护服务，这是网络应用最具效益的营运模式。对于小型企业来说，SaaS是采用先进技术的最好途径。

对于普通用户而言，他们主要面对的是SaaS这种服务模式。但是对于普通开发者而言，却有两种服务模式可供选择，那就是PaaS和IaaS，这两种模式有很多不同，而且它们之间还存在一定程度的竞争。

PaaS的主要作用是将一个开发和运行维护平台作为服务提供给用户，而IaaS的主要作用是将虚拟机或者其他资源作为服务提供给用户。PaaS与IaaS的比较见表1⁃5。

表1⁃5 PaaS与IaaS的比较

1.5.4 云计算平台

云计算平台简称为云平台，是由搭载了云平台服务器端软件的云服务器、搭载了云平台客户端软件的云计算机以及网络组件所构成的，用于提高低配置或老旧计算机的综合性能，使其达到现有流行速度的效果。这种平台允许开发者们或是将写好的程序放在“云”里运行，或是使用“云”里提供的服务，或二者皆是。百度开放云平台架构如图1⁃25所示。

图1⁃25 百度开放云平台架构

例如，智能家庭服务云平台的主要作用是存储和分析用户家庭的重要数据，同时也是连接用户和家庭的桥梁。其很大的一个亮点就是为用户远程操作提供计算处理中转的平台，只有经过该平台处理之后，信息才会达到用户家庭内的智能家庭综合管理系统，实现对应的操作指令，如果需要反馈操作结果的信息，由智能信息计算平台接收智能家庭综合管理系统发送的查询结果，并进行计算处理后中转，再次返回给用户。在此系统中，云计算将被重点采用它是实现智能家庭综合管理系统与物联网有机结合的关键之一。因此，整个智能信息计算平台作为一个决策支持系统，其体系结构总体划分为以下几个部分。

（1）云计算基础设施

云计算平台的基础设施包含三个方面：计算、存储、网络。其关键技术是虚拟机，需要在后台搭建基于虚拟机技术的、实现按需分配、动态配置的云主机系统。存储空间和网络带宽也可以根据需要进行按需配置。

（2）大数据系统

数据库系统是实现信息存储和计算的基础，本平台的数据库系统用于存放和管理用户以及家庭的相关信息，以及一些资讯类的辅助信息，数据库的设计在数据格式规范时可以采用结构化存储，一旦用户量大、数据不规范时，要采用分布式大数据系统。

（3）数据智能分析系统

采用数据分析工具来挖掘智能家庭系统中的数据信息，对家庭用电趋势等进行分析，生成相应的数据报表，对用电超标等情况进行告警提醒。

上述三大部分相辅相成，构成了智能家庭网络系统的总体平台架构，智能家庭网络云服务应用平台如图1⁃26所示。

图1⁃26 智能家庭网络云服务应用平台

1.6 实训1 参观智慧家庭体验店

1.实训目的

1）了解智慧家庭体验店的主要功能。

2）熟悉智能家居的主要控制方式。

3）掌握智慧家庭的系统架构。

2.实训场地

参观学校附近的智慧家庭体验店或体验厅。

3.实训步骤与内容

1）提前与智慧家庭体验店或体验厅联系，做好参观准备。

2）分小组轮流进行参观。

3）由教师或体验店人员为学生讲解。

4.实训报告

写出实训报告，包括参观收获、遇到的问题及心得体会。

1.7 思考题

1.什么是智能家居？什么是智慧家庭？两者有何区别？

2.什么是物联网？其体系结构分为哪几层？

3.无线传感器网络的组成与网络结构如何？

4.家庭网络主要有几种无线通信技术？各有哪些特点？

5.什么是云计算？云服务的主要形式有哪些？