物联网通讯技术培训课件

物联网通信技术培训课件第一章物联网概述与架构0102物联网定义与演进三层架构体系爆炸式增长趋势物联网（Internet ofThings,IoT）是指通过信物联网采用经典的三层架构感知层负责数据采息传感设备，按约定的协议，将任何物体与网络集和识别，网络层实现数据传输和路由，应用层相连接，物体通过信息传播媒介进行信息交换和提供智能服务和决策支持这种分层设计确保了通信自1999年概念提出以来，物联网经历了从系统的可扩展性和灵活性概念探索到规模应用的快速发展历程物联网核心技术简介数据采集技术数据传输技术通过各类传感器（温度、湿度、压力涵盖短距离通信（ZigBee、蓝牙、等）、RFID标签和智能终端设备，实Wi-Fi）和广域网通信（NB-IoT、现对物理世界信息的感知与采集现LoRa、5G）等多种技术不同技术代传感器具有微型化、智能化、低功在传输距离、功耗、带宽和成本方面耗的特点，能够适应各种复杂环境各有优势，需根据应用场景合理选择数据处理与安全包括边缘计算、云计算平台、数据分析引擎以及身份认证、加密传输、访问控制等安全技术确保海量物联网数据的高效处理和安全可靠传输物联网三层架构示意图感知层传感器、RFID、摄像头等设备采集物理世界的数据网络层通过各种通信技术将数据传输到云端或边缘节点应用层提供智能分析、决策支持和用户交互服务第二章物联网通信基础知识数据通信基本原理有线与无线技术对比数据通信是指在两个或多个设备之间传输数字或模拟信息的过程物联网通信涉及信源有线通信具有稳定性高、带宽大、抗干扰能力强的优势，编码、信道编码、调制解调、多路复用等多个环节，确保信息的准确高效传输但布线成本高、灵活性差物联网通信特点与挑战无线通信具有部署便捷、扩展灵活的特点，但存在信号干扰、覆盖受限等挑战在物联网应用中，无线通信占据主大规模连接需要支持数以亿计的设备同时接入导地位低功耗要求许多设备依靠电池供电，需要极低的能耗异构网络多种通信技术共存，互操作性是关键实时性需求部分应用场景要求毫秒级的响应延迟物联网通信协议体系物理层与链路层1定义物理信号传输特性和链路层数据帧格式例如IEEE

802.

15.4标准定义了低速率无线个人区域网络的物理层和MAC层规范网络层协议2负责数据包的路由和转发6LoWPAN协议实现了IPv6在低功耗无线网络中的应用，使每个物联网设备都能拥有独立的IP地址应用层协议3MQTT采用发布/订阅模式，适合低带宽、不稳定网络；CoAP基于REST架构，支持资源发现和观察模式；LwM2M专注于设备管理，提供远程配置、固件升级等功能轻量级设计理念4物联网协议充分考虑设备资源限制，采用简洁的消息格式、高效的编码方式和优化的传输机制，使协议能够在MCU、传感器等资源受限设备上运行第三章短距离无线通信技术蓝牙技术协议技术技术ZigBee Wi-Fi RFID经典蓝牙适用于音频传输等高带宽基于IEEE

802.

15.4标准，采用网状基于IEEE

802.11标准，提供高带通过无线射频方式进行非接触式双场景；低功耗蓝牙（BLE）专为物网络拓扑，具有自组网、自修复能宽、远距离的无线连接Wi-Fi6引向通信，实现识别和数据交换分联网设计，功耗极低；蓝牙Mesh力支持星型、树型、网状等多种入OFDMA和TWT技术，显著提升为低频（125kHz）、高频支持多对多设备通信，适合智能照网络结构，最多可连接65000个节多设备并发能力和能效适合智能（

13.56MHz）、超高频（860-明、楼宇自动化等应用点，广泛应用于智能家居领域家电、视频监控等需要大流量传输960MHz）三种工作频段，读取距的场景离从几厘米到十几米不等技术详解RFID频段分类与特点典型应用案例低频（LF）穿透力强，不受水分影响，适用于动物识别、门禁控制物流追踪某大型电商在仓储中心部署UHF RFID系统，实现货物自动识别和实时定位，拣货效率提升40%，库存准确率达

99.8%高频（HF）读取速度快，应用于图书管理、电子支付超高频（UHF）读取距离远，速度快，用于物流追踪、仓储管理资产管理医院通过RFID标签管理医疗设备和药品，实时追踪资产位置，防止设备丢失，确保药品安全可追溯标签类型对比零售防盗服装店使用RFID标签替代传统磁条，不仅提供防盗功能，还被动式无内置电源，依靠读取器能量工作，成本低、寿命长能实现快速盘点和智能试衣推荐半主动式内置电池供应标签芯片，读取器提供通信能量主动式内置电源和发射器，读取距离可达100米以上工作原理示意图RFIDRFID系统由标签（Tag）、读取器（Reader）和天线（Antenna）组成读取器通过天线发射射频信号，标签接收信号后将存储的数据通过反向散射方式传回读取器，实现无接触式的数据读写12读取器发射信号标签接收并供电34标签调制并反射读取器解码数据第四章低功耗广域网（）技术LPWAN技术技术NB-IoT LoRa窄带物联网（NB-IoT）是3GPP标准LoRa采用扩频调制技术，工作在非化的蜂窝物联网技术，工作在授权频授权ISM频段，具有超远距离传输能段，具有广覆盖、低功耗、低成本、力（城市环境2-5公里，空旷地区可大连接的特点单个基站可覆盖10公达15公里）组网灵活，可采用星型里范围，支持数万设备连接，电池寿拓扑或网状网络适合私有网络部命可达10年以上典型应用包括智能署，广泛应用于智慧农业、智慧园抄表、智能停车、环境监测等区、资产追踪等场景与LTE-M5GLTE-M提供中等速率（1Mbps）和移动性支持，适合需要语音功能或较高数据速率的应用5G引入了mMTC（海量机器类通信）和uRLLC（超可靠低时延通信）两大物联网场景，支持每平方公里百万级设备连接和毫秒级延迟，将开启工业互联网、车联网等高价值应用与对比分析NB-IoT LoRa对比维度NB-IoT LoRa频谱授权频段非授权ISM频段覆盖距离城市5公里，郊区10公里城市2-5公里，空旷15公里数据速率上行

62.5kbps，下行

21.25kbps

0.3-50kbps（可调）功耗极低（电池寿命10年+）极低（电池寿命10年+）部署成本依赖运营商网络自建网络，初期投入较低移动性支持切换有限支持典型应用场景智慧城市路灯控制、垃圾桶监测、井盖监控环境监测空气质量、水质、噪音实时监测智能抄表水表、电表、燃气表远程自动抄表智慧农业土壤湿度、温度、光照强度监测第五章工业物联网通信技术SCADA系统架构数据采集与监控系统（SCADA）是工业自动化的核心，包括现场设备层、数据采集层、监控层和管理层实现对分散设备的集中监控、远程控制和数据分析，确保生产过程的安全高效运行PLC/RTU/HMI通信可编程逻辑控制器（PLC）执行控制逻辑；远程终端单元（RTU）采集现场数据并传输；人机接口（HMI）提供可视化监控它们通过Modbus、Profibus、Ethernet/IP等工业协议实现互联互通工业以太网Profinet、EtherCAT、Ethernet/IP等工业以太网技术提供确定性实时通信能力，支持微秒级同步精度采用时间敏感网络（TSN）技术，确保关键数据的优先传输和时延保证无线传感器网络WirelessHART、ISA

100.11a、WIA-PA等工业无线标准，提供可靠的无线通信解决方案适用于旋转设备监测、移动设备连接、危险区域部署等有线难以覆盖的场景系统安全挑战与防护SCADA安全威胁类型分层防护架构恶意攻击网络边界防护部署工业防火墙、入侵检测系统（IDS）、单向网闸，隔离生产网络与企业网络黑客入侵、勒索软件、APT攻击，可能导致生产中断或设备损坏访问控制实施严格的身份认证、角色权限管理、最小权限原则，记录所有操作日志数据加密对敏感数据进行加密存储和传输，使用VPN或专用加密通道保护远程访问内部威胁安全管理策略员工误操作、权限滥用、离职人员泄密•定期安全审计和漏洞扫描供应链风险•员工安全意识培训和应急演练•建立安全事件响应机制第三方软件漏洞、硬件后门、维护服务安全隐患•持续监控和威胁情报分析第六章物联网通信协议实战协议详解设备管理与架构MQTT LwM2M CoAPREST消息队列遥测传输（MQTT）基于发布/订阅模轻量级M2M（LwM2M）由OMA定义，专注于受限应用协议（CoAP）是HTTP的轻量级替代，式，客户端通过Broker进行消息分发支持三设备生命周期管理提供引导、设备注册、设备基于UDP传输，支持组播和观察模式采用种QoS级别QoS0（至多一次）、QoS1（至管理、服务使能、信息报告五大功能接口基于RESTful设计，使用GET、POST、PUT、少一次）、QoS2（恰好一次）遗嘱消息和保CoAP协议，采用对象和资源模型，支持固件升DELETE方法操作资源消息头仅4字节，支持块留消息机制确保关键信息的可靠传递报文结构级、配置下发、诊断信息上报等功能，大幅降低传输和资源发现，非常适合资源受限的嵌入式设紧凑，最小仅2字节，非常适合低带宽网络运维成本备选择协议时需综合考虑设备能力、网络条件、应用需求MQTT适合云端通信，CoAP适合设备间直接通信，LwM2M适合设备管理场景第七章物联网设备开发与接入物联网操作系统Huawei LiteOS是华为面向物联网领域开发的轻量级实时操作系统，内核体积小至10KB，支持零配置、自组网、跨平台其他主流OS包括FreeRTOS、RT-Thread、Zephyr等，提供任务调度、内存管理、设备驱动等基础功能设备接入流程设备通过MQTT、CoAP或LwM2M协议连接云平台，经过身份认证、鉴权后注册到平台平台分配设备ID和密钥，建立安全通道设备定期上报遥测数据，接收云端下发的指令和配置更新设备影子机制设备影子是云端存储的设备状态副本，即使设备离线也能查询和控制当设备上线时自动同步状态应用程序通过操作设备影子实现异步控制，无需关心设备实时连接状态，大幅简化开发复杂度远程控制示例智能灯泡通过MQTT连接云平台，上报开关状态、亮度、颜色等属性用户通过手机App修改设备影子的期望状态，云平台检测到差异后向设备下发控制指令设备执行后更新实际状态，完成闭环控制物联网边缘计算与数据处理边缘计算概念边缘计算架构边缘计算将数据处理能力下沉到网络边缘，靠近数据源进行计算和存储相比云计算，边缘计算具有更低延迟、更少带宽占用、更高隐私保护的优势关键优势实时响应毫秒级延迟，满足工业控制、自动驾驶等实时性要求降低带宽成本本地处理数据，只上传关键信息提升可靠性网络中断时仍能本地决策数据隐私敏感数据不出本地，符合合规要求典型架构分为设备层、边缘层、云端层边缘节点部署轻量级容器或虚拟机，运行数据预处理、模型推理、规则引擎等应用边云协同案例第八章物联网安全技术设备身份认证采用X.509数字证书、预共享密钥（PSK）、令牌认证等机制验证设备身份每个设备拥有唯一标识和密钥，防止非法设备接入支持证书自动更新和密钥轮换，确保长期安全性双向认证确保设备和平台互相验证身份访问控制策略实施基于角色的访问控制（RBAC）或基于属性的访问控制（ABAC），定义细粒度的权限策略遵循最小权限原则，限制设备和用户的操作范围支持动态权限调整和临时授权，灵活应对不同场景需求数据传输加密使用TLS/DTLS协议加密通信链路，支持AES、ChaCha20等现代加密算法采用端到端加密保护敏感数据，即使中间节点被攻破也无法窃取明文针对资源受限设备，使用轻量级密码套件如TLS_PSK减少计算开销漏洞防护措施建立安全开发生命周期（SDL），从设计阶段就考虑安全定期进行固件安全扫描和渗透测试，及时修复漏洞支持OTA安全更新，快速响应安全威胁部署安全监控系统，实时检测异常行为和攻击尝试物联网安全事件案例分析年僵尸网络12016Mirai攻击者利用物联网设备的弱密码漏洞，控制数十万台摄像头、路由器等设备发起DDoS攻击，导致美国东海岸大规模网络瘫痪教训必须修改默认密码，禁用不必要的服务端口2年工业控制系统攻击2017某石化企业SCADA系统遭受勒索软件攻击，生产线被迫停工三天，直接经济损失超千万教训工控网络与办公网络必须物理年智能家居数据泄露32019隔离，定期备份关键数据某智能门锁厂商云平台被入侵，数百万用户的家庭地址、开锁记录等隐私信息泄露教训加强云平台安全防护，对敏感数据加密存储和传输防御策略总结采用纵深防御策略，在设备、网络、平台、应用各层部署安全措施建立安全事件应急响应机制，定期开展安全演练培养全员安全意识，将安全融入企业文化第九章物联网典型应用案例智能家居生态智慧城市建设工业与智能制造

4.0亚马逊Echo和谷歌Home作智能交通通过路侧传感通过传感器、工业机器人、为智能音箱中枢，通过语音器、摄像头实时监测交通流AGV等设备实现生产过程的交互控制家中的灯光、空量，AI算法优化信号灯配数字化、网络化、智能化调、窗帘、家电等设备集时，缓解拥堵车联网技术预测性维护系统通过振动、成Zigbee、Wi-Fi等多种通实现车路协同，提升行车安温度等数据预测设备故障，信协议，实现跨品牌设备互全环境监测部署空气质避免非计划停机远程监控联利用AI语音助手提供天量、噪音、水质监测站，实平台让管理者随时随地掌握气查询、音乐播放、智能提时掌握城市环境状况，为政生产状态，快速响应异常情醒等服务，打造便捷舒适的府决策提供数据支撑况居家体验智能交通物联网应用1车联网通信技术LTE-V2X基于4G网络，支持车与车（V2V）、车与基础设施（V2I）、车与行人（V2P）通信5G-V2X提供更低延迟（1ms）和更高可靠性，支持自动驾驶等高级应用C-V2X技术已在中国多个城市开展规模化部署2交通流量监控部署雷达、视频、地磁等多种传感器采集交通数据，AI算法分析车流量、速度、密度，识别拥堵、事故等异常事件实时数据推送给导航App，引导车辆选择最优路线，提升道路通行效率30%以上3智能信号灯系统根据实时交通流量动态调整红绿灯时长，缩短等待时间支持紧急车辆优先通行，在救护车、消防车接近时自动调整信号多路口联动优化，形成绿波带，车辆可连续通过多个路口而无需停车4自动驾驶通信需求L4/L5级自动驾驶需要超低延迟（10ms）、超高可靠性（

99.999%）的通信保障通过V2X技术，车辆可提前获知前方路况、红绿灯状态、其他车辆意图，做出更安全的驾驶决策边缘计算节点提供本地化的高精地图和实时感知数据融合智慧农业物联网解决方案智能灌溉控制根据土壤湿度、天气预报、作物需水规律，自动控制灌溉系统的启停和水量采用精准滴灌技术，将水肥直接输送到作物根部，节水节肥达50%以上支持远程控制和定时任务，农户通过手机App即可管理灌溉传感器网络部署在农田中布设土壤温湿度、pH值、养分传感器，监测土壤状况气象站采集温度、湿度、光照、风速、降雨量等气候数据作物生长传感器通过图像识别监测作物长势和病虫害所有数据通过LoRa或NB-IoT网络传输到云平台数据驱动的农业生产优化AI算法分析历史种植数据，优化播种时间、施肥方案、灌溉策略病虫害预警系统根据气候条件和作物状态预测病虫害风险，提前防治产量预测模型帮助农户合理安排采收和销售计划某大型农场应用智慧农业方案后，作物产量提升20%，农药使用量减少30%第十章未来物联网通信技术趋势与物联网融合深度赋能6G AI6G将提供太赫兹频段通信、空天地一体化网AI芯片嵌入物联网设备，实现端侧智能联络覆盖、厘米级定位精度支持全息通信、数邦学习保护数据隐私的同时训练全局模型字孪生等未来应用，物联网连接密度将达到每AI驱动的网络优化自动调整参数，提升通信立方米设备级别效率绿色可持续发展标准化与互操作开发超低功耗通信技术，探索无电池设备（能IEEE、3GPP、ITU等组织推动物联网标准统量采集）优化网络架构降低能耗，使用可再一Matter协议打破智能家居生态壁垒区生能源供电关注电子废弃物回收和设备生命块链技术实现设备身份可信和数据不可篡改周期管理物联网通信技术发展挑战网络容量与延迟压力预计2030年全球将有290亿台物联网设备，对网络容量提出巨大挑战工业控制、自动驾驶等应用要求毫秒级甚至微秒级延迟，现有网络架构难以满足需要通过频谱扩展、网络切片、边缘计算等技术组合解决设备异构性与互操作性物联网设备种类繁多，采用不同的通信协议、数据格式、安全机制跨厂商、跨平台的互联互通困难重重急需建立统一的数据模型和接口标准，推动开放生态建设数字孪生技术有望在虚拟层面实现异构设备的统一管理能源效率与环境适应性大量物联网设备依靠电池供电，更换困难且成本高昂需要开发超低功耗芯片和通信协议，延长电池寿命至10年以上环境能量采集（太阳能、振动能、射频能）技术为免维护设备提供了可能同时，设备需要适应极端温度、高湿度、强电磁干扰等恶劣环境未来智能城市物联网架构未来智能城市将构建天地一体化的立体通信网络，地面5G/6G、低空无人机中继、低轨卫星互联网三网融合，实现无缝覆盖城市大脑整合各类物联网数据，AI实时分析决策，实现交通优化、能源管理、公共安全、环境保护的智能化协同数字孪生技术创建城市虚拟副本，模拟预测城市运行状态，支持科学规划和高效管理智能交通智慧楼宇环境监测能源管理智慧医疗公共安全物联网开发实操演示设备端MQTT连接创建产品与设备使用MQTT客户端库（如Paho）建立到平台的TLS加密连接配置ClientID、用户名、密码，完成登录华为云IoT平台，创建新产品并定义设备模型（属性、命令、事件）添加设备并获取设备ID MQTTCONNECT握手订阅下行Topic接收云端指令和密钥，用于后续连接认证设备影子同步消息发布与订阅设备上报状态到设备影子的reported字段应用修改设备影子的desired字段表达期望状态设备设备周期性向上行Topic发布遥测数据（JSON格式）平台接收后可在控制台查看实时数据和历史检测到差异后更新实际状态，完成远程控制闭环曲线订阅命令Topic，接收云端下发的控制指令并执行//示例代码MQTT发布遥测数据{services:[{service_id:Temperature,properties:{value:

25.6,unit:°C}}]}物联网项目案例分享化工厂系统智能路灯互联项目物流追踪系统SCADA RFID项目背景某大型化工厂需要实时监控分布在5项目背景某市政府计划改造2万盏路灯，实现项目背景某电商仓库日处理订单10万件，传统平方公里范围内的200多个反应釜、储罐、管道远程控制和节能管理解决方案在每盏路灯安条码扫描效率低、易出错解决方案在商品包的温度、压力、流量等参数解决方案部署工装NB-IoT通信模块和光照传感器，接入物联网装贴附UHF RFID标签，在出入库通道部署RFID业以太网连接PLC和HMI，采用冗余架构确保高管理平台支持单灯控制、分组控制、定时策读取器与WMS系统集成，实现自动识别和实可用性关键数据通过NB-IoT无线传输到云平略成效根据天气和人流自动调节亮度，年节时库存更新成效出入库效率提升5倍，库存台备份成效实现7×24小时无人值守，异常电率达40%故障自动上报，维修效率提升3准确率从95%提升到

99.8%，年度盘点时间从7预警响应时间从30分钟缩短到2分钟，年度设备倍LED灯具寿命延长50%天缩短到1天客户订单准确率提升至

99.9%故障率下降60%物联网通信技术学习资源推荐推荐书籍️开源资源《物联网通信技术及应用》（范立南等著）-系统介绍物联网通信技术原理和应用物联网操作系统•FreeRTOS、RT-Thread、Zephyr《物联网协议详解》-深入解析MQTT、CoAP、LwM2M等核心协议•Huawei LiteOS、AliOS Things《工业物联网系统架构与实践》-工业场景下的物联网解决方案通信协议库《物联网安全技术》-全面覆盖物联网安全威胁与防护在线学习平台•Eclipse Paho（MQTT客户端）•libcoap（CoAP协议栈）•华为云物联网开发者学习路径•Wakaama（LwM2M客户端）•阿里云物联网大学开发工具•Coursera《物联网专项课程》•中国大学MOOC物联网相关课程•MQTT.fx、MQTTX（MQTT调试工具）•Wireshark（协议分析）•Node-RED（可视化编程）社区与论坛•物联网技术社区、CSDN物联网板块•Stack Overflow、GitHub课程总结与知识回顾物联网架构通信技术三层架构感知层采集数据、网络层传输数掌握短距离（蓝牙、ZigBee、Wi-Fi）、据、应用层提供服务理解各层的技术组成和LPWAN（NB-IoT、LoRa）、工业通信等技术相互关系的原理、特点和应用场景未来趋势通信协议关注6G、AI、边缘计算等新技术与物联网的深入理解MQTT、CoAP、LwM2M等核心协融合，了解行业发展方向和挑战议的消息机制、QoS保证和应用方式典型应用安全技术熟悉智能家居、智慧城市、工业

4.0等领域的物掌握设备认证、数据加密、访问控制等安全机联网解决方案和成功案例制，了解典型安全威胁和防护策略学习建议物联网是一个交叉领域，需要掌握通信、计算机、电子等多方面知识建议理论学习与动手实践相结合，多做项目积累经验持续关注行业动态，参与开源社区，与同行交流学习互动环节QA❓常见问题解答学习经验分享Q:NB-IoT和LoRa该如何选择？从项目中学习找一个感兴趣的应用场景，从零开始搭建一个完整的物联网系统，在实践中A:NB-IoT适合需要运营商网络覆盖、对移动深化理解性有要求的场景；LoRa适合私有网络部署、初期投资有限的项目综合考虑覆盖范围、成跟踪技术演进关注IEEE、3GPP等标准组织本、运维能力等因素的最新进展，阅读技术白皮书和学术论文，了解前沿技术Q:物联网设备如何保证安全？参与开源社区为开源项目贡献代码或文档，A:采用多层防护策略设备端使用安全芯片存在交流中提升技能，建立人脉网络储密钥，通信采用TLS加密，云平台实施严格的身份认证和访问控制，定期更新固件修复漏考取专业认证如华为物联网工程师认证、洞Cisco物联网认证等，系统化提升专业能力Q:边缘计算和云计算如何协同？欢迎提问交流A:边缘节点负责实时数据处理和快速响应，云请大家畅所欲言，分享您在学习或工作中遇到端负责大数据分析、模型训练和全局决策两的物联网通信技术问题，我们一起探讨解决方者通过标准接口协同工作，发挥各自优势案！致谢与激励物联网通信技术正在重塑我们的世界从智能家居到智慧城市，从工业制造到现代农业，物联网通信技术让万物互联成为现实，为人类社会带来前所未有的便利和效率亿万亿

2901599.9%2030年设备数量预测全球经济价值（美元）连接可靠性目标物联网市场规模持续高速增长物联网将创造的经济价值下一代物联网技术追求的品质持续学习，勇于创新期待与祝福物联网领域发展日新月异，保持好奇心和学习热情至期待大家成为物联网领域的技术先锋，用创新思维和关重要不要害怕失败，每次尝试都是宝贵的经验积扎实技能，开发出更多改变世界的物联网应用累祝愿各位在物联网的广阔天地中不断探索、收获成技术是工具，更重要的是用技术解决实际问题、创造长，为构建万物智联的美好未来贡献力量！社会价值希望大家将所学知识应用到实践中，成为感谢大家的参与和支持！让我们携手前行，共创智能推动物联网产业发展的中坚力量！新时代！。