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无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）是一种分布式传感网络，它的末梢是可以感知和监测外部世界的传感器。WSN中的传感器节点通过无线通信的方式进行通信，WSN是通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络，网络设置灵活，设备位置可以随时变换。WSN可以通过有线通信或无线通信的方式连接到互联网。
WSN通过无线通信方式把数以万计的传感器节点按照自组织的方式组织成网络。传感器节点由4个单元组成，分别为数据采集单元、数据传输单元、数据处理单元和能量供应单元。其中，数据采集单元用于采集监测区域内的信息（如光照度、大气压强、湿度等数据）并加以转换；数据传输单元主要以无线通信的方式发送或接收采集到的数据，以及相关的指令；数据处理单元用于处理节点的路由协议、管理任务和定位装置等；为了减小传感器节点的体积，能量供应单元通常采用微型电池。WSN中的节点分为两种：一种是汇聚节点，另一种是传感器节点。汇聚节点可以与远程终端、传感器节点进行通信，其主要作用是：处理传感器节点传输过来的数据、将远程控制中心的指令发送到传感器节点。
WSN实现了数据采集、处理和传输三种功能，与通信技术、计算机技术共同构成了信息技术的三大支柱。WSN是由大量的静止或移动传感器节点，以自组织和多跳的方式构成的无线网络，可以协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖区域内被感知对象的信息，并最终把这些信息发送给网络的所有者。
WSN中的传感器节点有多种类型，可感知诸如地震、电磁、温度、湿度、噪声、光照度、压力、土壤成分、加速度和方向等信息，广泛用于军事、航空、防爆、救灾、环境、医疗、保健、家居、工业等领域。
与传统的网络和其他传感器网络相比，WSN有以下特点：
（1）网络规模大且具有自适应性。为了获取精确信息，WSN通常将大量的传感器节点部署在大范围的地理区域或外部条件非常特殊的工作环境中，这一特点使得WSN的维护十分困难，甚至不可能进行维护，因此要求WSN的软硬件必须具有高可靠性和容错性。WSN中的传感器节点都是平等的，每个节点既可以发送数据也可以接收数据，具有相同的数据处理能力和通信能力。节点的加入或退出都不会影响WSN的运行，WSN能够立即重组，具有自适应性。除了汇聚节点，传感器节点的部署通常都是随机的（有时汇聚节点的部署也是随机的），在WSN中以传感器节点为中心，只负责自己通信范围内的数据交换。
（2）自组网性与自维护性。传感器节点具有自治能力，能够自主组网和自行配置维护，实时转发监测到的数据，能适应感知场景的动态变化，能够在无人值守条件下有效工作，特别适合在恶劣环境下工作，如战场、危险区域或人类不能到达的区域。另外，传感器节点通常随机部署在没有固定基础设施的地方，节点的位置和相互邻居关系也不能预先精确设定，这与通常使用的网络固定地址明显不同。在WSN中每个传感器节点的地位平等，没有绝对的控制中心，可以在任何时刻和地点自主组网，这就需要WSN能够通过拓扑和网络通信协议自动进行配置和管理，形成多跳无线网络。同时，单个传感器节点或局部几个传感器节点由于环境改变或能量耗尽等原因而失效时，网络拓扑应能动态变化。这就要求WSN具有自组织能力和自维护性，能够自动进行配置和管理，通过拓扑控制机制和网络协议，自动形成用于转发监测数据的多跳无线网络，以保证WSN不会因为部分传感器节点出现故障而瘫痪。这种自组织工作方式主要包括：自组织通信、自调度网络功能和自管理网络等。
（3）路由多跳性与网络动态性。传感器节点的成本低廉，可以大规模部署，能够快速形成覆盖范围广的WSN，通过多个传感器节点的协作，可对覆盖区域进行更精细、更全面的感知，避免出现感知盲区。同时，传感器节点的冗余和自治特性也使WSN能够自主调整拓扑结构，增加感知的可靠性。
（4）以数据为中心的网络。在WSN中，各传感器节点内置了不同的传感器，用以测量热、红外、声呐、雷达和地震波等信号，从而监测包括温度、湿度、噪声、光照度、压强、土壤成分、地震，以及移动物体的大小、加速度和方向等众多感兴趣的数据。因此WSN将传感器节点视为感知数据流或感知数据源，把WSN视为感知数据空间或感知数据库，实现对感知数据的收集、存储、查询和分析。WSN可以看成由大量低成本、低能耗、计算存储能力受限的传感器节点通过无线连接构成的一个分布式实时数据库，每个传感器节点都存储一小部分数据。
在WSN中，传感器节点没有全局标识符ID，WSN与传感器节点编号之间的关系完全是动态的，表现为传感器节点编号与传感器节点位置没有必然联系。用户使用WSN查询事件时，直接将所关心的事件告知WSN，而不是告知某个编号的传感器节点。同样，WSN在获得指定事件的信息后发送给用户。用户关心的是从WSN中获取的信息而不是WSN本身，以数据为中心是WSN区别于传统计算机网络的主要特点。
（5）应用相关性。WSN是无线网络和数据网络的结合，一般是为了某个特定需求而设计的。由于客观世界的物理量是多种多样的，不同的WSN应用所关心的物理量也不同，因此对WSN也有多种多样的要求。
不同的应用背景对WSN的要求不同，它们的硬件平台、软件系统和网络协议会有所差异。因此，WSN不可能像传统计算机网络那样，存在统一的通信协议平台。虽然不同的WSN也存在一些共性特征，但在开发WSN时只有让系统更贴近于具体应用，才能满足用户的需求。针对每一个具体应用来设计WSN，是WSN不同于传统计算机网络的显著特征。
由于WSN采用的是无线通信的方式，其通信链路不像有线网络那样可以做到私密可控，所以在设计WSN时，需要充分考虑WSN的安全需求。公钥基础设施（Public Key Infrastructure，PKI）可满足WSN的安全需求。
（1）数据机密性。数据机密性是重要的安全需求，要求所有敏感数据在存储和传输过程中都要保证其机密性，不得向任何非授权用户泄露敏感数据。
（2）数据完整性。虽然有了数据机密性的保证，攻击者可能无法获取数据的真实内容，但并不能确保接收端接收到的数据是正确的，因为恶意的中间节点可以截获、篡改和干扰数据。通过数据完整性鉴别，可以确保数据在传输过程中没有改变。
（3）数据新鲜性。数据新鲜性是指要确保每次接收的数据都是发送端最新发送的数据，以此避免接收重复的数据。保证数据新鲜性还可以防止重放（Replay）攻击。
（4）可用性。可用性要求WSN能够随时按预先设定的工作方式向系统的合法用户提供服务，但攻击者可以通过伪造和信号干扰等方式使WSN处于部分瘫痪或全部瘫痪状态，破坏WSN的可用性，如拒绝服务（Denial of Service，DoS）攻击。
（5）鲁棒性。WSN具有很强的动态性和不确定性，包括网络拓扑的变化、节点的退出或加入、面临各种威胁等，因此，WSN对各种安全攻击应具有较强的适应性，即使某次攻击得逞，WSN的鲁棒性也能保障将攻击的影响最小化。
（6）访问控制。访问控制要求WSN能够确认访问的用户，确保用户的合法性。
（7）威胁。根据网络层次的不同，可以将WSN容易受到的威胁分为四类。
① 物理层：主要的攻击方法为拥塞攻击和物理破坏。
② 数据链路层：主要的攻击方法为碰撞攻击、耗尽攻击和非公平竞争。
③ 网络层：主要的攻击方法为丢弃和贪婪破坏、方向误导攻击、黑洞攻击和汇聚节点攻击。
④ 传输层：主要的攻击方法为泛洪攻击和同步破坏攻击。
（1）混沌加密技术。密码学属于跨学科的领域，通过一些手段与方式把真正有用的数据隐藏起来，只有获得授权后方可正确解读数据，把数据转变为无法读取形式的技术称为加密技术。WSN通常采用混沌加密技术，该技术最具代表性的加密算法是对称密码体制。对称密码体制的能耗较低，相对来说计算起来并不是十分烦琐。在判断WSN采用的加密算法是否恰当时，通常需要考虑以下几个方面：数据占用的长度和处理的时间、能耗的大小、加密算法代码的长度。常用的加密算法包括高级加密标准（AES）算法和对称加密算法等。总体来说，混沌密码技术属于较为复杂的一项技术，采用的是动力学的机制，以及混乱与扩散的基本原理。
（2）密钥管理协议。密钥管理协议用于在密钥从生成到利用的所有步骤中对密钥进行分级授权保护，在保证密钥封闭性的同时可以灵活使用密钥。
（3）数据验证协议。数据验证协议用于对用户将要使用的数据进行安全验证，如验证是否具有端级签名和个人签名。
（4）安全审计协议。安全审计协议用于收集、检测和控制所有与安全相关的事件，其作用是危险防护，以及对危害安全的事件进行追溯。
（5）数字水印技术。数字水印技术通过相关算法将标识信息嵌入原始数据中，合法的使用者可以提取并识别水印密钥。利用数字水印技术，能够判断数据是否被篡改过，从而提升WSN的传输可靠性。数字水印技术包括水印嵌入器和水印检测器，与密码学相结合，可以实现对数据的多重安全保护。对于传输的数据，可以利用水印嵌入器来形成水印密钥，并与原始数据结合在一起；在使用时，可以根据水印检测器来解密水印密钥，从而输出原始数据。
（6）防火墙技术。防火墙技术具备很强的认证授权记账（Authentication Authorization Accounting，AAA）管理功能。利用该技术，不仅可以把内部主机的IP地址翻译到外网中，从而使WSN与互联网互联互通；还可以将外网隐藏到内网中。通过防火墙技术，能够确保WSN不会遭受到蠕虫、黑客、病毒和坏件等的攻击；通过虚拟专用网络（Virtual Private Network，VPN）能够保障WSN的用户无须安装VPN客户端就可以访问网络。在WSN中，通过防火墙技术可以有效地隔离无线网络和核心网络，将多个无线网络分开管理，即使无线网络被破解了，也无法攻击核心网络。
随着大规模、分布式WSN的应用，WSN将会覆盖和装备整个地球，连续监测和收集各种物理、生物等信息，包括土壤和空气条件、各种基础设施的状况、濒危物种的习性特征等。WSN的应用能够帮助人们理解和管理与我们不断增强连接的物理世界。
WSN的应用可以分为跟踪应用和监测应用两类，如图2-1所示，这两类应用呈现出了相互融合的趋势。监测应用包括环境监测、公共卫生监测、商业监测、生物监测、军事监测等，跟踪应用包括工业跟踪、公共事业跟踪、商业跟踪、军事跟踪等。
图2-1 WSN的应用分类
根据监测对象的特性，WSN的应用可以分类为空间监测、目标监测，以及空间和目标的交互监测。根据感知数据的获取方式，WSN应用可以分类为事件驱动、时间驱动和查询驱动。
WSN技术被认为21世纪能够对信息技术、经济和社会进步发挥重要作用的技术，其发展潜力巨大，该技术的广泛应用，将会对现代军事、现代信息技术、现代制造业及许多重要的社会领域产生巨大的影响。
Z-Wave是由丹麦Zensys公司主导的无线组网技术，虽然Z-Wave联盟（Z-Wave Alliance）的规模没有ZigBee联盟大，但Z-Wave联盟的成员均是智能家居领域的制造商，该联盟已经具有160多个成员，基本覆盖了全球大多数国家或地区。
Z-Wave是一种新兴的基于射频、低成本、低功耗、高可靠性、适合网络的短距离无线通信技术，工作频段为868.42 MHz（欧洲）、908.42 MHz（美国），采用FSK（如BFSK、GFSK）调制方式，数据传输速率为9.6 kbit/s，室内的有效覆盖范围是30 m，室外的有效覆盖范围是100 m，适合窄/宽带应用场合。随着通信距离的增大，设备的复杂度、功耗和成本都在增加，相对于现有的各种短距离无线通信技术，Z-Wave技术的功耗和成本是最低的，有力地推动了低速无线个域网的发展。
Z-Wave技术在智能家居中的抄表、照明控制、家电控制、HVAC、接入控制、防盗和火灾监测等方面得到了广泛的应用，该技术可以将独立的设备转换为智能网络设备，从而实现无线控制和无线监测。在设计Z-Wave技术时，就将其定位于智能家居的无线控制领域，该技术采用小数据格式，40 kbit/s的数据传输速率足以应对实际的应用需求。与同类的其他短距离无线通信技术相比，其数据传输速率较低、传输距离较大和价格较低。针对窄带应用，Z-Wave技术采用创新的软件解决方案取代成本高的硬件，只需要其他类似技术的一小部分成本就可以搭建高质量的无线网络。
例如，针对三室一厅的住宅，采用Z-Wave技术搭建无线网络的方案是：由3个嵌入式照明控制器、3个墙壁开关、1个全功能红外遥控器、1个触摸控制屏构成主系统；嵌入式情景控制器、手持式情景控制器为功能扩展模块；全功能红外遥控器与触摸控制屏为控制器（Controller），嵌入式照明控制器、嵌入式情景控制器及手持式情景控制器均为节点（Slave）。由于在基于Z-Wave技术搭建的无线网络中，所有的设备均使用了路由技术，因此在安装设备时只需要保证两个设备之间的距离小于最大通信距离即可。安装完成后，通过全功能红外遥控器先将所有设备接入网络，再将触摸控制屏接入网络后，即可将所有的入网设备同步更新到触摸控制屏中。设备入网后，用户通过全功能红外遥控器和触摸控制屏即可直观地查看家中所有设备的开关状态，并且可以方便地对其进行控制。如果将触摸控制屏接入互联网，则可以利用PDA、PC等通过互联网来远程控制家电。
由于Z-Wave技术具有以下优点，因此在智能家居系统中得到了广泛的应用。
（1）抗干扰、更省心。Z-Wave技术的工作频率是868.42 MHz，这个频段有别于蓝牙、无线路由器、Wi-Fi、无线鼠标等设备使用的频道，基本不会受到干扰，更适合家庭使用。
（2）兼容性强、更放心。Z-Wave技术具备强大的兼容性，只要产品通过Z-Wave联盟的认证，就可以方便地在智能家居系统中添加该产品。
（3）低功耗、低辐射、更健康。Z-Wave技术具有功耗低、辐射低的特点，适合用于智能家居系统。Z-Wave技术的定位很明确，即为改善人类的生活质量努力！
（4）安全系数高、更安心。Z-Wave技术的安全系数高，难以破解，很多小区或别墅的智能家居系统都采用了Z-Wave技术。
Z-Wave协议是一个低带宽、半双工传输协议，是针对高可靠性、低功耗、网状网络的无线通信设计的，该协议主要用于在控制器和一个或多个节点之间实现可靠的、短距离的传输。
Z-Wave协议从下至上分为5层，分别是物理层、MAC层、传输层、路由层和应用层。
物理层的作用是提供数据传输的物理媒介，物理层协议是各种网络设备进行互联时必须遵守的底层协议，其目的是在两个网络设备之间提供透明的二进制位传输。物理层上的传输可以是全双工或半双工的，可以采用同步方式或异步方式。物理层提供了为建立、维护和拆除物理链路所需要的机械的、电气的、功能的和规程的特性。
Z-Wave是一种低速率短距离无线通信技术，支持9.6 kbit/s和40 kbit/s两种数据传输速率，前者用来传输控制指令，后者可以提供更为高级的网络安全机制。Z-Wave技术的工作频段灵活，可工作在900 MHz（ISM频段）、868.42 MHz（欧洲）、908.42 MHz（美国），工作在这些频段上的其他设备相对较少，而ZigBee或蓝牙所使用的2.4 GHz频段正变得日益拥挤，相互之间的干扰不可避免，因此Z-Wave技术更能保证通信的可靠性。
Z-Wave技术的功耗极低，采用频移键控（Frequency-Shift Keying，FSK）调制方式，适用于智能家居系统。采用电池供电的节点通常处于休眠状态，每隔一段时间被唤醒一次，以监听是否有需要接收的数据，两节普通的7号电池可以工作10年，免去了频繁更换电池的麻烦。
Z-Wave协议的复杂性比ZigBee协议和蓝牙协议小得多，要求的存储空间也较小。标准的Z-Wave协议只需要32 KB存储空间，而实现同样功能的ZigBee协议则至少需要128 KB的存储空间，蓝牙协议则需要更大的存储空间。从这个角度来看，Z-Wave协议的成本要低于ZigBee协议或蓝牙协议。
Z-Wave网络的容量为232个节点，远低于ZigBee网络的65535个节点。Z-Wave网络中节点的典型覆盖范围为室内30 m、室外100 m，最多支持4级路由。在应用的普适性方面差于ZigBee网络，因此不能使用单一技术建立大规模的Z-Wave网络。但对于智能家居应用来说，Z-Wave网络已经足以满足实际的需求了。通过使用虚拟节点技术，Z-Wave网络可以与其他类型的网络进行通信。
MAC层主要负责网络设备之间无线数据链路的建立、维护和结束，同时控制信道的接入、进行帧校验，并预留时隙。为了提高数据传输的可靠性，当节点传输数据时，MAC层采用了带冲突检测的载波监听多路访问（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection，CSMA/CD）机制来防止其他节点传输数据。Z-Wave协议的MAC层用于控制无线媒介，数据流采用曼彻斯特编码，数据帧包含了前码、帧头、帧数据、帧尾，所有的数据都通过小端模式传输。MAC层独立于无线媒介、频率和调制方法，但要求接收到数据时能从曼彻斯特编码比特流或解码比特流中获得帧数据或整个二进制信号。数据通过8 bit的数据块传输，第一位是最高有效位（Most Significant Bit，MSB）。
MAC层采用CSMA/CD机制，让不传输数据的节点进入接收模式，如果MAC层正处于接收数据阶段则延时传输，CSMA/CD机制在所有节点上都被激活。当无线媒介正忙时，帧的传输延时是一个随机的毫秒数。MAC层采用的CSMA/CD机制包括载波监听、帧间间隔和随机退避。节点之间使用CSMA机制来争用信道，以获取发送权。CSMA/CA机制采用两次握手机制，即ACK（Acknowledgement）机制，当接收端正确接收到数据帧后，会立即发送确认帧ACK，发送端接收到确认帧ACK，就知道该数据帧已经成功发送。如果无线媒介空闲时间大于等于帧间隔，就传输数据，否则将延后传输数据。
传输层的主要作用是在节点之间提供可靠的数据传输，主要包括重新传输、帧校验、帧确认和流量控制等。传输层的数据帧共有三种类型：
（1）单播帧。单播帧是指向Z-Wave网络中一个指定节点发送的数据帧。如果目标节点成功收到该数据帧，将会回复一个应答帧ACK。如果单播帧或应答帧丢失或损坏，则传输层将重新发送单播帧。为了避免与其他系统的碰撞，重新发送数据帧时将会有一个随机延时。随机延时必须与传输最大帧长和接收应答帧所花费的时间一致。在不需要可靠传输的系统中，可以选择关闭单播帧的应答帧。应答帧是单播帧的一种类型，其数据域的长度是0。
（2）多播帧。多播帧是指向Z-Wave网络中的多个节点发送的数据帧。多播帧中的目标地址指定了目标节点，而不用向每个节点都发送一个独立的数据帧。多播帧没有应答帧，所以多播帧不适合需要可靠传输的系统。如果多播帧要求可靠性，则需要在多播帧之后发送单播帧。
（3）广播帧。广播帧是指向Z-Wave网络中所有节点发送的数据帧，任何节点都不对该帧进行应答。和多播帧一样，广播帧也不适合需要可靠传输的系统。如果广播帧要求可靠性，则需要在广播帧之后发送单播帧。
路由层的主要作用是控制节点间数据帧的路由、确保数据帧在不同节点间能够多次重复传输、扫描网络拓扑和维持路由表等。
Z-Wave协议的路由层采用了动态源路由（Dynamic Source Routing，DSR）协议。DSR协议是一种按需路由协议，它允许节点动态发现到达目标节点的路由，每个数据帧的头部附加了到达目标节点之前所需经过的节点列表，即数据分组中包含了到达目标节点的完整路由。传统路由方法［如按需距离矢量（Ad Hoc On-demand Distance Vector Routing，AODV）协议］在数据分组中只包含下一跳节点和目标节点地址，DSR协议不需要周期性地广播网络拓扑信息，可避免网络的大规模更新，能有效减少网络带宽开销，降低能耗。
在发现路由时，源节点发送一个包含源路由列表的路由请求帧，此时源路由列表只有源节点，收到该路由请求帧的节点继续向前发送该帧，并在源路由列表中加入自己的节点地址，直至到达目标节点。每个节点都有一个用于保存最近接收到的路由请求帧的存储区，因此可以不重复转发已经接收到的路由请求帧。部分节点（如果它们有额外的外部存储空间）会将已经获得的源路由列表存储下来以减少路由开销。当接收到路由请求帧时，节点先查看存储的源路由列表中是否存在合适的路由，如果有就不再转发，直接返回源节点，如果路由请求帧被转发到了目标节点，那么目标节点将返回一个返回路由。
当源节点与目标节点通信时，源节点首先广播一个具有唯一ID的RREQ消息，在源节点覆盖范围内一个或多个具有到达目标节点路由信息的中间节点会接收到RREQ消息，并将路由信息返回到源节点。每个节点的缓冲区都会记录该节点侦听到的路由信息。当一个节点收到RREQ消息时，如果在该节点最近的路由请求帧中包含该请求，则丟弃该请求；如果路由记录中包含当前节点的地址，则不进行处理，防止形成环路；如果该节点就是目标节点，则发送返回路由给源节点；在其他情况下，该节点在RREQ消息中添加自己的地址，并将该路由请求帧广播出去。
当源路由列表上的一个节点移动或掉电时，网络拓扑会发生变化，路由可能会变得不可用。当上游节点通过MAC层协议发现路由不可用时，就会向上游所有的节点发送RERR消息。当源节点收到该RERR消息后，会从缓冲区中删除无效路由。如果需要继续发送数据，则源节点会重新发起路由发现过程来建立新的路由。
DSR协议不需要周期性地交换路由信息，可以减少网络开销，节点可以进入休眠模式，节省电池电量。数据帧中包含完整的路由信息，节点可以获取完整路由信息中有用的部分。例如，在节点A到节点B，再到节点C的路由中，包含了节点B到节点C的路由信息，节点B不需要发起对节点C的路由发现，从而节省了路由发现所需的开销。同时，采用DSR协议的网络规模受到了限制，因为数据分组中有很多路由信息，过长的路由表会大幅增加网络分组的开销，鉴于一个Z-Wave网络中最多有232个节点、最多支持4个路由，因此DSR协议的额外开销并不会十分严重，增强型节点通常有更大的外部存储空间，用于存储最近使用的路由信息，可以通过硬件开销来提高网络性能。
应用层负责Z-Wave网络中的译码和指令的执行，主要功能包括曼彻斯特译码、指令识别、分配HomeID和NodeID，以及对发送帧和接收帧的有效荷载进行控制等。
Z-Wave技术关注设备的互操作性和厂商开发的方便性，在应用层中引入了相关机制以实现这一点。
为了实现智能家居系统中众多子系统的相互作用，加强不同厂商产品的相互操作性，Z-Wave协议在应用层中引入了相关机制来实现设备之间的相互作用。这样，各个厂商只需要集中精力开发其所擅长的产品即可，这些产品可以很好地在一个Z-Wave网络中工作，为厂商的开发提供了便捷。
ZigBee是符合IEEE 802.15.4标准的低功耗局域网协议，简单说，就是一种无线通信协议。ZigBee一词来源于蜜蜂的“8”字舞，蜜蜂（Bee）是靠飞翔和“嗡嗡（Zig）”地抖动翅膀来向同伴传递花粉所在方位信息的，依靠这种方式构成了群体中的“通信网络”。ZigBee网络的组网方式与此类似，因此称为ZigBee网络。ZigBee的特点是通信距离短、复杂度低、自组织、功耗低、数据传输速率低、成本低。简而言之，ZigBee是一种低成本、低功耗的短距离无线通信技术。
对于无线通信而言，由于电磁波在传输过程中容易受很多因素的干扰，如天气状况，尤其是障碍物的阻挡会造成信号的衰减。因此，无线通信系统在数据传输过程中具有一定的不可靠性。
为了弥补无线通信的不可靠性，ZigBee联盟在制定ZigBee规范时考虑了数据传输过程的不可靠性，采取了以下措施来提高数据传输的可靠性：
（1）在物理层兼容高可靠性的短距离无线通信协议IEEE 802.11.5，同时使用OQPSK和DSSS技术。
（2）采用CSMA/CA机制来解决数据冲突问题，采用使用16 bit的CRC来确保数据的正确性。
（3）采用带应答的数据传输方式来确保数据正确地传输到目标地址；在从源地址到目标地址传输数据时，尽量使数据沿着不同的传输路径，即所谓的星状网络。
ZigBee协议可以集成到8 bit的MCU，目前TI公司推出了兼容ZigBee 2007协议的SoC芯片CC2530，该芯片每片的价格仅几元，外接由几个阻容元件构成的滤波电路和PCB天线即可作为ZigBee网络的节点。ZigBee网络中的设备主要分为三种：
（1）协调器（Coordinator）：主要负责ZigBee网络的建立和维护。
（2）路由器（Router）：主要负责ZigBee网络数据的路由，可连接多个逻辑上分开的ZigBee网络。
（3）终端节点（End Device）：主要负责ZigBee网络的数据采集。
低功耗仅仅是针对终端节点而言的，路由器和协调器需要一直处于供电状态，只有终端节点可以定时休眠。
为了保证数据传输的安全性，ZigBee技术使用了AES-128加密算法。
传统的无线协议很难适应WSN的低成本、低功耗、高容错性等的要求，在这种情况下，ZigBee协议便应运而生了。ZigBee协议的基础是IEEE 802.15.4，而ZigBee联盟又扩展了该协议，对其网络层协议和API进行了标准化。ZigBee协议的主要应用领域有家庭、楼宇自动化、自动读表系统等。
不同的无线通信系统使用的频段是不同的，为了防止不同系统之间的相互干扰，需要实施无线通信系统的频谱资源管理。各个国家都有自己的无线电管理部门，如美国的联邦通信委员会（FCC）、欧洲的典型标准委员会（ETSI）。我国的无线电管理机构是工业和信息化部国家无线电监测中心，其主要职责是负责无线电频率的划分、分配与指配、卫星轨道位置协调和管理、无线电检测、干扰查处、协调处理电磁干扰事宜和维护空中电波秩序等。
一般情况，使用某一特定的频段是需要得到无线电管理部门许可的。当然，各国的无线电管理部门也规定了一部分波段是对公众开放的，不需要许可即可使用，以满足不同应用的需求，如ISM（Industrial Scientific Medical）频段。除了ISM频段，在我国，低于135 kHz，在北美、日本等地低于400 kHz的频段也是免许可频段。各国的无线电管理部门不仅规定了ISM频段的频率，也规定了在这些频段上的发射功率。在项目开发过程中，需要查阅相关的手册，如《微功率（短距离）无线电设备管理暂行规定》。
ZigBee技术使用的是ISM频段，定义了两个频段，即2.4 GHz频段和896/915 MHz频段。在IEEE 802.15.4中规定了27个信道，其中2.4 GHz是全球通用的ISM频段。
ZigBee技术使用的ISM频段如图2-2所示。
图2-2 ZigBee技术使用的ISM频段
ZigBee技术是为小型无线局域网开发的通信技术，尤其是伴随着ZigBee2007协议的逐渐成熟，ZigBee技术在智能家居和智能楼宇方面有较大的应用前景。ZigBee技术的出现弥补了低成本、低功耗和低速无线通信市场的空缺，在以下应用场合，ZigBee技术表现出了其他无线通信技术没有的优势。
（1）需要采集大量数据、网络节点较多的场合。
（2）对数据传输速率要求不高的场合。
（3）对设备的体积有限制、电池使用时间不宜过短的场合。
（4）在野外布置网络节点，进行简单数据传输的场合。
在工业控制方面，可以利用ZigBee技术搭建无线网络，传感器节点采集数据后通过ZigBee网络来传输数据。在智能家居中，可将空调、电视、窗帘等的控制器通过ZigBee技术来搭建无线网络，通过一个遥控器就可以控制网络中的设备，这比每个设备都有一个遥控器要方便得多。在农业方面，传统的农业主要使用没有通信能力且孤立的机械设备，依靠人力来检测农田的土质、作物生长等状况；采用ZigBee技术，可以轻松地通过ZigBee网络来监控农田的土质状况和作物的生长状况，这将大大促进智慧农业的进程。在医学应用方面，可以借助ZigBee技术来准确、有效地监测患者的血压、体温等信息，这将大大减轻查房的工作负担，医生只需要通过上位机的软件，即可监测多个病房的患者健康状况。
想要学习协议栈，必须先知道协议是什么。协议定义的是一系列的通信标准，通信双方需要共同按照这一标准进行正常的数据收发。协议栈是协议的具体实现形式，可将协议栈通俗地理解为用代码实现的函数库，以便开发人员调用。
ZigBee的协议分为两部分，IEEE 802.15.4定义了PHY层和MAC层技术规范，ZigBee联盟定义了NWK（网络层）、APS（应用程序支持子层）、APL（应用层）技术规范。Z-Stack就是将各个层定义的协议都集合在一起，以函数的形式实现，并给用户提供一些应用层API，供用户调用。
Z-Stack采用分层架构，从下往上依次为PHY层、MAC层、网络层和应用层，应用层包含应用程序支持子层、应用框架和ZDO设备对象。在Z-Stack中，上层可以调用下层的函数来实现某些功能。Z-Stack的结构如图2-3所示。
图2-3 Z-Stack的结构
在图2-3中，APSDE-SAP为应用支持子层数据实体服务接入点，APSME-SAP为应用支持子层管理实体服务接入点，NLDE-SAP为网络层数据实体服务接入点，NLME-SAP为网络层管理实体服务接入点，MLDE-SAP为MAC层数据实体服务接入点，MLME-SAP为MAC层管理实体服务接入点，PLDE-SAP为PHY层数据实体服务接入点，PLME-SAP为PHY层管理实体服务接入点。服务接入点就是API，这些API用于调用下层的功能函数。
Z-Stack的PHY层和MAC层采用了IEEE 802.15.4标准，PHY层无线频段为全球通用的2.4 GHz、欧洲使用的868 MHz、美国使用的915 MHz，使用直接序列扩频技术，提供27个信道，支持20 kbit/s、40 kbit/s、250 kbit/s三种数据传输速率。其中，常用的2.4 GHz频段提供16个信道。PHY层的功能包括激活和休眠射频收发器、信道能量检测、信道接收数据包的链路质量指示、空闲信道评估、收发数据等。
Z-Stack的MAC层负责设备之间无线数据链路的建立、维护和结束，确认数据传输的模式，采用CSMA/CD机制，数据包的最大长度为127 B，每个数据包均由头字节和16位CRC校验值组成。
网络层为Z-Stack的核心部分，其主要功能是实现节点接入或离开网络、路由查找及传输数据等，支持星状、树状、网状三种网络拓扑结构，网络拓扑结构可根据具体的ZigBee网络来选择。节点按功能分为全功能设备和简化功能设备，协调器与路由器通常是全功能设备。
Z-Stack的应用层包括应用支持子层（APS）、ZDO设备对象和应用项目。应用支持子层负责维护绑定表，根据服务和需求在两个绑定实体间传输数据。ZDO设备对象不仅负责定义设备节点在网络中的角色，并负责网络设备的发现，决定提供何种应用服务，还负责初始化或响应绑定请求，以及建立网络设备间的安全关系。
ZigBee网络采用多点接入，有使能信标网络或不使能信标网络两种类型。在使能信标网络中，协调器在预定义的时隙内周期性地发送信标帧，用于节点关联、加入网络、同步传输数据。在不使能信标网络中，协调器也周期性地发送信号，但这只用于终端节点检测协调器是否存在，终端节点要随时准备好进行点对点的通信，通过发送数据请求和应答进行通信。
在安全方面，Z-Stack采用IEEE 802.15.4标准的MAC层安全模型，该安全模型规范了四个方面的安全服务，即访问控制、数据加密、帧完整性检查，以及采用顺序更新值防止帧重传。
6LoWPAN是一种基于IPv6的低速无线个域网标准，即IPv6 over IEEE 802.15.4。由于目前大多数网络都是基于IPv4的，因此需要在IPv4与IPv6之间实现互操作。6LoWPAN可工作在2.4 GHz、868 MHz和915 MHz。
（1）普及性：IP网络应用广泛，作为下一代互联网核心技术的IPv6，也在加速其普及的步伐，在低速无线个域网中使用IPv6更易于被接受。
（2）适用性：IP网络协议栈架构得到了广泛的认可，低速无线个域网完全可以基于此架构进行简单、有效的开发。
（3）更多的地址空间：将IPv6应用于低速无线个域网，其最大的特点是具有庞大的地址空间，可满足部署大规模、高密度低速无线个域网的需要。
（4）支持无状态自动地址配置：在IPv6中，节点启动后可以自动读取MAC地址，并根据相关规则配置所需的IPv6地址。这个特性对WSN来说，非常具有吸引力，因为在大多数情况下，不可能对每个传感器节点配置用户界面，传感器节点必须具备自动配置功能。
（5）易接入：低速无线个域网使用IPv6技术，更易于接入其他基于IP技术的网络及下一代互联网，使其充分利用IP技术。
（6）易开发：基于IPv6的许多技术已比较成熟，并被广泛接受，针对低速无线个域网的特性对这些技术进行适当的精简和取舍，可以简化协议的开发过程。
6LoWPAN得到了学术界和产业界的广泛关注，如美国加利福尼亚大学伯克利（Berkely）分校、瑞典计算机科学研究所（Swedish Institute of Computer Science），以及思科（Cisco）、霍尼韦尔（Honeywell）等企业，都并推出了相应的产品。6LoWPAN已经在许多开源软件上得以实现，如Contiki、TinyOS分别实现了6LoWPAN的完整协议栈，并得到广泛的测试和应用。
ZigBee和6LoWPAN都采用AES-128加密算法，AES-128加密算法是IEEE 802.15.4技术标准的一部分。
蓝牙（Bluetooth）技术是一种无线数据传输和语音通信的开放性全球规范，它基于低成本的短距离无线连接，可为固定设备和移动设备建立通信环境。通过蓝牙技术，一些便携式移动设备和计算机无须电缆就能连接到互联网。
蓝牙技术由爱立信于1994年提出，最初用于在移动电话和其他配件间进行低功耗、低成本的无线通信连接。1997年，爱立信与移动设备制造商讨论蓝牙技术的合作发展，获得了移动设备制造商的支持。
1998年5月20日，爱立信联合IBM、英特尔、诺基亚、东芝成立了蓝牙特别兴趣小组（Special Interest Group，SIG），即蓝牙技术联盟的前身，其目标是开发一个低成本、高效率、可在短距离范围内进行无线连接的蓝牙技术标准。当年蓝牙推出了0.7版规范，支持Baseband与LMP（Link Manager Protocol）。
1999年SIG先后推出0.8版、0.9版、1.0Draft版，完成了SDP（Service Discovery Protocol）和TCS（Telephony Control Specification）。1999年7月26日SIG正式公布1.0A版，确定使用2.4 GHz频段。和当时流行的红外技术相比，蓝牙技术有着更高的数据传输速率，而且不需要像红外技术那样接口对准接口才能连接，在有效通信范围内的蓝牙设备可以随时进行连接。1999年下半年，微软、摩托罗拉、三星、朗讯与SIG的五家公司共同发起成立了蓝牙技术推广组织，从而在全球范围内掀起了一股蓝牙技术热潮。到2000年4月，SIG的成员数已超过1500个。
蓝牙是一种用于短距离（一般在10 m内）的无线通信技术，能在移动电话、PDA、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等终端设备之间进行无线数据通信。利用蓝牙技术，既能简化终端设备之间的通信，也能简化终端设备与互联网之间的通信，从而使数据传输变得更加迅速、高效，为无线通信拓宽道路。
蓝牙作为一种小范围的无线连接技术，能在终端设备之间实现方便快捷、灵活安全、低成本、低功耗的数据通信和语音通信，因此成为无线个域网的主流技术之一。蓝牙技术以低成本的短距离无线连接为基础，为固定设备与移动设备通信环境建立了一个特别的连接，其实质内容是为固定设备或移动设备之间的通信环境建立通用的无线电空中接口（Radio Air Interface），将通信技术与计算机技术进一步结合起来，在无须有线连接的情况下，能在短距离范围内实现相互通信或相互操作。简单地说，蓝牙是一种利用低功耗无线电在各种终端设备之间进行数据传输的技术。蓝牙技术工作在全球通用的2.4 GHz的ISM频段，符合IEEE 802.11标准协议。作为一种新兴的短距离无线通信技术，蓝牙技术正有力地推动着低速无线个域网的发展。
蓝牙设备是蓝牙技术应用的主要载体，必须在一定的范围内进行配对，这种配对称为短程临时网络模式，也称为微微网（Piconet），可最多容纳8个设备。蓝牙设备组网成功后，主设备只有1个，从设备可以有多个。蓝牙技术具备射频特性，采用了TDMA技术与网络多层次结构，应用了跳频技术、无线技术等，具有传输效率高、安全性高等优势，在各行各业得到了广泛的应用。
蓝牙技术的特点主要有：
（1）蓝牙技术的适用设备多，可通过无线通信的方式连接蓝牙设备。
（2）全球范围适用。蓝牙技术工作在2.4 GHz的ISM频段，全球大多数国家的ISM频段是2.4～2.4835 GHz，使用该频段无须向各国的无线电管理部门申请许可证。蓝牙技术使用方便，利用蓝牙技术可以在两个蓝牙设备之间迅速建立连接，在控制软件的作用下自动传输数据。
（3）利用蓝牙技术可同时传输语音和数据。蓝牙技术采用电路交换技术和分组交换技术，支持异步数据信道、三路语音信道，以及异步数据与同步语音同时传输的信道。语音信道的数据传输速率为64 kbit/s，语音信号采用脉冲编码调制（Pulse Code Modulation，PCM）或连续可变斜率增量（Continuously Variable Slope Delta，CVSD）调制。当采用非对称信道传输数据时，正向最大速率为721 kbit/s，反向最大速率为57.6 kbit/s；当采用对称信道传输数据时，速率最大为342.6 kbit/s。蓝牙有两种链路类型：异步无连接（Asynchronous Connection-Less，ACL）链路和同步面向连接（Synchronous Connection-Oriented，SCO）链路。
（4）利用蓝牙技术可建立临时性的对等连接。根据蓝牙设备在网络中的角色，可分为主设备（Master）与从设备（Slave）。主设备是指在组网时主动发起连接请求的蓝牙设备，几个蓝牙设备连接成一个微微网时，其中只有1个主设备，其余的均为从设备。微微网是蓝牙最基本的一种网络形式，最简单的微微网是由1个主设备和1个从设备组成的点对点通信连接。通过时分复用技术，1个蓝牙设备可以同时与几个微微网保持同步，即该设备按照一定的时间顺序参与不同的微微网，在某一时刻参与某个微微网，在下一时刻参与另一个微微网。
（5）蓝牙技术的安全性和抗干扰能力较强。由于蓝牙技术具有跳频的功能，有效避免了ISM频段遇到干扰源。蓝牙技术的兼容性较好，目前，蓝牙技术已经发展为独立于操作系统的一项技术，在不同的操作系统中具有良好的兼容性能。工作在ISM频段的无线电设备有很多，如家用微波炉、无线局域网（Wireless Local Area Network，WLAN）和HomeRF等产品，为了很好地抵抗来自这些设备的干扰，蓝牙技术采用跳频（Frequency Hopping）方式来扩展频谱（Spread Spectrum），将2.402～2.48 GHz的频段分成79个频点，相邻频点间隔1 MHz。蓝牙设备在某个频点发送数据后，会跳到另一个频点发送数据，而频点的顺序是伪随机的，每秒可改变1600次频点，每个频点的持续时间为625 μs。
（6）蓝牙技术的通信距离较短。在现阶段，蓝牙技术的通信范围大约为10 m，增加射频功率后可达到100 m左右。
（7）低功耗。蓝牙设备在通信连接（Connection）状态下，有激活（Active）、呼吸（Sniff）、保持（Hold）和休眠（Park）四种工作模式，Active模式是正常工作的模式，另外三种模式是为了节能而设置的低功耗模式。
（8）开放的接口标准。为了推广蓝牙技术，SIG公开了蓝牙技术的全部标准，任何单位和个人都可以开发蓝牙设备，只要通过SIG的蓝牙产品兼容性测试，就可以推向市场。
（9）蓝牙模块的体积很小、便于集成。由于个人移动设备的体积较小，嵌入其内部的蓝牙模块体积就应该更小，爱立信的蓝牙模块ROK101008的外形尺寸仅为32.8 mm×16.8 mm×2.95 mm。
（10）成本低。随着市场需求的扩大，各个提供商纷纷推出自己的蓝牙芯片，蓝牙产品的成本在飞速下降。
（11）采用跳频技术和扩频技术。
目前，蓝牙技术最主要的应用领域是消费电子领域，随着蓝牙5.x的普及以及移动互联网的崛起，使蓝牙技术的应用领域从手机、平板电脑等便携式设备向物联网、医疗等新领域拓展，许多基于移动平台的蓝牙应用为整个无线市场带来新的商业机遇。
（1）可穿戴设备。可穿戴设备市场的快速增长与蓝牙技术息息相关，蓝牙模块具有体积小、成本低、功耗低等特性，为长期使用电池供电的可穿戴设备提供了完美的解决方案，支持蓝牙技术的可穿戴设备不仅能与智能手机通信，还能在可穿戴设备之间以及与互联网进行通信。蓝牙技术对可穿戴设备的智能化设计、开发和管理意义重大。
（2）智能门锁。智能门锁通常都内置了蓝牙模块，不仅可以通过智能手机遥控开门，还可以实时监控门锁的状态，随时随地掌控家里的进出情况。
（3）资产管理。蓝牙技术能够发射与接收2.4 GHz的无线信号，通信距离可达到100 m，在有效的范围内可以穿越障碍物进行连接，没有特别的通信视角和方向要求，可对实物状态、运行过程和服务进行综合管理，在资产管理方面的应用，有望成为蓝牙技术创新发展的新一轮浪潮。
（4）儿童定位。利用蓝牙技术进行定位的典型实例是iBeacon。iBeacon是苹果公司开发的一种基于BLE的定位系统，该系统在很多儿童定位产品中得到了应用，一旦孩子与家长超出安全距离，家长手机会立即发出警报提示，确保儿童处于安全范围内。
（5）移动支付。蓝牙技术与移动支付的结合体现了移动安全解决方案的安全性与便捷性，各类基于蓝牙技术的智能终端的新兴，为移动支付的发展注入了新的活力。例如，金融IC卡通过蓝牙技术和智能手机相连，成为金融IC卡接入互联网的重要数据入口。
（1）车载免提系统。将蓝牙技术应用到车载免提系统中，是最典型的汽车蓝牙应用。利用手机作为网关，打开手机蓝牙功能与车载免提系统，只要手机和车载免提系统的距离在10 m之内，都可以自动连接，从而控制车内的麦克风与音响系统，实现全双工免提通话。
（2）车载蓝牙娱乐系统。车载蓝牙娱乐系统主要包括USB技术、音频解码技术、蓝牙技术等，将上述技术相融合，利用汽车内部麦克风、音响等，可播放存储在U盘中的各种音频。
（3）蓝牙车载诊断系统。蓝牙车载诊断系统主要依靠蓝牙技术对车辆进行远程检修，尤其是可以对汽车的发动机进行实时监测，一旦发现汽车运行不正常，则可利用设定好的计算方法准确判断出现故障的原因与故障类型，并将故障诊断代码上传到车载运行系统的存储器中，使得车辆检修变得更加方便、快捷。
（4）汽车蓝牙防盗系统。随着蓝牙技术逐渐成熟，其在应用广泛性、使用安全性、传输准确性、传输高效性等方面得到了更进一步的改善。尤其是蓝牙防盗器的应用，当汽车处于设防状态时，蓝牙防盗器的感应功能会自动连接车主的手机，一旦车辆状态发生变化，则会自动报警。
（1）利用蓝牙技术对数控机床进行无线监控。蓝牙技术在数控机床中的应用，主要体现在无线监控方面。利用蓝牙技术安装相应的监控设备，不仅可为技术人员的生产提供方便，也可为安全生产提供便利。技术人员可利用蓝牙监控设备，随时监控与管理数控机床的运行，可以及时发现并处理问题。尤其是在无线数据链路下实现的自动监控能力，可以适当干预数控机床的运行，如停止主轴或系统停机等。
（2）利用蓝牙技术对零部件的磨损程度进行检测。蓝牙技术还可用于检测零部件的磨损程度，并利用蓝牙无线传输将检测数据传输到相关的设备中进行智能分析。
（3）利用蓝牙技术调整设备的输出功率。利用蓝牙技术可检测设备的输出功率变化情况，将其与标准功率进行对比，如果存在异常，则及时进行调整，使设备的输出功率符合标准。
（4）利用蓝牙技术实时监测并记录数控系统的运行状态。蓝牙传输设备作为监控系统主要组成，随时记录数控系统运行状态，并且将数控系统运行期间的任何波动全部传输到存储设备中，利用通信端口上传信息，为数控生产管理人员提供更多参考资料。
医院监护系统和医疗会诊系统的出现，为现代医疗事业的发展做出突出贡献，但在实际应用中也存在一些问题，如对重症患者的监护设备通常都采用有线连接，当需要移动患者时，难免会影响监控仪器的正常运行。蓝牙技术不仅可以改善这种状况，还可以传输诊断结果。
（1）利用蓝牙技术传输诊断结果。利用蓝牙技术可以及时将诊断结果传输到存储器中，从而提高诊断效率，确保诊断结果数据准确。
（2）利用蓝牙技术监控患者。在病床终端设备与病房控制器中应用蓝牙技术，可有效地对患者进行监护。利用蓝牙技术，可及时上传病床终端设备的编号以及患者的基本信息，一旦患者发生突发状况，则可利用病床终端设备发出信号，将信号通过无线传输的方式发送到病房控制器中，从而提高患者监护的效率。
Wi-Fi是一种短距离无线通信技术，常用于办公室和家庭中。同蓝牙技术相比，它具备更高的数据传输速率，更远的传输距离，已经广泛应用于笔记本电脑、手机、汽车和智能家居等领域中。
Wi-Fi是一种允许电子设备连接到一个无线局域网（WLAN）的技术，使用2.4 GHz的UHF或5 GHz的SHF ISM频段。Wi-Fi网络的目的是改善基于IEEE 802.11标准的无线局域网产品之间的互通性。
（1）采用CSMA/CA机制，以减少数据的传输碰撞和重试发送，防止各站点无序地争用信道。
（2）采用高速直接序列扩频（HR/DSSS）调制方式，HR/DSSS调制方式使用11位的Chipping-Barker序列来编码数据并发送数据。HR/DSSS调制方式需要比跳频技术更多的能量，但也能达到比跳频技术更高的数据传输速率。
（3）采用正交频分复用（OFDM）技术，将高速串行数据流经串/并转换后，分割成大量的低速数据流，每路数据采用独立载波调制并叠加发送，接收端依据正交载波特性分离多路信号。
（4）采用扩展绑定技术，提高所用频谱的宽度和数据传输速率。IEEE 802.11a/g标准使用的带宽是20 MHz，而IEEE 802.11n标准支持将相邻两个带宽绑定为40 MHz来使用。当带宽是20 MHz时，为了减少相邻信道的干扰，在其两侧预留了一小部分的带宽边界。通过40 MHz扩展绑定技术，这些预留的带宽也可以用来通信。IEEE 802.11ac标准将带宽进一步扩展到80 MHz和160 MHz，使得数据传输速率得到了进一步的提升。
（5）采用多输入多输出（MIMO）技术，可同时在多个天线上发送出不同的信号，而接收端则通过不同的天线将在不同的射频链路的信号独立地解码出来，从而提高数据传输速率。
（6）采用智能天线技术，可以动态调整波束，保证让用户接收到稳定的信号，并减少其他信号的干扰，从而将覆盖范围扩大到几千米，使Wi-Fi网络的移动性得到极大提高。
几乎所有的智能手机、平板电脑和笔记本电脑都支持Wi-Fi功能，Wi-Fi也是当今使用最广的一种无线网络传输技术。
无线网络在城市中应用比较普及，虽然Wi-Fi技术的无线通信质量不一定很好，数据安全性能也比蓝牙差一些，传输质量也有待改进，但其数据传输速率非常快，可以达到54 Mbit/s，符合个人和社会信息化的需求。Wi-Fi网络最主要的优势在于不需要布线，非常适合移动办公，并且由于发射信号功率低于100 mW，低于手机发射功率，因此Wi-Fi网络相对也是最安全、健康的网络。
Wi-Fi技术的标准演进如表2-1所示。
表2-1 Wi-Fi技术的标准演进
Wi-Fi技术的应用类型及场景如表2-2所示。
表2-2 Wi-Fi技术的应用类型及场景
通用分组无线业务（General Packet Radio Service，GPRS）是一种基于GSM系统的无线分组交换技术，提供端到端的、广域的无线IP连接。GPRS技术具有实时在线、按量计费、快捷登录、高速传输、自如切换等优点。通俗地讲，GPRS是一项高速数据处理的技术，以分组的形式将数据传输到用户。GPRS特别适合间断的、突发性的、频繁的、少量的数据传输，其理论数据传输速率可达171.2 kbit/s，实际数据传输速率为40～100 kbit/s。
GPRS技术是通过在GSM网络的基础上增加一系列的功能实体来实现分组数据功能的，新增功能实体组成了GPRS网络，对GSM网络的改动很小。GPRS网络与GSM网络通过一系列的接口协议共同完成对移动台的移动管理功能。GPRS网络新增的功能实体包括：GPRS业务支持节点（SCSN）、GPRS网关支持节点（GCSN）、点对多点数据服务中心等，以及原有功能实体软件功能的增强。GPRS大规模地借鉴和使用了数据通信技术及产品，包括帧中继、路由器、接入网服务器、防火墙等。
GPRS技术的优点如下：
（1）无线移动：GPRS摆脱了有线传输对线路和网络的限制，减少了应用的成本，扩大了行业的应用范围。
（2）实时在线：GPRS在激活后将始终保持在线状态，避免了频繁地接入网络，可节省接入时间、提高行业应用效率。
（3）按量计费：仅在产生通信流量时收费，适合数据传输量较小的应用，可节省应用的通信成本。
（4）快捷登录：通过GPRS技术接入网络时只需要3～5 s，适合业务处理重复率高、间隔时间短的应用。
（5）网络成熟：网络覆盖范围大是GPRS技术的最重要的优势。
GPRS可提供三类交互式业务：端到端分组传输模式下的数据发送和接收、点对点模式下的承载业务和补充业务，以及点对多点模式下的承载业务和补充业务。具体采用哪种类型的交互式业务，可根据用户的需求而定，也可分阶段提供不同的交互式业务。
从具体的应用来看，GPRS在国内主要提供无连接的IP业务，如：移动商务，包括移动银行、移动理财、移动交易等；移动信息服务，包括信息点播、天气、旅游、服务、新闻、广告等；移动互联网业务，包括网页浏览、电子邮件等；虚拟专用网业务，包括移动办公室、移动医疗等；基于位置的业务，包括位置查询、饭店及类似的服务行业导航等；多媒体业务，包括可视电话、多媒体信息传输、网络游戏、视频点播等；个人业务，包括PIM等为个人定制的业务。
射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）技术也称为无线射频识别技术，是自动识别技术的一种。RFID技术通过无线射频的方式进行非接触双向数据通信，利用无线射频的方式对媒介（标签或射频卡）进行读写，从而达到识别目标和数据交换的目的，被认为21世纪最具发展潜力的信息技术之一。
在RFID系统中，通过电磁波可实现标签的读写与通信。根据通信距离的长短，可分为近场识别和远场识别，阅读器和标签之间的数据交换方式也对应地分为负载调制和反向散射调制。
RFID技术最早出现在第二次世界大战中，当时该技术是用来进行敌我识别的。20世纪90年代，RFID技术日臻成熟，吸引了众多企业的关注。RFID技术发展的历程如表2-3所示。
表2-3 RFID技术发展的历程
RFID的工作原理并不复杂，当标签进入阅读器的通信范围时会接收到阅读器发射的射频信号，无源标签或被动标签可凭借感应电流获得的能量将存储在其中的产品信息发送出去，有源标签或主动标签可主动发送某一频率的信号，阅读器将解码后的信息发送到数据管理系统中进行处理。
RFID的工作原理如图2-4所示。
图2-4 RFID的工作原理
在RFID系统中，阅读器与标签之间的通信方式和能量感应方式可分为感应耦合及后向散射耦合两种，通常低频的RFID系统采用第一种方式，高频的RFID系统采用第二种方式。
一个完整的RFID系统通常由阅读器（Reader）、标签（Tag）和数据管理系统三部分组成。
阅读器的主要功能是从标签中读取信息，或将信息写入标签。当RFID系统工作时，阅读器会在一定的区域内发射射频信号，该区域的大小取决于发射功率，也称为阅读器的通信范围；处于阅读器通信范围内的标签会被触发，阅读器既可以接收标签发送的信息，也可以修改标签中的信息；阅读器通过外设接口与计算机网络进行通信，以便将读取到的信息发送到数据管理系统中。阅读器主要由收发天线、频率产生器、锁相环、调制电路、微处理器、存储器、解调电路和外设接口等模块组成，各个模块的作用如下所述。
（1）收发天线：发送射频信号，并接收标签返回的信号。
（2）频率产生器：产生RFID系统的工作频率。
（3）锁相环：产生RFID系统所需的载波信号。
（4）调制电路：将待发送的信号加载到载波中。
（5）微处理器：产生要发送给标签的信号，同时对标签返回的信号进行译码，并把译码后的数据发送到应用程序。对于加密的信号，还需要进行解密操作。
（6）存储器：存储应用程序和数据。
（7）解调电路：解调标签返回的信号，并将解调后的信号发送给微处理器。
（8）外设接口：与计算机网络进行通信。
标签主要由收发天线、AC/DC电路、解调电路、逻辑控制电路、存储器和调制电路等模块组成，各个模块的作用如下所述。
（1）收发天线：接收阅读器发射的射频信号，向阅读器发射包含标签信息的信号。
（2）AC/DC电路：利用阅读器发射的射频信号的能量，为其他电路提供稳定的电源。
（3）解调电路：从接收到的调制信号中解调出原始信号。
（4）逻辑控制电路：对阅读器发射的信号进行译码，并根据阅读器的要求向其发射信号。
（5）存储器：存储RFID系统运行的数据。
（6）调制电路：对逻辑控制电路输出的数据进行调制。
数据管理系统用于存储RFID系统中的数据，对于可读写的标签，该系统还包括编程器，用于向标签写入数据。编程器向标签写入数据的方式有离线和在线两种。
RFID的行业标准体系主要有美国的EPC Global标准体系、ISO的标准体系和日本的UID标准体系。EPC Global是由国际编码协会（EAN）和美国统一代码委员会（UCC）两大标准化组织联合成立的，其标准体系在案例方面和企业支持力度方面有一定的优势，已经成功地实现了从Gen1标准体系到Gen2标准体系的演进，许多符合Gen2标准体系的产品已经面市。ISO则秉持标准的基本概念，少一些商业利益，更侧重于标准的中立性，因此对于加速RFID行业的发展来说更具有弹性和发展前景。UID标准体系类似于EPC Global标准体系，其目标也是构建一个完整的标准体系，即从编码体系、空中接口协议到泛在网络的体系架构，但是每一个部分的具体内容与EPC Global标准体系存在差异。
RFID的行业标准体系主要包括技术标准（如符号、射频识别技术、IC卡标准等），数据内容标准（如编码格式、语法标准等），一致性标准（如印刷质量、测试规范等标准），以及应用标准（如船运标签、产品包装标准等）。其中技术标准和数据内容标准是几个标准体系竞争比较激烈的部分，也是RFID标准的核心。
根据标签供电方式的不同，可将其分为无源标签、有源标签和半有源标签三类。
在三类标签中，无源标签出现得最早，其技术最成熟、应用也最广泛。在无源标签中，由于其没有供电系统，因此标签的体积可以达到厘米量级甚至更小，而且自身结构简单、成本低、故障率低、使用寿命较长，但无源标签的有效识别距离通常比较短。无源标签主要工作在低频段，如125 kHz、13.56 kHz等，其典型应用是公交卡、第二代身份证、餐卡等。
有源标签兴起的时间不长，但已在多个领域，尤其是在高速公路电子不停车收费系统中得到了广泛的应用。有源标签通过外接电源供电，主动向阅读器发送信号，其体积相对较大，但也因此具有较长的有效识别距离与较高的数据传输速率。一个典型的有源RFID标签能在百米之外与阅读器通信。有源标签主要工作在高频段，如900 MHz、2.45 GHz、5.8 GHz，阅读器可同时识别多个有源标签。有源标签在高性能、大范围的RFID系统中是必不可少的。
无源标签自身不供电，但有效识别距离太短；有源标签的识别距离足够长，但需外接电源，体积较大。半有源标签是这一矛盾的产物。半有源标签采用的是低频激活触发技术，在半有源标签未进入阅读器的识别范围时，半有源标签处于休眠状态，仅对半有源标签中需要保持数据的部分供电，因此耗电量较小，可维持较长时间；在半有源标签进入阅读器的识别范围时，阅读器先以125 kHz的低频信号在小范围内精确激活半有源标签，使其进入工作状态，再通过2.4 GHz的微波与半有源标签进行数据传输。也就是说，先利用低频信号进行精确定位，再利用高频信号快速传输数据。在不同位置安置多个阅读器用于激活半有源标签，这样既可完成定位，又可传输数据。
在智能交通领域，采用RFID技术，可实现高效管理，使人们的出行更加便捷，如ETC、公交刷卡等。
在物流领域，采用RFID技术可实现商品运输、配送、仓储等环节的实时监控，提高自动化程度，以及供应链的透明度和管理效率。
在防伪领域，采用RFID技术的电子门票可提高检票速度，实现了数据采集和分析的自动化管理。
在公共安全领域，采用RFID技术，可实现高效管理，使人们的生活变得更便捷、更安全，如电子门禁、食品安全和医疗管理等。
此外，RFID技术在零售业、制造业、图书管理、智慧城市、国防军事等领域的应用也变得越来越普遍。
（1）标签的发展趋势。随着RFID技术标准的制定、应用领域的扩大、应用数量的增加、工艺的不断提高、技术的飞速进步，标签的成本将更低、识别距离将更远、体积将更小。
（2）高频化。高频RFID技术与低频RFID技术相比，具有识别距离远、数据传输速率更快、伪造难度更大、抗干扰能力更强、体积更小的特点，且随着制造成本的进一步降低和高频RFID技术的进一步完善，高频RFID技术的应用将更加广泛。
（3）网络化。部分应用场合需要将不同系统（或多个阅读器）采集的数据进行统一处理，如利用第二代身份证在自动售票机购买火车票时，就需要将RFID系统进行网络化管理，实现远程控制与管理。
（4）多功能化。随着移动计算技术的不断提高和普及，阅读器的设计与制造将向多功能、多接口、多制式、模块化、小型化、便携式、嵌入式等方向发展；同时，多阅读器协调与组网技术将成为未来发展方向之一。
2012年3月，国际电工委员会（International Electrotechnical Commission，IEC）将EnOcean技术采纳为国际标准ISO/IEC 14543-3-10，这也是世界上唯一使用能量采集技术的无线国际标准。EnOcean技术规范了协议栈中最低3层—物理层、数据链路层和网络层的通信协议。
（1）物理层：工作频率为315 MHz或868.3 MHz，采用ASK调制方式，有效数据传输速率为125 kbit/s，标准通信距离为室内30 m、室外300 m。
（2）数据链路层：负责管理报文时间机制以及数据完整性检测。为了保证传输的可靠性，在发送报文时会采用发前侦听机制，此外每个报文都会基于一个特定的时间算法重复发送3次。
（3）网络层：负责数据包转换、数据包转发及潜在的数据包定向。
在EnOcean技术中，每个设备都有一个唯一的32位硬件地址，用于在通信过程中的设备识别。
EnOcean无线能量采集模块由德国易能森有限公司（EnOcean GmbH）生产销售，并为易能森联盟（EnOcean Alliance）的成员提供技术支持。基于EnOcean无线能量采集模块，生产商可以轻松且快速实现定制化的基于无线能量采集技术的无线开关传感解决方案。
EnOcean是一种基于能量收集的超低功耗短距离无线通信技术，被应用于室内能量收集，在智能家居、工业、交通、物流也有应用。基于EnOcean技术的模块有高质量无线通信、能量收集和转化及超低功耗的特点。其通信协议非常精简，采用无须握手的通信机制。相较于其他无线通信技术（如ZigBee），EnOcean技术有更低的功耗和更高的效率；通过收集自然界的微小能量为EnOcean无线能量采集模块提供能量，使EnOcean无线能量采集模块做到无电池和免维护。