物联网领域通信工程技术的应用研究

物联网领域通信工程技术的应用研究

胡光琳

身份证号：220104198304116335

摘要：物联网是信息时代的一次革命性飞跃，它通过集成各种信息感知技术、网络通信技术以及云计算、大数据等信息技术，实现了物理世界与虚拟世界的深度融合。

关键词：物联网；通信工程；技术创新

1物联网通信技术

1.1物联网通信协议

物联网通信协议，作为物联网网络中信息传递的基石，对实现设备间的无缝连接和高效通信起着至关重要的作用。物联网通信协议的选择和设计需兼顾网络的实时性、可靠性和资源效率，以满足物联网应用的多样化需求。

在物联网领域，各种通信协议如雨后春笋般涌现，每种协议都有其特定的适用场景和优缺点。ZigBee作为一种低功耗、低速率的无线通信协议，主要用于智能家居、农业监测等对功耗和成本敏感的场景，其星型网络结构和短距离传输能力确保了数据的安全性和可靠性。然而，ZigBee的带宽有限，不适合处理大量实时数据。

Wi-Fi作为广为人知的无线局域网协议，以其高速度和覆盖范围广泛的优势，在家庭、办公室等环境下广泛应用。然而，Wi-Fi的功耗较高，不适合需要长寿命电池的物联网设备，并且在大规模连接时，网络管理复杂性增加。

NB-IoT作为专门为物联网设计的蜂窝通信技术，其主要特点在于低功耗、广覆盖和低成本。NB-IoT适用于大规模连接的场景，如智能抄表、物流追踪等。然而，它的速率相对较低，可能无法满足对数据传输速度有较高要求的场景。

MQTT，作为一种轻量级的消息发布/订阅协议，特别适合于物联网环境。MQTT通过减小消息大小和发布/订阅的解耦通信模式，降低了网络负载，确保了消息在高延迟网络中的可靠传输，尤其适用于工业物联网和智能城市的数据交换。

1.2无线传感网络技术

无线传感网络技术是物联网通信技术中的一种重要分支，它将传感器技术与无线通信技术相结合，实现对物理世界的实时监控和信息传递。无线传感网络技术的核心是通过部署传感器节点，捕捉和传输物理世界的实时信息，如温度、湿度、光照等，进而实现对环境或物理过程的监测和控制。

无线传感网络通常由大量的传感器节点、汇聚节点和基站构成，传感器节点负责收集数据、处理数据和发送数据，汇聚节点负责将多个传感器节点的数据汇集并转发，而基站则负责接收汇聚节点的数据并进行进一步的处理和分析。无线传感网络通常采用多跳通信的方式，通过节点之间的接力传输，实现数据从传感器节点到基站的长距离传输。

无线传感网络技术拥有广泛的应用领域，如环境监测、智能家居、智能农业、工业生产等。在环境监测中，无线传感网络可以实时监测大气、水质、土壤等环境参数，为环保决策提供数据支持；在智能家居中，无线传感网络可以实现家居设备的自动化控制，提供便捷的生活体验；在智能农业中，无线传感网络可以实时监测农田的温度、湿度、光照等参数，为农业生产提供精准的数据指导。

2物联网安全技术

2.1数据加密与认证技术

在物联网安全技术中，数据加密与认证技术是保障信息传输安全的关键环节。随着物联网设备数量的剧增和应用场景的多样化，数据加密和认证技术的重要性日益凸显，它们旨在防止数据在传输过程中被窃取、篡改或伪造，确保信息的完整性和机密性。

数据加密技术，通常是基于密码学原理，对原始信息进行编码，使得非授权的接收者无法理解其内容。在物联网中，常见的加密算法包括对称加密（如AES，高级加密标准）和非对称加密（如RSA，公钥加密）。对称加密算法加密和解密使用同一密钥，效率高，适用于大规模、密集的数据传输，如工业物联网中的实时数据交换。而非对称加密算法使用公钥和私钥，虽然加密解密速度较慢，但安全性更高，适用于设备身份验证和重要信息的加密，如智能家居中的设备配对过程。

认证技术则是验证物联网设备或数据来源的身份，确保信息的可信度。物联网中的认证机制通常包括设备认证、用户认证和数据源认证。设备认证通过预设的密钥或数字证书来确认设备身份，防止非法设备接入网络。用户认证则验证用户权限，确保只有经过授权的用户可以操作设备或访问数据。数据源认证则确认数据的来源，防止篡改或伪造的恶意数据对系统造成破坏。

物联网中的认证技术常常结合公钥基础设施和数字签名技术，确保数据的完整性。数字签名通过非对称加密技术，利用发送者的私钥对消息进行签名，接收者则使用发送者的公钥验证签名，以此确认信息的来源和未被篡改。

然而，物联网环境的开放性和动态性给数据加密和认证带来了独特挑战。大规模设备的连接和低功耗要求使得密钥管理变得复杂，而动态变化的网络拓扑结构则要求认证机制具备适应性。为应对这些挑战，轻量级加密算法和认证协议如椭圆曲线密码学和一次性口令认证被广泛应用，它们能够在资源受限的设备上实现高效、安全的加密认证。

2.2物联网安全通信协议

在物联网安全技术的框架中，通信协议起着至关重要的作用，它们不仅定义了数据在设备间如何传输，而且直接影响着数据的安全性、可靠性和隐私保护。物联网安全通信协议通常包含了数据加密、身份验证、访问控制、消息完整性检查等安全特性，以确保物联网系统在开放的网络环境中稳定、高效且安全地运行。

在众多物联网安全通信协议中，MQTT协议因其在工业物联网中的广泛应用而备受关注。MQTT是一种基于发布/订阅模式的轻量级协议，设计之初就充分考虑了资源受限设备的通信需求。其主要安全特性包括：

认证与授权：MQTT支持用户名和密码的验证，以确保只有授权的客户端可以连接到Broker，并根据设定的权限进行消息的发布与订阅。这种机制可以有效防止未授权的访问和操作。

数据加密：MQTT支持使用TLS/SSL（Transport Layer Security/Secure Sockets Layer）进行端到端的加密，通过公钥基础设施（PKI）确保数据在传输过程中的安全，防止数据被截获或篡改。

消息完整性：MQTT协议提供了一种名为QoS（Quality of Service）的机制，针对不同应用场景，确保消息的可靠传输。QoS Level 1和QoS Level 2分别提供了“至少一次”和“恰好一次”的消息传递保证，确保在网络波动或设备重启的情况下，消息能够被正确接收，同时防止重复的消息发送。

访问控制：MQTT Broker可以根据用户角色和权限来设置不同的订阅和发布策略，限制特定用户只能访问特定主题的信息，从而保护了数据隐私。

有限的资源消耗：MQTT的消息结构紧凑，降低了网络带宽的占用，对于低功耗设备的通信尤其有利，同时提高了系统的整体安全性和稳定性。

结语

物联网应用案例展示了通信工程技术在实际中的强大潜力，同时也揭示了技术进步带来的新问题和挑战。无论是智能家居的便捷性，智能交通的效率提升，还是智慧城市的整体优化，都需要通信技术的不断革新和安全策略的完善。未来，随着5G、LPWAN等通信技术的进一步发展，以及区块链、边缘计算等新技术的融合，物联网在应用中的效果将更加显著，为构建更加智能化、可持续发展的社会奠定坚实基础。

参考文献

[1] 刘申.物联网领域中通信工程技术的应用.电子通信与计算机科学,2021

[2] 张岩松,孙海霞.试分析通信工程技术在物联网中的应用.智能城市应用,2019

[3] 鲁小利,邵兰洁,蔡小庆等.C DI O模式下面向物联网的通信工程特色专业建设研究.2015,14:196-197