摘要：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是一項(xiàng)集信息共享與高效穩(wěn)定性于一體的科技成果，在現(xiàn)代社會(huì)中快速發(fā)展，并被眾多領(lǐng)域所采納，促進(jìn)了各行業(yè)的科學(xué)和高效發(fā)展。文章詳細(xì)探討了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的低能耗通信協(xié)議軟件系統(tǒng)，其目標(biāo)是應(yīng)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的能源消耗過高和使用壽命縮短的問題。通過改進(jìn)網(wǎng)絡(luò)的信息包裝和傳輸方式并采用節(jié)約能源的方法，可以實(shí)現(xiàn)高效且穩(wěn)定的物聯(lián)網(wǎng)通信。使用了自適應(yīng)的速度調(diào)整以及確認(rèn)重傳的方法來優(yōu)化數(shù)據(jù)的封裝和傳輸，從而增強(qiáng)了其傳輸?shù)姆€(wěn)定性，同時(shí)運(yùn)用了休眠模式以及動(dòng)態(tài)的能源消耗管理，有效地減少了設(shè)備的能源消耗。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；低功耗通信協(xié)議軟件；軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2025.03.024

中圖分類號(hào)：TN 92；TP 31 " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B " " " " " "文章編碼：1672-7274（2025）03-00-03

Design of Low-Power Embedded Communication Protocol in Internet

of Things Environment

SUN Wei

（Nanjing Naisi Electronic Technology Co.， Ltd.， Nanjing 210000， China）

Abstract： As a technological achievement that integrates information sharing and high efficiency and stability， Internet of Things （IoT） technology is rapidly developing in modern society and has been widely adopted in various fields， promoting the scientific and efficient development of all industries. This paper elaborates on a low-power communication protocol software system based on IoT， aiming to address the issues of excessive energy consumption and shortened service life of IoT devices. By improving the information packaging and transmission methods of the network and adopting energy-saving measures， efficient and stable IoT communication can be achieved. Adaptive speed adjustment and acknowledgment retransmission methods are used to optimize data packaging and transmission， thereby enhancing the stability of transmission. Additionally， sleep mode and dynamic energy consumption management are employed to effectively reduce the energy consumption of devices.

Keywords： Internet of Things; low-power communication protocol software; software system design

0 " 引言

伴隨著物聯(lián)網(wǎng)邊緣設(shè)備的處理性能不斷增強(qiáng)，存儲(chǔ)器與網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸速率也在快速提高，導(dǎo)致設(shè)備對(duì)于更大功率消耗的需求日益攀升。因此，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的能源消耗問題一直是阻礙其發(fā)展的關(guān)鍵因素之一。大部分的物聯(lián)網(wǎng)裝置都需要電池支持，因此如何實(shí)現(xiàn)高效的能源消耗以及提升裝置的耐久性，是當(dāng)前研究的焦點(diǎn)，作為應(yīng)對(duì)此類挑戰(zhàn)的核心技術(shù)之一，低能耗通信協(xié)議引起了人們的重視。ZigBee、LoRa以及NB-IoT窄帶物聯(lián)網(wǎng)等當(dāng)前的低能耗通信技術(shù)已經(jīng)在實(shí)踐操作中展示出獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，然而仍然面臨許多挑戰(zhàn)。本文的研究的目標(biāo)是開發(fā)一款優(yōu)化的低消耗通信協(xié)議軟件，以提升物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的運(yùn)行效率，增加使用年限，同時(shí)也將通過試驗(yàn)檢驗(yàn)其有效性與穩(wěn)定性。

1 " 物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議的發(fā)展現(xiàn)狀

隨著物聯(lián)網(wǎng)和傳感網(wǎng)的迅速發(fā)展，如何提高無線通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸容量同時(shí)降低能耗，已成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域低功耗的通信模式越來越受到重視。目前，物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)被越來越多地用于智慧家庭、智慧城市以及工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域，但相關(guān)設(shè)備往往都依賴于電池供電，并且需要持續(xù)運(yùn)行。物聯(lián)網(wǎng)面臨的主要挑戰(zhàn)在于減少設(shè)備的能源消耗，并增加其電池的使用年限，對(duì)于低功率通信協(xié)議的構(gòu)建和改進(jìn)，則成為應(yīng)對(duì)此類挑戰(zhàn)的關(guān)鍵路徑[1]。物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)施種類繁多且遍及各地，采用低消耗的通信協(xié)議，能夠顯著減少各種設(shè)施的能源消耗，進(jìn)一步增加了總體系統(tǒng)的耐久性，并且增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與持久性。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的廣泛運(yùn)用，系統(tǒng)對(duì)于通信協(xié)議節(jié)能性、穩(wěn)定性以及大型設(shè)備的服務(wù)能力有著更為嚴(yán)格的需求。

2 " 主要低功耗通信協(xié)議分析

與其他無線通信技術(shù)相比（如Wi-Fi等），ZigBee具有能耗低、成本低、可獨(dú)立構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)、安全性高等優(yōu)點(diǎn)。ZigBee是一種相對(duì)獨(dú)立的無線通信技術(shù)，尤其適合應(yīng)用在低能耗、低速率等有特定要求的物聯(lián)網(wǎng)中。該協(xié)議的物理層使用了DSSS（直接序列擴(kuò)展）技術(shù)，并且運(yùn)行在2.4 GHz的頻段。ZigBee的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)一般是以星形、樹形以及網(wǎng)格形式出現(xiàn)，協(xié)議?？梢员粍澐殖蓱?yīng)用級(jí)、網(wǎng)格級(jí)、媒體接收控制級(jí)以及實(shí)體級(jí)。ZigBee的高效能特質(zhì)主要依賴于定時(shí)的休息模式以及對(duì)數(shù)據(jù)的有效處理。各節(jié)點(diǎn)能夠依照其運(yùn)行情況與對(duì)數(shù)據(jù)的傳輸需求進(jìn)行靈活的能源消耗模型改變，以進(jìn)一步達(dá)到了高效能的通信效果。不過，ZigBee的使用范圍還是有所限制的，尤其是對(duì)于需要大型設(shè)備配合且需進(jìn)行長(zhǎng)途傳輸?shù)那闆r，因此，ZigBee更多地被應(yīng)用到如家居自動(dòng)化、工業(yè)管理等需要進(jìn)行短距離、小范圍操作的環(huán)境中[2]。

LoRa采用擴(kuò)頻技術(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)距離低功耗數(shù)據(jù)傳輸，主要應(yīng)用于廣域網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)（LPWAN）。LoRa協(xié)議的特性包括長(zhǎng)途傳輸、高抵御干擾和較低能源消耗，CSS（FHSS）技術(shù)被應(yīng)用于相關(guān)設(shè)備的物理層，并且其運(yùn)行的頻譜范圍是無須授權(quán)的Sub-GHz頻率（如868 MHz和915 MHz）。LoRa通信網(wǎng)絡(luò)一般采用星形結(jié)構(gòu)作為布局底型，涵括大量終端設(shè)備和至少一個(gè)通信門戶。LoRa的通信協(xié)議棧包括物理層、介質(zhì)訪問控制層（MAC）和應(yīng)用層三個(gè)層次，其低功耗特性主要靠深度睡眠狀態(tài)和低占空比的數(shù)據(jù)傳輸方式保障。在沒有無線傳輸場(chǎng)景下，末端設(shè)備將轉(zhuǎn)入深度睡眠狀態(tài)，并且僅在必須傳輸或取得數(shù)據(jù)時(shí)才被喚醒，極大地降低了能耗。LoRa的數(shù)據(jù)傳輸能力和網(wǎng)絡(luò)承載能力都不是很強(qiáng)，因此更適合處理大規(guī)模、低頻的數(shù)據(jù)交換環(huán)境，如智慧城市、農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等。

NB-IoT技術(shù)是3GPP所界定的一種創(chuàng)新的窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，依賴于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，并且擁有廣泛的覆蓋范圍、低能耗、大規(guī)模的連接以及較低的成本等特性。NB-IoT的核心任務(wù)是在特定的頻段（如LTE）中運(yùn)行，借助于對(duì)已有的蜂窩基站再利用，以實(shí)現(xiàn)對(duì)大型物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的全面覆蓋。NB-IoT的協(xié)議棧由物理層、MAC層、RLC層、PDCP層、RRC層以及NAS層構(gòu)成。eDRX（擴(kuò)展的不連續(xù)接收）與PSM（節(jié)能模式）是其低能耗特征的主要體現(xiàn)：eDRX可以讓設(shè)備持續(xù)處于較低的電力消耗狀態(tài)，只有在某些特殊的時(shí)間段才會(huì)接收信息，可以減少電力消耗；PSM可以讓設(shè)備持續(xù)一段時(shí)間處于靜止不動(dòng)的狀態(tài)，只有在必要的情況下才會(huì)被激活[3]。NB-IoT的即時(shí)處理能力、數(shù)據(jù)傳輸效率以及傳統(tǒng)蜂窩通信技術(shù)還有待提高，其優(yōu)點(diǎn)是能夠應(yīng)用于大規(guī)模但數(shù)據(jù)交換環(huán)境不頻繁的環(huán)境，特別適合處理較慢、較少的數(shù)據(jù)交換情況，如智能計(jì)量、環(huán)保檢查等。

3 " 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的核心部分包括節(jié)點(diǎn)管理單元、數(shù)據(jù)交互單元、能耗管理單元。其中，節(jié)點(diǎn)管理單元的職責(zé)是對(duì)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行注冊(cè)、驗(yàn)證并進(jìn)行狀況跟蹤；數(shù)據(jù)交互單元負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的封裝、發(fā)送以及接收，以此保障數(shù)據(jù)的全面性與可靠性；能耗管理單元能夠?qū)υO(shè)備的操作方法以及能量傳輸進(jìn)行靈活地調(diào)節(jié)，從而達(dá)到設(shè)備的節(jié)能效果。

在規(guī)劃數(shù)據(jù)流時(shí)，選擇了層次化的結(jié)構(gòu)，每一層都有其專門的任務(wù)，以此來保證數(shù)據(jù)的有效傳輸與穩(wěn)定。數(shù)據(jù)流首先在應(yīng)用層產(chǎn)生，然后通過傳輸、網(wǎng)絡(luò)、鏈路等環(huán)節(jié)，最后抵達(dá)物理層，在此過程中，應(yīng)用層的主要職能是負(fù)責(zé)創(chuàng)建數(shù)據(jù)并進(jìn)行相應(yīng)的處理。數(shù)據(jù)的封裝與確認(rèn)在傳輸層中完成，網(wǎng)絡(luò)層的職能是選取并傳送數(shù)據(jù)；幀同步與差錯(cuò)控制在鏈路層完成，物理層主要負(fù)責(zé)信息的實(shí)際傳送，從流程設(shè)計(jì)的角度，系統(tǒng)通過操縱信息來達(dá)到所有功能部分的監(jiān)督與配合[4]。從控制中心產(chǎn)生的控制流，通過多個(gè)功能單元，最后被傳送至實(shí)施設(shè)備，控制信息包括對(duì)設(shè)備狀況的觀察、參數(shù)的修改以及對(duì)問題的應(yīng)對(duì)。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于低功耗通信協(xié)議的設(shè)定，此協(xié)議確定了數(shù)據(jù)的封裝和傳輸方式、節(jié)約能源的戰(zhàn)略以及網(wǎng)絡(luò)的布局設(shè)計(jì)。對(duì)于數(shù)據(jù)包裝和傳輸過程，該協(xié)議選擇了較為輕便的數(shù)據(jù)包裝形式，以降低包頭成本并增強(qiáng)傳輸效能。通過使用自我調(diào)節(jié)的速度管理以及確定的再次傳輸方式，能夠確保信息的穩(wěn)定性與實(shí)際效果，依靠實(shí)時(shí)追蹤鏈路品質(zhì)，可以靈活地改變數(shù)據(jù)的傳輸速率，以便在各種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中都可以達(dá)到最佳的傳輸效果，采用了確認(rèn)重發(fā)的方式，以便從接收方面驗(yàn)證數(shù)據(jù)的完備性與精確度。

在節(jié)約能源戰(zhàn)略方面，該協(xié)議構(gòu)建了以事件為導(dǎo)向的睡眠模型以及動(dòng)態(tài)的能源消耗控制系統(tǒng)。睡眠模型會(huì)依照設(shè)備的運(yùn)行情況以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨髮?shí)時(shí)改變其運(yùn)行模型，以降低無謂的能源消耗。當(dāng)設(shè)備在一定時(shí)間內(nèi)保持無活動(dòng)狀態(tài)時(shí)，會(huì)自動(dòng)關(guān)閉以節(jié)省能源，只有當(dāng)需要發(fā)出或接收信息的時(shí)候才會(huì)被激活。動(dòng)態(tài)的能源消耗控制系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)追蹤設(shè)備的能源消耗情況，并且可以自主地調(diào)整設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，如信號(hào)的傳播力度、信息的傳輸速率等，以此更有效地減少能源消耗。采用節(jié)能方案，可以通過調(diào)整設(shè)備的運(yùn)行方式以及傳輸參數(shù)，從而顯著地延長(zhǎng)設(shè)備的電池使用年限，增強(qiáng)整個(gè)系統(tǒng)的性能。

3.2 協(xié)議框架

3.2.1 數(shù)據(jù)封裝

低能耗通信協(xié)議的根本在于數(shù)據(jù)的封裝和傳輸方法，使用較小的數(shù)據(jù)封裝方法，可以降低成本，從而增強(qiáng)傳輸?shù)男Ч?。封裝方法涵蓋起始位置、終止位置、信息長(zhǎng)度、信息負(fù)載以及檢測(cè)代碼等各個(gè)部分。源地址與目的地址被設(shè)定為區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)包傳輸與接收的節(jié)點(diǎn)，而數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度則代表了數(shù)據(jù)承受能力的大小。數(shù)據(jù)的完備性檢查由校驗(yàn)碼實(shí)現(xiàn)，利用精簡(jiǎn)的數(shù)據(jù)封裝設(shè)計(jì)，可以減少在數(shù)據(jù)傳輸過程中的多余信息，進(jìn)一步增強(qiáng)了傳輸?shù)男堋?/p>

3.2.2 傳輸機(jī)制

對(duì)于傳輸機(jī)制，協(xié)議使用了自我調(diào)節(jié)的速度管理及確定性的重傳機(jī)制，自我調(diào)節(jié)的速度管理機(jī)制通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的實(shí)時(shí)監(jiān)控動(dòng)態(tài)改變數(shù)據(jù)的傳輸速率。在網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量良好的情況下，應(yīng)該提高數(shù)據(jù)的傳輸速率，從而增強(qiáng)其傳輸?shù)男?；反之，如果網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量不佳，應(yīng)該降低其傳輸?shù)乃俾剩源_保數(shù)據(jù)的傳輸穩(wěn)定。確認(rèn)重傳機(jī)制在接收方面對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行驗(yàn)證，以此保障數(shù)據(jù)的全面性與精確性。接收方一旦成功獲取數(shù)據(jù)包，即會(huì)向發(fā)送方發(fā)送確認(rèn)信號(hào)。若發(fā)送方未收到此確認(rèn)信號(hào)，則會(huì)持續(xù)重傳數(shù)據(jù)包，并持續(xù)等待接收方的回復(fù)，這一過程可能會(huì)持續(xù)到達(dá)到預(yù)設(shè)的最大再次傳輸次數(shù)為止。借助自我調(diào)整的速度管理和確認(rèn)重傳策略，該協(xié)議能夠適應(yīng)各種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的數(shù)據(jù)傳輸效果。

3.2.3 節(jié)能策略

對(duì)于低功耗通信協(xié)議來說，節(jié)能方案起到重要的作用，可以通過改進(jìn)設(shè)備的操作方法以及對(duì)功率的控制機(jī)制，從而達(dá)到降低功率的目標(biāo)。節(jié)約資源戰(zhàn)略全面覆蓋了從靜止?fàn)顟B(tài)到動(dòng)態(tài)能源消耗控制的各個(gè)方面，其中，休眠狀態(tài)作為降低設(shè)備能耗的關(guān)鍵手段，扮演著至關(guān)重要的角色。在無線通信環(huán)境中，設(shè)備會(huì)進(jìn)入靜止?fàn)顟B(tài)，僅當(dāng)需要執(zhí)行信息發(fā)送或接收任務(wù)時(shí)才會(huì)被喚醒。靜止?fàn)顟B(tài)進(jìn)一步細(xì)分為深度休眠和輕度休眠兩種模式，以適應(yīng)不同的節(jié)能需求。在深度睡眠狀態(tài)中，設(shè)備的能量消耗最少，然而喚醒過程需要更多的時(shí)間；而在輕微的睡眠狀態(tài)中，雖然設(shè)備的能量消耗稍微增加，但是喚醒過程卻更為迅速。依據(jù)各種應(yīng)用環(huán)境的差異，協(xié)議能夠動(dòng)態(tài)調(diào)整設(shè)備的休眠狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的能源消耗管理[5]。利用動(dòng)態(tài)功耗管理策略，可以對(duì)設(shè)備的能源消費(fèi)情況進(jìn)行即時(shí)跟蹤，并且可以自主地調(diào)整其運(yùn)行參數(shù)，參數(shù)涵蓋了信息的傳播效率和數(shù)據(jù)的處理速度等。根據(jù)設(shè)備之間的距離及網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，可以對(duì)傳輸功率進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)，當(dāng)距離過長(zhǎng)或網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量不佳時(shí)，會(huì)增加其數(shù)值；而當(dāng)距離相對(duì)更短或網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量更優(yōu)良時(shí)，則會(huì)選擇降低其數(shù)值，從而節(jié)省能源。

4 " 結(jié)束語

通過改進(jìn)網(wǎng)絡(luò)布局、優(yōu)化數(shù)據(jù)封裝、革新傳輸方式以及實(shí)施節(jié)省能源的策略，本文所研發(fā)的物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議軟件系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)通信的高效與穩(wěn)定。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，該系統(tǒng)確保了網(wǎng)絡(luò)具備自我修復(fù)能力，并有效提升了能源利用效率。而且借助于自動(dòng)調(diào)整的速度控制以及確認(rèn)重傳機(jī)制，數(shù)據(jù)封裝和傳輸方式也得到了增強(qiáng)。采取的節(jié)能方案利用休眠狀態(tài)以及動(dòng)態(tài)的能源消耗控制，有效地減少了設(shè)備的能源消耗，全面的設(shè)計(jì)優(yōu)化極大增強(qiáng)了物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的性能與續(xù)航能力，從而滿足各種不同的應(yīng)用場(chǎng)景。

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