物聯網環境下的低功耗嵌入式通信協議設計

摘要：物聯網技術是一項集信息共享與高效穩定性于一體的科技成果，在現代社會中快速發展，并被眾多領域所采納，促進了各行業的科學和高效發展。文章詳細探討了一種基于物聯網的低能耗通信協議軟件系統，其目標是應對物聯網設備的能源消耗過高和使用壽命縮短的問題。通過改進網絡的信息包裝和傳輸方式并采用節約能源的方法，可以實現高效且穩定的物聯網通信。使用了自適應的速度調整以及確認重傳的方法來優化數據的封裝和傳輸，從而增強了其傳輸的穩定性，同時運用了休眠模式以及動態的能源消耗管理，有效地減少了設備的能源消耗。

關鍵詞：物聯網；低功耗通信協議軟件；軟件系統設計

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2025.03.024

中圖分類號：TN 92；TP 31 " " " " "文獻標志碼：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

伴隨著物聯網邊緣設備的處理性能不斷增強，存儲器與網絡數據的傳輸速率也在快速提高，導致設備對于更大功率消耗的需求日益攀升。因此，物聯網設備的能源消耗問題一直是阻礙其發展的關鍵因素之一。大部分的物聯網裝置都需要電池支持，因此如何實現高效的能源消耗以及提升裝置的耐久性，是當前研究的焦點，作為應對此類挑戰的核心技術之一，低能耗通信協議引起了人們的重視。ZigBee、LoRa以及NB-IoT窄帶物聯網等當前的低能耗通信技術已經在實踐操作中展示出獨特的優點，然而仍然面臨許多挑戰。本文的研究的目標是開發一款優化的低消耗通信協議軟件，以提升物聯網設備的運行效率，增加使用年限，同時也將通過試驗檢驗其有效性與穩定性。

1 " 物聯網通信協議的發展現狀

隨著物聯網和傳感網的迅速發展，如何提高無線通信系統的數據傳輸容量同時降低能耗，已成為當前研究的熱點。在物聯網領域低功耗的通信模式越來越受到重視。目前，物聯網已經被越來越多地用于智慧家庭、智慧城市以及工業自動化等領域，但相關設備往往都依賴于電池供電，并且需要持續運行。物聯網面臨的主要挑戰在于減少設備的能源消耗，并增加其電池的使用年限，對于低功率通信協議的構建和改進，則成為應對此類挑戰的關鍵路徑[1]。物聯網的設施種類繁多且遍及各地，采用低消耗的通信協議，能夠顯著減少各種設施的能源消耗，進一步增加了總體系統的耐久性，并且增強了系統的穩定性與持久性。隨著物聯網技術的廣泛運用，系統對于通信協議節能性、穩定性以及大型設備的服務能力有著更為嚴格的需求。

2 " 主要低功耗通信協議分析

與其他無線通信技術相比（如Wi-Fi等），ZigBee具有能耗低、成本低、可獨立構建網絡、安全性高等優點。ZigBee是一種相對獨立的無線通信技術，尤其適合應用在低能耗、低速率等有特定要求的物聯網中。該協議的物理層使用了DSSS（直接序列擴展）技術，并且運行在2.4 GHz的頻段。ZigBee的網絡架構一般是以星形、樹形以及網格形式出現，協議棧可以被劃分成應用級、網格級、媒體接收控制級以及實體級。ZigBee的高效能特質主要依賴于定時的休息模式以及對數據的有效處理。各節點能夠依照其運行情況與對數據的傳輸需求進行靈活的能源消耗模型改變，以進一步達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，尤其是對于需要大型設備配合且需進行長途傳輸的情況，因此，ZigBee更多地被應用到如家居自動化、工業管理等需要進行短距離、小范圍操作的環境中[2]。

LoRa采用擴頻技術進行遠距離低功耗數據傳輸，主要應用于廣域網物聯網（LPWAN）。LoRa協議的特性包括長途傳輸、高抵御干擾和較低能源消耗，CSS（FHSS）技術被應用于相關設備的物理層，并且其運行的頻譜范圍是無須授權的Sub-GHz頻率（如868 MHz和915 MHz）。LoRa通信網絡一般采用星形結構作為布局底型，涵括大量終端設備和至少一個通信門戶。LoRa的通信協議棧包括物理層、介質訪問控制層（MAC）和應用層三個層次，其低功耗特性主要靠深度睡眠狀態和低占空比的數據傳輸方式保障。在沒有無線傳輸場景下，末端設備將轉入深度睡眠狀態，并且僅在必須傳輸或取得數據時才被喚醒，極大地降低了能耗。LoRa的數據傳輸能力和網絡承載能力都不是很強，因此更適合處理大規模、低頻的數據交換環境，如智慧城市、農業物聯網等。

NB-IoT技術是3GPP所界定的一種創新的窄帶物聯網技術，依賴于蜂窩網絡，并且擁有廣泛的覆蓋范圍、低能耗、大規模的連接以及較低的成本等特性。NB-IoT的核心任務是在特定的頻段（如LTE）中運行，借助于對已有的蜂窩基站再利用，以實現對大型物聯網設備的全面覆蓋。NB-IoT的協議棧由物理層、MAC層、RLC層、PDCP層、RRC層以及NAS層構成。eDRX（擴展的不連續接收）與PSM（節能模式）是其低能耗特征的主要體現：eDRX可以讓設備持續處于較低的電力消耗狀態，只有在某些特殊的時間段才會接收信息，可以減少電力消耗；PSM可以讓設備持續一段時間處于靜止不動的狀態，只有在必要的情況下才會被激活[3]。NB-IoT的即時處理能力、數據傳輸效率以及傳統蜂窩通信技術還有待提高，其優點是能夠應用于大規模但數據交換環境不頻繁的環境，特別適合處理較慢、較少的數據交換情況，如智能計量、環保檢查等。

3 " 系統設計

3.1 總體架構設計

該系統的核心部分包括節點管理單元、數據交互單元、能耗管理單元。其中，節點管理單元的職責是對物聯網設備進行注冊、驗證并進行狀況跟蹤；數據交互單元負責數據的封裝、發送以及接收，以此保障數據的全面性與可靠性；能耗管理單元能夠對設備的操作方法以及能量傳輸進行靈活地調節，從而達到設備的節能效果。

在規劃數據流時，選擇了層次化的結構，每一層都有其專門的任務，以此來保證數據的有效傳輸與穩定。數據流首先在應用層產生，然后通過傳輸、網絡、鏈路等環節，最后抵達物理層，在此過程中，應用層的主要職能是負責創建數據并進行相應的處理。數據的封裝與確認在傳輸層中完成，網絡層的職能是選取并傳送數據；幀同步與差錯控制在鏈路層完成，物理層主要負責信息的實際傳送，從流程設計的角度，系統通過操縱信息來達到所有功能部分的監督與配合[4]。從控制中心產生的控制流，通過多個功能單元，最后被傳送至實施設備，控制信息包括對設備狀況的觀察、參數的修改以及對問題的應對。

系統設計的關鍵在于低功耗通信協議的設定，此協議確定了數據的封裝和傳輸方式、節約能源的戰略以及網絡的布局設計。對于數據包裝和傳輸過程，該協議選擇了較為輕便的數據包裝形式，以降低包頭成本并增強傳輸效能。通過使用自我調節的速度管理以及確定的再次傳輸方式，能夠確保信息的穩定性與實際效果，依靠實時追蹤鏈路品質，可以靈活地改變數據的傳輸速率，以便在各種網絡環境中都可以達到最佳的傳輸效果，采用了確認重發的方式，以便從接收方面驗證數據的完備性與精確度。

在節約能源戰略方面，該協議構建了以事件為導向的睡眠模型以及動態的能源消耗控制系統。睡眠模型會依照設備的運行情況以及數據傳輸的需求實時改變其運行模型，以降低無謂的能源消耗。當設備在一定時間內保持無活動狀態時，會自動關閉以節省能源，只有當需要發出或接收信息的時候才會被激活。動態的能源消耗控制系統可以實時追蹤設備的能源消耗情況，并且可以自主地調整設備的運行參數，如信號的傳播力度、信息的傳輸速率等，以此更有效地減少能源消耗。采用節能方案，可以通過調整設備的運行方式以及傳輸參數，從而顯著地延長設備的電池使用年限，增強整個系統的性能。

3.2 協議框架

3.2.1 數據封裝

低能耗通信協議的根本在于數據的封裝和傳輸方法，使用較小的數據封裝方法，可以降低成本，從而增強傳輸的效果。封裝方法涵蓋起始位置、終止位置、信息長度、信息負載以及檢測代碼等各個部分。源地址與目的地址被設定為區分數據包傳輸與接收的節點，而數據的長度則代表了數據承受能力的大小。數據的完備性檢查由校驗碼實現，利用精簡的數據封裝設計，可以減少在數據傳輸過程中的多余信息，進一步增強了傳輸的效能。

3.2.2 傳輸機制

對于傳輸機制，協議使用了自我調節的速度管理及確定性的重傳機制，自我調節的速度管理機制通過對網絡質量的實時監控動態改變數據的傳輸速率。在網絡質量良好的情況下，應該提高數據的傳輸速率，從而增強其傳輸的效能；反之，如果網絡質量不佳，應該降低其傳輸的速率，以確保數據的傳輸穩定。確認重傳機制在接收方面對數據包進行驗證，以此保障數據的全面性與精確性。接收方一旦成功獲取數據包，即會向發送方發送確認信號。若發送方未收到此確認信號，則會持續重傳數據包，并持續等待接收方的回復，這一過程可能會持續到達到預設的最大再次傳輸次數為止。借助自我調整的速度管理和確認重傳策略，該協議能夠適應各種網絡環境，實現最優的數據傳輸效果。

3.2.3 節能策略

對于低功耗通信協議來說，節能方案起到重要的作用，可以通過改進設備的操作方法以及對功率的控制機制，從而達到降低功率的目標。節約資源戰略全面覆蓋了從靜止狀態到動態能源消耗控制的各個方面，其中，休眠狀態作為降低設備能耗的關鍵手段，扮演著至關重要的角色。在無線通信環境中，設備會進入靜止狀態，僅當需要執行信息發送或接收任務時才會被喚醒。靜止狀態進一步細分為深度休眠和輕度休眠兩種模式，以適應不同的節能需求。在深度睡眠狀態中，設備的能量消耗最少，然而喚醒過程需要更多的時間；而在輕微的睡眠狀態中，雖然設備的能量消耗稍微增加，但是喚醒過程卻更為迅速。依據各種應用環境的差異，協議能夠動態調整設備的休眠狀態，從而實現最優的能源消耗管理[5]。利用動態功耗管理策略，可以對設備的能源消費情況進行即時跟蹤，并且可以自主地調整其運行參數，參數涵蓋了信息的傳播效率和數據的處理速度等。根據設備之間的距離及網絡質量，可以對傳輸功率進行適當的調節，當距離過長或網絡質量不佳時，會增加其數值；而當距離相對更短或網絡質量更優良時，則會選擇降低其數值，從而節省能源。

4 " 結束語

通過改進網絡布局、優化數據封裝、革新傳輸方式以及實施節省能源的策略，本文所研發的物聯網通信協議軟件系統成功實現了物聯網通信的高效與穩定。在系統設計時，該系統確保了網絡具備自我修復能力，并有效提升了能源利用效率。而且借助于自動調整的速度控制以及確認重傳機制，數據封裝和傳輸方式也得到了增強。采取的節能方案利用休眠狀態以及動態的能源消耗控制，有效地減少了設備的能源消耗，全面的設計優化極大增強了物聯網設備的性能與續航能力，從而滿足各種不同的應用場景。

參考文獻

[1] 鄧仲華.基于機器學習的低功耗設備間通信協議設計[J].集成電路應用，

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[2] 史杰.基于物聯網的低功耗通信傳輸協議與安全接入機制設計[J].電腦編程技巧與維護，2024（05）：151-153.

[3] 唐瑞峰.異構組網條件下基于New IP的融合通信協議研究與實現[D].北京：北京郵電大學，2023.

[4] 趙魯諾，李琳.基于物聯網的低功耗通信協議軟件設計與實現[J].軟件，

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[5] 徐夢楠.物聯網測量節點的多源異構數據融合與低功耗設計研究[D].西安：西安電子科技大學，2023.