传感网络2.pptx

传感网络的种类：工业网络无线传感网络物联网2.1工业传感网络1.RS485网络连接主机端的RS422接口信号定义连接从机端的RS422接口信号定义RS422接口信号含义RS422接口信号含义3RXD（）/B 接收数据3TXD（）/Z 发送数据4RXD（）/A 接收数据4TXD（）/Y 发送数据5TXD（）/Y 发送数据5RXD（）/A 接收数据6TXD（）/Z 发送数据6RXD（）/B 接收数据 RS-485/RS-422总线电气特性工作模式差分传输（平衡传输）允许的收发器数目32（受芯片驱动能力限制）最大电缆长度4000英尺（1219米）最高数据速率10Mbps最小驱动输出电压范围1.5V最大驱动输出电压范围5V最大输出短路电流250mA最大输入电流1.0mA/12Vin0.8mA/-7Vin驱动器输出阻抗54欧输入端电容50pF接收器输入灵敏度200mV接收器最小输入阻抗12k接收器输入电压范围-7V+12V接收器输出逻辑高200 mV接收器输出逻辑低200 mV石油天然气单井数字化建设井口RS-485设备组网图 2.现场总线网络基金会现场总线LonWorksPROFIBUSCANHART2.2 无线传感网络无线传感器网络的通信 标准传输网络无线传感网络的构成无线传感网络 节点基于ZIGBEE网络的无线定位跟踪技术2.1.1 无线传感器网络物理层无线协议方案无线传感器网络物理层无线协议方案 IEEE802.11xIEEE802.1.1和IEEE802.1.2 IEEE802.15标准：IEEE802.15.4（ZigBee）IEEE802.15.1（蓝牙）IEEE802.15.3（超宽带）IEEE802.16IEEE1451.5IEEE802.11x协议频段(GHz)传输速率(Mbit/s)传输距离代表性产品IEEE802.11a5.854 10100mIEEE802.11b2.4113050mIEEE802.11 b+22 IEEE802.11g2.454/11 IEEE802.11n540IEEE802.16a27050kmIEEE802.1.1和IEEE802.1.2协议频段(GHz)传输速率(Mbit/s)传输距离(m)IEEE802.1.12.4110IEEE802.1.22.4110IEEE802.15标准频段 MAC的控制方式调整方式传输速率(Kbit/s)传输距离(m)868MHz 星型网络/点对点网络BPSK2075915MHz星型网络/点对点网络BPSK40752.4GHz星型网络/点对点网络Q-QPSK25075IEEE802.15.4具有三个工作频段，分别为：868MHz，欧洲的ISM（Industrial，Scientific and Medical）频段；915MHz，美国的ISM频段；2.4GHz，全球统一的无需申请的ISM频段。IEEE802.16 协议频段（GHz）传输速率(Mbit/s)传输距离代表性产品IEEE802.161066 IEEE802.16a211IEEE802.16c1066 IEEE802.16d266 IEEE802.16e26IEEE802.16fIEEE802.16gIEEE1451.5 2.2.2 传输网络无线技术标准频段传输速率(kbit/s)传输距离/m功耗短波GJB282697MIL-STD-188-110X330MHz319.2Kbit/s1000公里超短波30300MHz319.2Kbit/s60公里无线网桥10300Ms50公里GSM/GPRS/CDMA100MsWiFi802.112.4 GHz11000100高Bluetooth802.15.12.4 GHz10000 10低UWB802.15.33.110.6GHz10000010低ZigBee802.15.42.4 GHz250 1075低IrDAinfrared160001低RFID50kHz5.8GHz200 5RF3001000MHz10 x10 x100 x低一、短波数据传输也称高频通信，它是利用频率为230MHz的电磁波进行传播的无线电通信。其电磁波是通过距地面几十到上百公里的电离层反射进行远距离传输的（近距离可通过地波传输）。短波通信的优点a、短波通信传输距离远b、短波通信工作系统设备构成简单c、短波通信便于携带、易于移动d、短波通信安全性好、保密性强e、短波通信组网快捷、方便、简单短波通信的缺点a、电离层的变化对短波通信的质量有严重的影响，导致通信频率的不确定，使话音通信时好时坏甚至中断；或者数据通信的速率时高时低，通信质量不稳定。b、早期的短波通信系统可靠性差、功能单一，应用领域受到限制。二、超短波数据传输工作频率为30300MHz(波长为101米，也称为米波)的无线电通信设备。严格地说，凡在此波段内工作的接力机、散射机和流星余迹通信设备等，也属于超短波电台。但通常指的是以地波或空间波视距传输的步谈机、便携式、车载(或机载、舰载)式电台。它主要由收发信机、天线和电源等部分组成。超短波电台可采用调幅、调频、单边带等调制制度，通常以调频制为主，其抗干扰性能优于调幅制和单边带制 超短波电台超短波通信的优点超短波通信的优点a、超短波通信质量稳定b、超短波通信工作系统设备构成简单c、超短波通信便于携带、易于移动d、超短波通信安全性好、保密性强e、超短波通信组网快捷、方便、简单超短波通信的缺点超短波通信的缺点a、短波通信传输距离近b、视距传播，不能越过大的障碍物。三、无线网桥无线网桥是为使用无线（微波）进行远距离数据传输的点对点网间互联而设计。根据协议不同，无线网桥又可以分为2.4GHz频段的802.11b或802.11G以及采用5.8GHz频段的802.11a无线网桥 网桥无线网桥的特点无线网桥有三种工作方式，点对点，点对多点，中继连接。无线网桥功率大，传输距离远（最大可达约50km），抗干扰能力强等，不自带天线，一般配备抛物面天线实现长距离的点对点连接。现在市面上已经出现了802.11n的无线网桥，传输速率可达到300Mbps以上。数字化油田 数字化油田 生产决策管理生产决策管理生产日常管理生产日常管理生产运行管理生产运行管理)油井数传 四、GSM/GPRS/CDMA无线互联网远程数据采集 1.GSM/GPRS/CDMA网络GSM网络 GPRS网络CDMA网络2.GSM/GPRS/CDMA的应用GSM/GPRS数据传输模块 乌苏市四棵树镇、哈图布呼镇和百泉镇部分村管网延伸饮水安全工程管网监控系统 五、WiFi WiFi（Wireless Fidelity，Wi-Fi）：标准：802.11b频段：2.4G带宽：11M 距离：75米六、Bluetooth标准：IEEE802.15.1 频段：2.4G带宽：1.3M(V1.2)距离：100米（CLASS1），10米（CLASS2）七、UWB标准：IEEE802.15.3a 频段：3.110.6GHz 多带OFDM-UWB带宽：窄脉冲的速率超过1Gbit/s，因此信息速率可以达到28、55、110、220、500、660和1320Mbit/s 距离：多带OFDM-UWB带宽和距离：工作距离为10m时速率为110Mbit/s，距离为4m时速率为200Mbit/s，距离为2m时速率为480Mbit/s。八、RFID 1.无线射频识别的定义阅读器(Reader)电子标签(TAG)应用软件2.2.3无线传感器网络一、无线传感网络(WSN)构成无线传感器网络简称WSN（wireless sensor network），是一种由大量小型传感器所组成的网络。l传感器节点l网关节点（sink节点）l传输网络l远程监控中心 二、无线传感网络节点硬件组成 传感器单元处理器单元通信单元电源及电源管理单元 定位系统（可选）运动系统（可选）能量产生装置（可选）典型无线传感网络节点表 节点名称处理器（公司）无线芯片（技术）电池类型发布日期WeCAT90S8535(Atmel)TR1000(RF)Lithium1998ReneeATmega163(Atmel)TR1000(RF)AA1999MicaATmega128L(Atmel)TR1000(RF)AA2001Mica2ATmega128L(Atmel)CC1000(RF)AA2002MicaDotATmega128L(Atmel)CC1000(RF)Lithium2002Mica3ATmega128L(Atmel)CC1020(RF)AA2003MicazATmega128L(Atmel)CC2420(ZigBee)AA2003TolesMSP430F149(TI)CC2420(ZigBee)AA2004XYZnodeML67Q500 x(OKI)CC2420(ZigBee)NiMn Rechargeable2005Platform1PIC16LF877(Microchip)Bluetooth&RFAA2004Platform2TMS320C55xx(TI)UWBLithium2005Platform3ARM7TDMI核+Bluetooth集成(Zeevo)Battery 2005ZabranetMSP430F149(TI)9Xstream(RF)Batteries20041.传感器单元2.处理器单元对一些数据量较少的节点，可以采用单片机做控制器，这样做的一个优点是降低了系统的功耗。如TI生产的MSP430F1xx 就是一类极低功耗的微控制器，工作电压为1.8V，实时时钟待机电流仅为1.1uA，而运行模式电流低至300uA(1MH z)，从休眠至正常工作整个唤醒过程仅需6us。在某些数据量大的节点中，高端的处理器也有应用。如StrongARM 处理器SA1110，功耗为27 976mw。该处理器同时支持DVS 节能，可以降低功耗450mw，关掉无线模块的功耗可以降低300mw。还有一些节点使用DSP作为处理器。这类节点的能量消耗较高，但是处理能力也很强，适用于图像等高数据量业务的应用。采用这类高端处理器作为网关节点也是不错的选择。各种常见的微控制器性能比较 厂商芯片型号RAM容量/KBFlash容量/KB正常工作电流/mA睡眠模式下的电流/uAAtmelMega10341285.51Mega1284128820Mega165/325/6454642.52MicrochipPIC16LF87x0.36821Intel8051 8位 Classis0.5323058051 16位1164510Philips80C51 16位260153MotorolaHC050.5326.690HC082328100HCS084606.51TIMSP430F14x 16位2601.51MSP430F16x 16位104821AtmelAT91 ARM Thumb256102438160IntelXScale PXA27X256N/A39574SamsungS3C44B08N/A605应用于无线传感网络的无线通信技术3.通信单元无线技术频率距离/m功耗传输速率/kbpsBluetooth2.4GHz10低10000802.11b2.4GHz100高11000RFID50KHz2.4GHzRX/TX)(us)600600600Modulation TechniquesDSSSDSSSDSSSSensitivity(Best)(dBm)979797TX Power(dBm)4.54.54.5Antenna ConnectionDifferentialDifferentialDifferentialZigbee成果 2.芯片方案MCU和RF收发器分离的双芯片方案如：TI CC2420+MSP430、FREESCLAE MC13XX+GT60、MICROCHIP MJ2440+PIC MCU集成RF和MCU的单芯片SOC方案 如：TI CC2430/CC2431、FREESCALE MC1321X、EM250。ZigBee协处理器和MCU的双芯片方案三、ZigBee无线传感网络节点类型Coordinator(协调器)Router(路由器)End-Device(终端节点)四、无线传感器网络特点自组织 低功耗节点计算功能 节点间的通信功能 无中心 多跳路由 动态拓扑 可靠性五、ZigBee无线传感网络的协议栈 1.技术基础物理层（PHY）物理连接，电缆，网卡，串口并口数据链路层（MAC）以帧为单位传输数据，主要任务是建立数据封装及链接网络层网络网络之间的通信问题，提供路由，即最佳路径传输层解决传输数据质量问题，提供可靠的端到端的数据传输会话层会话连接到传输连接的映射，数据传送，会画连接的恢复和释放，会画管理，令牌管理和活动管理表示层数据语法转换，语法表示，数据压缩和数据加密应用层（APL）直接面对用户的具体应用，包含用户应用程序执行通信任务所需要的协议和功能IEEE802.15.4 2003定义物理层（PHY）数据链路层的介质接入控制子层（MAC）ZigBee联盟定义网络层应用层（APL）框架的设计 2.Z-Stack协议栈Z-Stack是TI公司开发的ZigBee协议栈，并且经过了ZigBee联盟的认可而为全球众多开发商所广泛采用 3.Z-Stack协议栈软件层次六、基于ZigBee网络的无线定位跟踪技术基于信号强度(RSSI)的方法基于到达时间(TOA)的方法基于时间差(TDOA)的方法基于到达角度(AOA)的方法混合定位方法 2.3无线传感器网与物联网 物联网的基础是固定网络，如因特网、中国移动、中国电信、中国联通等；无线传感器网仅仅是补充；传感器网的基础是无线传感器网，与固定网络无关；尽管从无线传感器网络得到数据有的要通过固定网络，但那仅仅是传递数据的一种手段，与无线传感器网络本身没有任何关系。从目标特征上看，物联网探测的一定是已知物品，而无线传感器网络探测和判断的更多是未知的人或物。从概念上讲，从网络架构和协议上以及涉及的范围来看，物联网与无线传感器网络完全不同，这是根本的区别；1.传感器2.电子标签(ID)3.电信网络4.数据处理5.显示系统6.报警系统7.控制执行系统