傳感網(wǎng)絡(luò)的教案第1頁/共77頁2.1工業(yè)傳感網(wǎng)絡(luò)1.RS?485網(wǎng)絡(luò)連接主機(jī)端的RS422接口信號(hào)定義連接從機(jī)端的RS422接口信號(hào)定義RS422接口信號(hào)含義RS422接口信號(hào)含義3RXD（－）/B接收數(shù)據(jù)3TXD（－）/Z發(fā)送數(shù)據(jù)4RXD（＋）/A接收數(shù)據(jù)4TXD（＋）/Y發(fā)送數(shù)據(jù)5TXD（＋）/Y發(fā)送數(shù)據(jù)5RXD（＋）/A接收數(shù)據(jù)6TXD（－）/Z發(fā)送數(shù)據(jù)6RXD（－）/B接收數(shù)據(jù)第2頁/共77頁

RS-485/RS-422總線電氣特性工作模式差分傳輸（平衡傳輸）允許的收發(fā)器數(shù)目32（受芯片驅(qū)動(dòng)能力限制）最大電纜長度4000英尺（1219米）最高數(shù)據(jù)速率10Mbps最小驅(qū)動(dòng)輸出電壓范圍±1.5V最大驅(qū)動(dòng)輸出電壓范圍±5V最大輸出短路電流250mA最大輸入電流1.0mA/12Vin～0.8mA/-7Vin驅(qū)動(dòng)器輸出阻抗54歐輸入端電容≤50pF接收器輸入靈敏度±200mV接收器最小輸入阻抗12k接收器輸入電壓范圍-7V～+12V接收器輸出邏輯高>200mV接收器輸出邏輯低<200mV第3頁/共77頁石油天然氣單井?dāng)?shù)字化建設(shè)井口RS-485設(shè)備組網(wǎng)圖第4頁/共77頁2.現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)⑴基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線⑵LonWorks⑶PROFIBUS⑷CAN⑸HART第5頁/共77頁2.2無線傳感網(wǎng)絡(luò)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信標(biāo)準(zhǔn)傳輸網(wǎng)絡(luò)無線傳感網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)基于ZIGBEE網(wǎng)絡(luò)的無線定位跟蹤技術(shù)第6頁/共77頁2.1.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層無線協(xié)議方案

⑴IEEE802.11x⑵IEEE802.1.1和IEEE802.1.2⑶IEEE802.15標(biāo)準(zhǔn)：IEEE802.15.4（ZigBee）IEEE802.15.1（藍(lán)牙）IEEE802.15.3（超寬帶）⑷IEEE802.16⑸IEEE1451.5第7頁/共77頁⑴IEEE802.11x協(xié)議頻段(GHz)傳輸速率(Mbit/s)傳輸距離代表性產(chǎn)品IEEE802.11a5.854

10～100mIEEE802.11b2.41130～50mIEEE802.11b+22

IEEE802.11g2.454/11

IEEE802.11n540IEEE802.16a27050km第8頁/共77頁⑵IEEE802.1.1和IEEE802.1.2協(xié)議頻段(GHz)傳輸速率(Mbit/s)傳輸距離(m)IEEE802.1.12.4110IEEE802.1.22.4110第9頁/共77頁⑶IEEE802.15標(biāo)準(zhǔn)頻段

MAC的控制方式調(diào)整方式傳輸速率(Kbit/s)傳輸距離(m)868MHz星型網(wǎng)絡(luò)/點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)BPSK2075915MHz星型網(wǎng)絡(luò)/點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)BPSK40752.4GHz星型網(wǎng)絡(luò)/點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)Q-QPSK25075第10頁/共77頁IEEE802.15.4具有三個(gè)工作頻段，分別為：⑴868MHz，歐洲的ISM（Industrial，ScientificandMedical）頻段；⑵915MHz，美國的ISM頻段；⑶2.4GHz，全球統(tǒng)一的無需申請(qǐng)的ISM頻段。第11頁/共77頁⑷IEEE802.16協(xié)議頻段（GHz）傳輸速率(Mbit/s)傳輸距離代表性產(chǎn)品IEEE802.1610～66

IEEE802.16a2～11IEEE802.16c10～66

IEEE802.16d2～66

IEEE802.16e2～6IEEE802.16fIEEE802.16g第12頁/共77頁⑸IEEE1451.5第13頁/共77頁2.2.2傳輸網(wǎng)絡(luò)第14頁/共77頁無線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)頻段傳輸速率(kbit/s)傳輸距離/m功耗短波GJB2826—97MIL-STD-188-110X3～30MHz3～19.2Kbit/s1000公里超短波30～300MHz3～19.2Kbit/s60公里無線網(wǎng)橋10～300M／s50公里GSM/GPRS/CDMA100M／sWiFi802.112.4GHz11000100高Bluetooth802.15.12.4GHz10000

10低UWB802.15.33.1～10.6GHz10000010低ZigBee802.15.42.4GHz250

10～75低IrDAinfrared160001低RFID50kHz～5.8GHz200＜5—RF300～1000MHz10×x10×x～100×x低第15頁/共77頁一、短波數(shù)據(jù)傳輸也稱高頻通信，它是利用頻率為2～30MHz的電磁波進(jìn)行傳播的無線電通信。其電磁波是通過距地面幾十到上百公里的電離層反射進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸?shù)模ń嚯x可通過地波傳輸）。第16頁/共77頁

第17頁/共77頁⑴短波通信的優(yōu)點(diǎn)a、短波通信傳輸距離遠(yuǎn)b、短波通信工作系統(tǒng)設(shè)備構(gòu)成簡單c、短波通信便于攜帶、易于移動(dòng)d、短波通信安全性好、保密性強(qiáng)e、短波通信組網(wǎng)快捷、方便、簡單第18頁/共77頁⑵短波通信的缺點(diǎn)a、電離層的變化對(duì)短波通信的質(zhì)量有嚴(yán)重的影響，導(dǎo)致通信頻率的不確定，使話音通信時(shí)好時(shí)壞甚至中斷；或者數(shù)據(jù)通信的速率時(shí)高時(shí)低，通信質(zhì)量不穩(wěn)定。b、早期的短波通信系統(tǒng)可靠性差、功能單一，應(yīng)用領(lǐng)域受到限制。第19頁/共77頁二、超短波數(shù)據(jù)傳輸工作頻率為30～300MHz(波長為10～1米，也稱為米波)的無線電通信設(shè)備。嚴(yán)格地說，凡在此波段內(nèi)工作的接力機(jī)、散射機(jī)和流星余跡通信設(shè)備等，也屬于超短波電臺(tái)。但通常指的是以地波或空間波視距傳輸?shù)牟秸剻C(jī)、便攜式、車載(或機(jī)載、艦載)式電臺(tái)。它主要由收發(fā)信機(jī)、天線和電源等部分組成。超短波電臺(tái)可采用調(diào)幅、調(diào)頻、單邊帶等調(diào)制制度，通常以調(diào)頻制為主，其抗干擾性能優(yōu)于調(diào)幅制和單邊帶制第20頁/共77頁超短波電臺(tái)

第21頁/共77頁⑴超短波通信的優(yōu)點(diǎn)a、超短波通信質(zhì)量穩(wěn)定b、超短波通信工作系統(tǒng)設(shè)備構(gòu)成簡單c、超短波通信便于攜帶、易于移動(dòng)d、超短波通信安全性好、保密性強(qiáng)e、超短波通信組網(wǎng)快捷、方便、簡單第22頁/共77頁⑵超短波通信的缺點(diǎn)a、短波通信傳輸距離近b、視距傳播，不能越過大的障礙物。第23頁/共77頁三、無線網(wǎng)橋無線網(wǎng)橋是為使用無線（微波）進(jìn)行遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)狞c(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)間互聯(lián)而設(shè)計(jì)。根據(jù)協(xié)議不同，無線網(wǎng)橋又可以分為2.4GHz頻段的802.11b或802.11G以及采用5.8GHz頻段的802.11a無線網(wǎng)橋第24頁/共77頁網(wǎng)橋

第25頁/共77頁無線網(wǎng)橋的特點(diǎn)無線網(wǎng)橋有三種工作方式，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)，中繼連接。無線網(wǎng)橋功率大，傳輸距離遠(yuǎn)（最大可達(dá)約50km），抗干擾能力強(qiáng)等，不自帶天線，一般配備拋物面天線實(shí)現(xiàn)長距離的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接?，F(xiàn)在市面上已經(jīng)出現(xiàn)了802.11n的無線網(wǎng)橋，傳輸速率可達(dá)到300Mbps以上。第26頁/共77頁數(shù)字化油田

第27頁/共77頁數(shù)字化油田

生產(chǎn)決策管理生產(chǎn)日常管理生產(chǎn)運(yùn)行管理))))))))))))))))))))))))))))))))))))第28頁/共77頁

第29頁/共77頁油井?dāng)?shù)傳

第30頁/共77頁四、GSM/GPRS/CDMA無線互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集

1.GSM/GPRS/CDMA網(wǎng)絡(luò)⑴GSM網(wǎng)絡(luò)第31頁/共77頁

第32頁/共77頁⑵GPRS網(wǎng)絡(luò)⑶CDMA網(wǎng)絡(luò)第33頁/共77頁2.GSM/GPRS/CDMA的應(yīng)用GSM/GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊第34頁/共77頁

第35頁/共77頁《烏蘇市四棵樹鎮(zhèn)、哈圖布呼鎮(zhèn)和百泉鎮(zhèn)部分村管網(wǎng)延伸飲水安全工程管網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)》第36頁/共77頁

第37頁/共77頁

第38頁/共77頁

第39頁/共77頁

第40頁/共77頁五、WiFiWiFi（WirelessFidelity，Wi-Fi）：標(biāo)準(zhǔn)：802.11b頻段：2.4G帶寬：11M距離：75米第41頁/共77頁六、Bluetooth標(biāo)準(zhǔn)：IEEE802.15.1頻段：2.4G帶寬：1.3M(V1.2)距離：100米（CLASS1），10米（CLASS2）第42頁/共77頁七、UWB標(biāo)準(zhǔn)：IEEE802.15.3a頻段：3.1～10.6GHz⑵多帶OFDM-UWB帶寬：窄脈沖的速率超過1Gbit/s，因此信息速率可以達(dá)到28、55、110、220、500、660和1320Mbit/s距離：⑵多帶OFDM-UWB帶寬和距離：工作距離為10m時(shí)速率為110Mbit/s，距離為4m時(shí)速率為200Mbit/s，距離為2m時(shí)速率為480Mbit/s。第43頁/共77頁八、RFID1.無線射頻識(shí)別的定義閱讀器(Reader)電子標(biāo)簽(TAG)應(yīng)用軟件第44頁/共77頁2.2.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一、無線傳感網(wǎng)絡(luò)(WSN)構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)簡稱WSN（wirelesssensornetwork），是一種由大量小型傳感器所組成的網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點(diǎn)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)（sink節(jié)點(diǎn)）傳輸網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)控中心第45頁/共77頁

第46頁/共77頁二、無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件組成

傳感器單元處理器單元通信單元電源及電源管理單元定位系統(tǒng)（可選）運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)（可選）能量產(chǎn)生裝置（可選）第47頁/共77頁

第48頁/共77頁典型無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)表

節(jié)點(diǎn)名稱處理器（公司）無線芯片（技術(shù)）電池類型發(fā)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)AA2004XYZnodeML67Q500x(OKI)CC2420(ZigBee)NiMnRechargeable2005Platform1PIC16LF877(Microchip)Bluetooth&RFAA2004Platform2TMS320C55xx(TI)UWBLithium2005Platform3ARM7TDMI核+Bluetooth集成(Zeevo)Battery2005ZabranetMSP430F149(TI)9Xstream(RF)Batteries2004第49頁/共77頁1.傳感器單元2.處理器單元⑴對(duì)一些數(shù)據(jù)量較少的節(jié)點(diǎn)，可以采用單片機(jī)做控制器，這樣做的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是降低了系統(tǒng)的功耗。如TI生產(chǎn)的MSP430F1xx就是一類極低功耗的微控制器，工作電壓為1.8V，實(shí)時(shí)時(shí)鐘待機(jī)電流僅為1.1uA，而運(yùn)行模式電流低至300uA(1MHz)，從休眠至正常工作整個(gè)喚醒過程僅需6us。⑵在某些數(shù)據(jù)量大的節(jié)點(diǎn)中，高端的處理器也有應(yīng)用。如StrongARM處理器SA1110，功耗為27~976mw。該處理器同時(shí)支持DVS節(jié)能，可以降低功耗450mw，關(guān)掉無線模塊的功耗可以降低300mw。⑶還有一些節(jié)點(diǎn)使用DSP作為處理器。這類節(jié)點(diǎn)的能量消耗較高，但是處理能力也很強(qiáng)，適用于圖像等高數(shù)據(jù)量業(yè)務(wù)的應(yīng)用。采用這類高端處理器作為網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)也是不錯(cuò)的選擇。第50頁/共77頁各種常見的微控制器性能比較

廠商芯片型號(hào)RAM容量/KBFlash容量/KB正常工作電流/mA睡眠模式下的電流/uAAtmelMega10341285.51Mega1284128820Mega165/325/6454642.52MicrochipPIC16LF87x0.36821Intel80518位

Classis0.532305805116位1164510Philips80C5116位260153MotorolaHC050.5326.690HC082328100HCS084606.51TIMSP430F14x16位2601.51MSP430F16x16位104821AtmelAT91ARMThumb256102438160IntelXScalePXA27X256N/A39574SamsungS3C44B08N/A605第51頁/共77頁應(yīng)用于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的無線通信技術(shù)3.通信單元無線技術(shù)頻率距離/m功耗傳輸速率/kbpsBluetooth2.4GHz10低10000802.11b2.4GHz100高11000RFID50KHz～2.4GHz<5—200ZigBee2.4GHz10～75低250IrDAinfrared1低16000UWB3.1～10.6GHz10低100000RF300～1000MHz10×x～100×x①低10×x第52頁/共77頁常見電池的性能參數(shù)

4.電源及電源管理單元電池類型鉛酸鎳鉻鎳氫鋰離子聚合物鋰錳銀鋅重量能量比/（W?h?kg－1）354150～80120～160140～180330－體積能量比/（W?h?L－1）80120100～200200～280﹥3205501150循環(huán)壽命/次3005008001000100011工作溫度/℃－20～6020～6020～600～600～60－20～6020～60記憶效應(yīng)無有小很小無無無內(nèi)阻30～807～1918～3580～10080～100－－毒性有有輕毒輕毒輕毒無有價(jià)格低低中高最高高中可充電是是是是是否否第53頁/共77頁2.2.4ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)一、概述標(biāo)準(zhǔn)：IEEE802.15.4頻段：2.4GHz;868/915MHz帶寬：⑴2.4GHz:16個(gè)信道，250kbit/s⑵915MHz：10個(gè)信道，40kbit/s⑶868MHz：1個(gè)信道，20kbit/s距離：75米第54頁/共77頁2004年，ZigBee聯(lián)盟發(fā)布了ZigBee2004（ZigBee1.0），但這個(gè)時(shí)候的ZigBee只能組成星狀網(wǎng)和樹狀網(wǎng)，不能組成網(wǎng)狀網(wǎng)，而且穩(wěn)定性極差，只能用于學(xué)習(xí)和研究。2006年，ZigBee聯(lián)盟了發(fā)布ZigBee2006（ZigBee1.1），同年，TI完成對(duì)chipcon的收購，進(jìn)入ZigBee開發(fā)的陣營。2007年年底，ZigBee聯(lián)盟發(fā)布ZigBee2007/PRO（ZigBeeProFeature）。第55頁/共77頁二、ZigBee芯片方案公司代表芯片TICC2420/CC2430/CC2431/CC2520/CC2480/CC2530/CC2531RadioPulseMANGO-MG2400/MG2450JennicJN5152MicrochipMRF24J40MAFreescaleMc13191/192AtmelAT86RF212(900Mhz)第56頁/共77頁1.Ti公司ZigBee芯片種類第57頁/共77頁CC2420：第一代ZigBee/IEEE802.15.4收發(fā)芯片CC2430：CC2420+8051CC2431：CC2430+定位引擎CC2520：第二代ZigBee/IEEE802.15.4收發(fā)芯片CC2480：ZigBee協(xié)處理器CC2591：功率放大芯片CC2530：CC2520+8051CC2531：CC2530+定位引擎第58頁/共77頁

特性CC2420CC2520標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.15.42003IEEE802.15.42006最大輸出功率0dB5dB典型靈敏度－95dBm－98dBm時(shí)鐘輸出無配置的頻率是1～16MHz用戶接口SPI控制操作通過GPIO傳輸指令集形式寄存器訪問無晶體振蕩器運(yùn)行時(shí)也可以訪問只有晶體振蕩器運(yùn)行時(shí)才能訪問數(shù)字輸出沒有施密特觸發(fā)器所有數(shù)字輸入都有施密特觸發(fā)器數(shù)字輸出沒有固定配置高度靈活配置啟動(dòng)XOSC的手動(dòng)啟動(dòng)復(fù)位（reset_n）后XOSC自動(dòng)開始，接收到SRES指令后XOSC手動(dòng)啟動(dòng)晶體頻率16MHz32MHz數(shù)據(jù)包分析無硬件支持硬件支持非侵入性數(shù)據(jù)傳輸和接收幀分析最大的SPI時(shí)鐘頻率10MHz8MHzRAM大小364字節(jié)768字節(jié)工作電壓2.1～3.6V1.8～3.8V最大工作溫度85℃125℃安全有限的靈活性高度靈活的安全指示，更多的RAM可允許更靈活的處理封裝QLP－48,7mm×7mmQFN－28(RHD),5mm×5mmRF頻率范圍2400～2483.5MHz2394～2507MHz第59頁/共77頁

特性CC2530CC2531CC2533FrequencyRange2.4GHz2.4GHz2.4GHz頻率范圍2394～2507MHz2394～2507MHz2394～2507MHzDeviceTypeSystem-on-ChipSystem-on-ChipSystem-on-ChipFlashsize(KB)32/64/128/256128/25632/64/96RAMsize(KB)884/4/6DataRate(Max)(kbps)250250250OperatingVoltage(Min)(V)222OperatingVoltage(Max)(V)3.63.63.6RXCurrent(Lowest)(mA)20.520.521.6StandbyCurrent(uA)0.410.4WakeupTime(PD-->RX/TX)(us)600600600ModulationTechniquesDSSSDSSSDSSSSensitivity(Best)(dBm)－97－97－97TXPower(dBm)4.54.54.5AntennaConnectionDifferentialDifferentialDifferential第60頁/共77頁Zigbee成果

第61頁/共77頁2.芯片方案⑴MCU和RF收發(fā)器分離的雙芯片方案如：TICC2420+MSP430、FREESCLAEMC13XX+GT60、MICROCHIPMJ2440+PICMCU⑵集成RF和MCU的單芯片SOC方案如：TICC2430/CC2431、FREESCALEMC1321X、EM250。⑶ZigBee協(xié)處理器和MCU的雙芯片方案第62頁/共77頁三、ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)類型⑴Coordinator(協(xié)調(diào)器)⑵Router(路由器)⑶End-Device(終端節(jié)點(diǎn))第63頁/共77頁四、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)自組織低功耗節(jié)點(diǎn)計(jì)算功能節(jié)點(diǎn)間的通信功能無中心多跳路由動(dòng)態(tài)拓?fù)淇煽啃缘?4頁/共77頁五、ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的協(xié)