傳感器第二章傳感網(wǎng)絡(luò)課件

第二章 傳感網(wǎng)絡(luò)定義：由多個(gè)傳感器構(gòu)成，用于輸出大范圍空間中多點(diǎn)、多參量傳感信號(hào)的網(wǎng)絡(luò)。傳感網(wǎng)絡(luò)的種類(lèi)：工業(yè)網(wǎng)絡(luò)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)物聯(lián)網(wǎng)

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(zhǎng)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2.現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)⑴基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線⑵LonWorks⑶PROFIBUS⑷CAN⑸HART2.1.1無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層無(wú)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）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

IEEE802.11n540IEEE802.16a27050km⑵IEEE802.1.1和IEEE802.1.2協(xié)議頻段（GHz）傳輸速率(Mbit/s)傳輸距離(m)IEEE802.1.12.4110IEEE802.1.22.4110IEEE802.15.4具有三個(gè)工作頻段，分別為：⑴868MHz，歐洲的ISM（Industrial，ScientificandMedical）頻段；⑵915MHz，美國(guó)的ISM頻段；⑶2.4GHz，全球統(tǒng)一的無(wú)需申請(qǐng)的ISM頻段。2.2.2傳輸網(wǎng)絡(luò)無(wú)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(wú)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

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(jiǎn)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(jiǎn)單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。超短波電臺(tái)

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(jiǎn)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(jiǎn)單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(guò)大的障礙物。網(wǎng)橋

無(wú)線網(wǎng)橋的特點(diǎn)無(wú)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(wú)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(zhǎng)距離的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接。現(xiàn)在市面上已經(jīng)出現(xiàn)了802.11n的無(wú)線網(wǎng)橋，傳輸速率可達(dá)到300Mbps以上。

油井?dāng)?shù)傳

4.ZIGBEEZigBee是一種無(wú)線連接,可工作在2.4GHz(全球流行)、868MHz(歐洲流行)和915MHz(美國(guó)流行)3個(gè)頻段上,分別具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的傳輸速率,它的傳輸距離在10-75m的范圍內(nèi),但可以繼續(xù)增加ZigBee特點(diǎn)

(1)低功耗:由于ZigBee的傳輸速率低,發(fā)射功率僅為1mW,而且采用了休眠模式,功耗低,因此ZigBee設(shè)備非常省電。據(jù)估算,ZigBee設(shè)備僅靠?jī)晒?jié)5號(hào)電池就可以維持長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月到2年左右的使用時(shí)間,這是其它無(wú)線設(shè)備望塵莫及的。(2)成本低:ZigBee模塊的初始成本在6美元左右,估計(jì)很快就能降到1.5—2.5美元,并且ZigBee協(xié)議是免專(zhuān)利費(fèi)的。低成本對(duì)于ZigBee也是一個(gè)關(guān)鍵的因素。(3)時(shí)延短:通信時(shí)延和從休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短,典型的搜索設(shè)備時(shí)延30ms,休眠激活的時(shí)延是15ms,活動(dòng)設(shè)備信道接入的時(shí)延為15ms。因此ZigBee技術(shù)適用于對(duì)時(shí)延要求苛刻的無(wú)線控制(如工業(yè)控制場(chǎng)合等)應(yīng)用。(4)網(wǎng)絡(luò)容量大:一個(gè)星型結(jié)構(gòu)的Zigbee網(wǎng)絡(luò)最多可以容納254個(gè)從設(shè)備和一個(gè)主設(shè)備,一個(gè)區(qū)域內(nèi)可以同時(shí)存在最多100個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò),而且網(wǎng)絡(luò)組成靈活。(5)可靠:采取了碰撞避免策略,同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專(zhuān)用時(shí)隙,避開(kāi)了發(fā)送數(shù)據(jù)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突。MAC層采用了完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸模式,每個(gè)發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息。如果傳輸過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題可以進(jìn)行重發(fā)。(6)安全:ZigBee提供了基于循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC)的數(shù)據(jù)包完整性檢查功能,支持鑒權(quán)和認(rèn)證,采用了AES-128的加密算法,各個(gè)應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。Zigbee成果

5.GPRSGPRS經(jīng)常被描述成“2.5G”，也就是說(shuō)這項(xiàng)技術(shù)位于第二代（2G）和第三代（3G）移動(dòng)通訊技術(shù)之間。它通過(guò)利用GSM網(wǎng)絡(luò)中未使用的TDMA信道，提供中速的數(shù)據(jù)傳遞。GPRS突破了GSM網(wǎng)只能提供電路交換的思維方式，只通過(guò)增加相應(yīng)的功能實(shí)體和對(duì)現(xiàn)有的基站系統(tǒng)進(jìn)行部分改造來(lái)實(shí)現(xiàn)分組交換，這種改造的投入相對(duì)來(lái)說(shuō)并不大，但得到的用戶數(shù)據(jù)速率卻相當(dāng)可觀。GSM/GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊

2.2.3無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)2.4.1無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成(WSN)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)稱(chēng)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

2.2.4無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)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）典型無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)表

節(jié)點(diǎn)名稱(chēng)處理器（公司）無(wú)線芯片（技術(shù)）電池類(lèi)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)Batteries20041.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(lèi)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(guò)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(wú)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(lèi)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(lèi)高端處理器作為網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)也是不錯(cuò)的選擇。各種常見(jiàn)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表

應(yīng)用于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線通信技術(shù)3.通信單元無(wú)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常見(jiàn)電池的性能參數(shù)

4.電源及電源管理單元電池類(lèi)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(wú)有小很小無(wú)無(wú)無(wú)內(nèi)阻30～807～1918～3580～10080～100－－毒性有有輕毒輕毒輕毒無(wú)有價(jià)格低低中高最高高中可充電是是是是是否否2.2.3無(wú)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(wú)中心多跳路由動(dòng)態(tài)拓?fù)淇煽啃?.3無(wú)線傳感器網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)