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1、第二章 传感网络,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,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LonWorksPROFIBUSCANHART,2.2 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 IEEE802.11xIEEE802.1.1和IEEE802.1.2 IEEE802.15标准：IEEE802.15.4（ZigBee）IEEE802.15.1（蓝牙）IEEE802.15.3（
2、超宽带）IEEE802.16IEEE1451.5,IEEE802.11x,IEEE802.1.1和IEEE802.1.2,IEEE802.15标准,IEEE802.15.4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,IEEE1451.5,2.2.2 传输网络,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
3、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
4、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,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,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80
5、2.11b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,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
6、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
7、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。传感器节点网关节点（sink节点）传输网络远程监控中心,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,1.传感器单元2.处
8、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
9、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,应用于无线传感网络的无线通信技术,3.通信单元,常见电池的性能参数,4.电源及电源管理单元,2.2.4 ZigBee无线传感网络一、概述标准：IEEE802.15.4频段：2.4GHz;868/915MHz带宽：2.4GHz:16个信道，250kbit/s 915MHz：10个信道，40kbit/s 868MHz：1个信道，20kbit/s 距离：75米,2004年，ZigBee联盟发布了ZigBee2004（ZigBee 1.0），但这个时候的ZigBee只能组成星状网和树状网，不能组成网状网，而且稳定性极差，只
10、能用于学习和研究。2006年，ZigBee联盟了发布ZigBee 2006（ZigBee 1.1），同年，TI完成对chipcon的收购，进入ZigBee开发的阵营。2007年年底，ZigBee联盟发布ZigBee 2007/PRO（ZigBee Pro Feature）。,二、ZigBee芯片方案,1.Ti公司ZigBee芯片种类,CC2420：第一代ZigBee/IEEE802.15.4收发芯片 CC2430：CC2420+8051 CC2431：CC2430+定位引擎CC2520：第二代ZigBee/IEEE802.15.4收发芯片CC2480：ZigBee协处理器CC2591：功率放大
11、芯片CC2530：CC2520+8051CC2531：CC2530+定位引擎,Zigbee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
12、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,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,
