傳感器第二章傳感網絡課件

第二章 傳感網絡定義：由多個傳感器構成，用于輸出大范圍空間中多點、多參量傳感信號的網絡。傳感網絡的種類：工業(yè)網絡無線傳感網絡物聯網

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)器數目32（受芯片驅動能力限制）最大電纜長度4000英尺（1219米）最高數據速率10Mbps最小驅動輸出電壓范圍±1.5V最大驅動輸出電壓范圍±5V最大輸出短路電流250mA最大輸入電流1.0mA/12Vin～0.8mA/-7Vin驅動器輸出阻抗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石油天然氣單井數字化建設井口RS-485設備組網圖2.現場總線網絡⑴基金會現場總線⑵LonWorks⑶PROFIBUS⑷CAN⑸HART2.1.1無線傳感器網絡物理層無線協議方案

⑴IEEE802.11x⑵IEEE802.1.1和IEEE802.1.2⑶IEEE802.15標準：IEEE802.15.4（ZigBee）IEEE802.15.1（藍牙）IEEE802.15.3（超寬帶）⑴IEEE802.11x協議頻段（GHz）傳輸速率(Mbit/s)傳輸距離代表性產品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)一的無需申請的ISM頻段。2.2.2傳輸網絡無線技術標準頻段傳輸速率(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a、短波通信傳輸距離遠b、短波通信工作系統(tǒng)設備構成簡單c、短波通信便于攜帶、易于移動d、短波通信安全性好、保密性強e、短波通信組網快捷、方便、簡單⑵短波通信的缺點a、電離層的變化對短波通信的質量有嚴重的影響，導致通信頻率的不確定，使話音通信時好時壞甚至中斷；或者數據通信的速率時高時低，通信質量不穩(wěn)定。b、早期的短波通信系統(tǒng)可靠性差、功能單一，應用領域受到限制。超短波電臺

⑴超短波通信的優(yōu)點a、超短波通信質量穩(wěn)定b、超短波通信工作系統(tǒng)設備構成簡單c、超短波通信便于攜帶、易于移動d、超短波通信安全性好、保密性強e、超短波通信組網快捷、方便、簡單⑵超短波通信的缺點a、短波通信傳輸距離近b、視距傳播，不能越過大的障礙物。網橋

無線網橋的特點無線網橋有三種工作方式，點對點，點對多點，中繼連接。無線網橋功率大，傳輸距離遠（最大可達約50km），抗干擾能力強等，不自帶天線，一般配備拋物面天線實現長距離的點對點連接?，F在市面上已經出現了802.11n的無線網橋，傳輸速率可達到300Mbps以上。

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4.ZIGBEEZigBee是一種無線連接,可工作在2.4GHz(全球流行)、868MHz(歐洲流行)和915MHz(美國流行)3個頻段上,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,但可以繼續(xù)增加ZigBee特點

(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設備非常省電。據估算,ZigBee設備僅靠兩節(jié)5號電池就可以維持長達6個月到2年左右的使用時間,這是其它無線設備望塵莫及的。(2)成本低:ZigBee模塊的初始成本在6美元左右,估計很快就能降到1.5—2.5美元,并且ZigBee協議是免專利費的。低成本對于ZigBee也是一個關鍵的因素。(3)時延短:通信時延和從休眠狀態(tài)激活的時延都非常短,典型的搜索設備時延30ms,休眠激活的時延是15ms,活動設備信道接入的時延為15ms。因此ZigBee技術適用于對時延要求苛刻的無線控制(如工業(yè)控制場合等)應用。(4)網絡容量大:一個星型結構的Zigbee網絡最多可以容納254個從設備和一個主設備,一個區(qū)域內可以同時存在最多100個ZigBee網絡,而且網絡組成靈活。(5)可靠:采取了碰撞避免策略,同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務預留了專用時隙,避開了發(fā)送數據的競爭和沖突。MAC層采用了完全確認的數據傳輸模式,每個發(fā)送的數據包都必須等待接收方的確認信息。如果傳輸過程中出現問題可以進行重發(fā)。(6)安全:ZigBee提供了基于循環(huán)冗余校驗(CRC)的數據包完整性檢查功能,支持鑒權和認證,采用了AES-128的加密算法,各個應用可以靈活確定其安全屬性。Zigbee成果

5.GPRSGPRS經常被描述成“2.5G”，也就是說這項技術位于第二代（2G）和第三代（3G）移動通訊技術之間。它通過利用GSM網絡中未使用的TDMA信道，提供中速的數據傳遞。GPRS突破了GSM網只能提供電路交換的思維方式，只通過增加相應的功能實體和對現有的基站系統(tǒng)進行部分改造來實現分組交換，這種改造的投入相對來說并不大，但得到的用戶數據速率卻相當可觀。GSM/GPRS數據傳輸模塊

2.2.3無線傳感器網絡2.4.1無線傳感器網絡構成(WSN)無線傳感器網絡簡稱WSN（wirelesssensornetwork），是一種由大量小型傳感器所組成的網絡。傳感器節(jié)點網關節(jié)點（sink節(jié)點）傳輸網絡遠程監(jiān)控中心

2.2.4無線傳感器節(jié)點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）運動系統(tǒng)（可選）能量產生裝置（可選）典型無線傳感網絡節(jié)點表

節(jié)點名稱處理器（公司）無線芯片（技術）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)Batteries20041.傳感器單元2.處理器單元⑴對一些數據量較少的節(jié)點，可以采用單片機做控制器，這樣做的一個優(yōu)點是降低了系統(tǒng)的功耗。如TI生產的MSP430F1xx就是一類極低功耗的微控制器，工作電壓為1.8V，實時時鐘待機電流僅為1.1uA，而運行模式電流低至300uA(1MHz)，從休眠至正常工作整個喚醒過程僅需6us。⑵在某些數據量大的節(jié)點中，高端的處理器也有應用。如StrongARM處理器SA1110，功耗為27~976mw。該處理器同時支持DVS節(jié)能，可以降低功耗450mw，關掉無線模塊的功耗可以降低300mw。⑶還有一些節(jié)點使用DSP作為處理器。這類節(jié)點的能量消耗較高，但是處理能力也很強，適用于圖像等高數據量業(yè)務的應用。采用這類高端處理器作為網關節(jié)點也是不錯的選擇。各種常見的微控制器性能比較

廠商芯片型號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

應用于無線傳感網絡的無線通信技術3.通信單元無線技術頻率距離/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常見電池的性能參數

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記憶效應無有小很小無無無內阻30～807～1918～3580～10080～100－－毒性有有輕毒輕毒輕毒無有價格低低中高最高高中可充電是是是是是否否2.2.3無線傳感器網絡特點自組織低功耗節(jié)點計算功能節(jié)點間的通信功能無中心多跳路由動態(tài)拓撲可靠性2.3無線傳感器網與物聯網