第3講 物聯(lián)網傳輸層技術

物聯(lián)網概論第3章物聯(lián)網傳輸層技術主講胡成全23.3協(xié)議與標準3.2無線通信傳輸層3.1有線通信傳輸層教學內容3.3.1IEEE802.15.4（ZigBee）3.3.2IEEE802.11b（WiFi）3.3.3IEEE802.16（WiMAX）3.3.4ISO（Bluetooth）3.2.1長距離無線通信3.2.2短距離無線通信3.1.1三網融合3.1.2現(xiàn)場總線第3章

物聯(lián)網傳輸層

傳輸層主要分：有線通信

無線通信兩種通信方式對物聯(lián)網產業(yè)來說處于同等重要、互相補充的作用。例如，工業(yè)化和信息化“兩化融合”業(yè)務中大部分還是有線通信，智能樓宇等領域也還是以有線通信為主。有線通信將來會成為物聯(lián)網產業(yè)發(fā)展的主要支撐，但無線通信技術也是不可或缺的。33.1有線通信傳輸層

有線通信技術可分為：中、長距離（WAN）的廣域網絡（包括PSTN、ADSL和HFC數(shù)字電視Cable等）短距離的現(xiàn)場總線（FieldBus，也包括PLC電力線載波等技術）43.1.1三網融合現(xiàn)有的電信網、有線電視網和計算機網是物聯(lián)網業(yè)務可以利用的中、長距離有線網絡。還有一些和這三大網絡規(guī)模相當?shù)奈垂_的覆蓋全國的專網，如公安系統(tǒng)的專網，據(jù)說國家電網的專網比有線電視網規(guī)模還要大。

三網融合是指電信網、計算機網和有線電視網三大網絡通過技術改造，能夠提供包括語音、數(shù)據(jù)、圖像等綜合多媒體的通信業(yè)務。53.1.1三網融合——基本概述三網融合是一種廣義的、社會化的說法，在現(xiàn)階段它并不意味著電信網、計算機網和有線電視網三大網絡的物理合一，而主要是指高層業(yè)務應用的融合。其表現(xiàn)為技術上趨向一致，網絡層上可以實現(xiàn)互聯(lián)互通，形成無縫覆蓋，業(yè)務層上互相滲透和交叉，應用層上趨向使用統(tǒng)一的IP協(xié)議，在經營上互相競爭、互相合作，朝著向人類提供多樣化、多媒體化、個性化服務的同一目標逐漸交匯在一起，行業(yè)管制和政策方面也逐漸趨向統(tǒng)一。三大網絡通過技術改造，能夠提供包括語音、數(shù)據(jù)、圖像等綜合多媒體的通信業(yè)務。這就是所謂的三網融合。63.1.1三網融合——結合點三網融合，在概念上從不同角度和層次上分析，可以涉及到技術融合、業(yè)務融合、行業(yè)融合、終端融合及網絡融合。目前更主要的是應用層次上互相使用統(tǒng)一的通信協(xié)議。IP優(yōu)化光網絡就是新一代電信網的基礎，是我們所說的三網融合的結合點。數(shù)字技術的迅速發(fā)展和全面采用，使電話、數(shù)據(jù)和圖像信號都可以通過統(tǒng)一的編碼進行傳輸和交換，所有業(yè)務在網絡中都將成為統(tǒng)一的“0”或“1”的比特流。光通信技術的發(fā)展，為綜合傳送各種業(yè)務信息提供了必要的帶寬和傳輸高質量，成為三網業(yè)務的理想平臺。軟件技術的發(fā)展使得三大網絡及其終端都通過軟件變更，最終支持各種用戶所需的特性、功能和業(yè)務。最重要的是統(tǒng)一的TCP/IP協(xié)議的普遍采用，將使得各種以IP為基礎的業(yè)務都能在不同的網上實現(xiàn)互通。人類首次具有統(tǒng)一的為三大網都能接受的通信協(xié)議，從技術上為三網融合奠定了最堅實的基礎。

73.1.1三網融合——發(fā)展如果按傳統(tǒng)的辦法處理三網融合將是一個長期而艱巨的過程，如何繞過傳統(tǒng)的三網來達到融合的目的，那就是尋找通信體制革命的這條路，我們必須把握技術的發(fā)展趨勢，結合我國實際情況，選擇我們自己的發(fā)展道路。我們的實際情況是數(shù)據(jù)通信與發(fā)達國家相比起步晚，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信業(yè)務規(guī)模不大，比起發(fā)達國家的多協(xié)議、多業(yè)務的包袱要小得多，因此，可以盡快轉向以IP為基礎的新體制，在光纜上采用IP優(yōu)化光網絡，建設寬帶IP網，加速我國Internet網的發(fā)展，使之與我國傳統(tǒng)的通信網長期并存，既節(jié)省開支又充分利用現(xiàn)有的網絡資源。

2010年1月13日國務院總理溫家寶主持召開國務院常務會議，決定加快推進電信網、廣播電視網和互聯(lián)網三網融合。

83.1.1三網融合有線廣域網在物聯(lián)網應用中的一個劣勢就是眾所周知的IP地址不夠的問題，在IPv6未全面實施之前，這個問題將制約有線網在物聯(lián)網業(yè)務中的使用。而無線廣域網可以通過發(fā)SIM卡（電話ID號碼）的方式解決每個智能物件對應一個ID（號碼）的問題。盡管如此，中國電信、歌華有線等以有線網絡為主的營運商也都有宏大的物聯(lián)網業(yè)務計劃，例如在智能家庭網關（HomeGateway）領域，歌華有線憑借機頂盒的部署基礎占據(jù)一定優(yōu)勢。93.1.2現(xiàn)場總線FieldBus10概念IEC61158標準定義,現(xiàn)場總線是指安裝在制造或過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控制室內的自動控制裝置之間數(shù)字式、串行、多點通信的數(shù)據(jù)總線.總線上的數(shù)據(jù)輸入設備包括按鈕、傳感器、接觸器、變送器、閥門等，傳輸其位置狀態(tài)、參數(shù)值等數(shù)據(jù)；總線上的輸出數(shù)據(jù)用于驅動信號燈、接觸器、開關、閥門等；11總線將分散的有通信能力的測量控制設備作為網絡節(jié)點，連接成能相互溝通信息，共同完成自控任務的控制網絡產生的背景在計算機數(shù)據(jù)傳輸中，長期使用低數(shù)據(jù)速率和點對點的數(shù)據(jù)傳輸標準。在工業(yè)控制或生產自動化領域中使用大量的傳感器、執(zhí)行器和控制器，若采用星形拓撲結構，安裝成本和介質造價高。采用流行的LAN組件和環(huán)形、總線型拓撲結構，其硬件和軟件對應的系統(tǒng)造價高。需要設計一種造價低、而又能經受工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境的通信系統(tǒng)。減少了接線與安裝現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)

FCS是建立在現(xiàn)場總線技術基礎上的網絡結構扁平化，具有開放性、可互操作性、常規(guī)控制功能徹底分散、有統(tǒng)一的控制策略組態(tài)方法的新一代的分散型控制系統(tǒng)。技術特點①開放性。現(xiàn)場總線的開放性有幾層含義。一是指相關標準的一致性和公開性。一致開放的標準有利于不同廠家設備之間的互連與替換。二是系統(tǒng)集成的透明性和開放性，用戶進行系統(tǒng)設計、集成和重構的能力大大提高。三是產品競爭的公正性和公開性，用戶可按自己的需要和評價，選用不同供應商的產品組成大小隨意的系統(tǒng)。②交互性。現(xiàn)場總線設備的交互性有幾層含義。一是指上層網絡與現(xiàn)場設備之間具有相互溝通的能力。二是指現(xiàn)場設備之間具有相互溝通能力，也就是具有互操作性。三是指不同廠家的同類設備可以相互替換，也就是具有互換性16技術特點③自治性。由于智能儀表將傳感測量、補償計算、工程量處理與控制等功能下載到現(xiàn)場設備中完成，因此一臺單獨的現(xiàn)場設備即具有自動控制的基本功能，可以隨時診斷自己的運行狀況，實現(xiàn)功能的自治。④適應性。安裝在工業(yè)生產第一線的現(xiàn)場總線是專為惡劣環(huán)境而設計的，對現(xiàn)場環(huán)境具有很強的適應性。具有防電、防磁、防潮和較強的抗干擾能力，可滿足本質安全防爆要求，可支持多種通信介質，如雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線、電力線等?，F(xiàn)場總線與其他通信技術的區(qū)別現(xiàn)場總線與RS232、RS485RS232、RS485只能代表通信的物理介質層和鏈路層，如果實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向訪問，就必須自己編寫通信應用和程序現(xiàn)場總線技術是以ISO/OSI模型為基礎的，具有完整的軟件支持?，F(xiàn)場總線與計算機網絡現(xiàn)場總線是一種傳輸速率低、實時控制網絡。短幀傳送，實時性強，可靠性高，安全性好，適應工業(yè)應用環(huán)境。計算機網絡是一種實時性不高、高速信息網絡?，F(xiàn)場總線協(xié)議參考模型為使不同廠家的智能儀表接入統(tǒng)一系統(tǒng)進行互連操作，國際標準化組織ISO于1978年建立了一個“開放系統(tǒng)互連”的技術委員會。起草了“開放系統(tǒng)互連基本參考模型”（OpenSystemInterconnection）的建議草案。1983年正式成為國際標準（ISO7498）。1986年又對該標準進行了進一步的完善和補充。OSI參考模型現(xiàn)場總線系統(tǒng)是企業(yè)的底層網絡發(fā)展歷史1984年美國Inter公司提出一種計算機分布式控制系統(tǒng)-位總線（BITBUS）80年代中期，美國Rosemount公司開發(fā)了一種可尋址的遠程傳感器（HART）通信協(xié)議1985年由Honeywell和Bailey等大公司發(fā)起，成立了WorldFIP制定了FIP協(xié)議。1987年，以Siemens，Rosemount，橫河等幾家著名公司為首也成立了一個專門委員會互操作系統(tǒng)協(xié)議（ISP）并制定了PROFIBUS協(xié)議。后來美國儀器儀表學會也制定了現(xiàn)場總線標準IEC/ISASP50。兩個現(xiàn)場總線集團：ISP集團、WorldFIP集團。1994年，兩大集團宣布合并，融合成現(xiàn)場總線基金會（FieldbusFoundation）簡稱FF。22現(xiàn)場總線組織現(xiàn)場總線基金會（FieldbusFoundation）LonMark協(xié)會,Profibus協(xié)會，工業(yè)以太網協(xié)會IEA（IndustrialEthernetAssociation），工業(yè)自動化開放網絡聯(lián)盟IAONA（IndustrialAutomationOpenNetworkAlliance）SocietyofAutomotiveEngineers（SAE）現(xiàn)場總線標準制定現(xiàn)場總線標準的國際標準化組織IECISOIEC/TC65負責測量和控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信國際標準化工作的SC65C/WG6，是最先開始現(xiàn)場總線標準化工作的組織。2000年初宣布，IEC現(xiàn)場總線國際標準子集有八種：IEC61158；ControlNet；Profibus；P-Net；HighSpeedEthernet；NewcomerSwiftNet；WorldFIP；Interbus-S最早成為國際標準的是CAN，它屬于ISO標準：ISO11898技術優(yōu)點節(jié)省硬件數(shù)量與投資節(jié)省安裝費用節(jié)省維護開銷用戶具有高度的系統(tǒng)集成主動權系統(tǒng)的實時性與可靠性25快速實時響應能力的要求傳輸速率不高于1Mbps響應時間為0.01－0.5s具有處理隨機事件的能力硬件嚴格篩選；軟件簡單易用；在線快速排除故障；獨立的局部數(shù)據(jù)庫；容錯技術和冗余技術網絡拓撲結構環(huán)形拓撲結構星形拓撲結構總線型拓撲結構樹型拓撲結構26現(xiàn)場總線的分類目前國際上有40多種現(xiàn)場總線，但沒有任何一種現(xiàn)場總線能覆蓋所有的應用面，按其傳輸數(shù)據(jù)的大小可分為4類：傳感器總線：信息量小、響應快、位傳輸設備總線：可靠性高、響應快、字節(jié)傳輸控制總線：信息量大、可靠性高、信息傳輸信息總線：信息量大、集成度高、文件傳輸27常用現(xiàn)場總線現(xiàn)場總線是FCS的核心。目前，世界上出現(xiàn)了多種現(xiàn)場總線的企業(yè)或國家標準。這些現(xiàn)場總線技術各具特點，已經逐漸形成自己的產品系列，并占有相當大的市場份額。由于技術和商業(yè)利益的原因，尚沒有統(tǒng)一。以下就是目前流行的幾種著名的現(xiàn)場總線。CANCAN（ControlAreaNetwork，ISO11898），由德國Bosch公司推出、最早用于汽車內部監(jiān)測部件與控制部件的數(shù)據(jù)通信網絡?，F(xiàn)在已經逐步應用到其它控制領域。CAN協(xié)議采用了OSI底層的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和高層的應用層，信號傳輸介質為雙絞線。最高通信速率為1Mbps（通信距離40m），最遠通信距離可達10km（通信速率為5kbps），節(jié)點總數(shù)可達110個。CAN的信號傳輸采用短幀結構，每一幀的有效字節(jié)數(shù)為8個，因而傳輸?shù)臅r間短，受干擾的概率低，每幀信息均采用循環(huán)冗余校驗CRC，通信誤碼率極低。CAN節(jié)點在錯誤嚴重的情況下，具有自動關閉總線的功能，這時故障節(jié)點與總線脫離，使其它節(jié)點的通信不受影響。30LonWorksLonWorks（LocalOperatingNetwork的縮寫）。由美國Echelon公司研制、1990年正式公布。采用了ISO/OSI模型中完整的七層通信協(xié)議，其最高通信速率為1.25mbps（通信距離不超過130m），最遠通信距離為27km（通信速率為78kbps），節(jié)點總數(shù)可達32000個。網絡的傳輸介質可以是雙絞線、同軸電纜、光纖、射頻、紅外線、電力線等。LonWorks的信號傳輸采用可變長幀結構。每幀的有效字節(jié)可由0~288個。LonWorks所采用的LonTalk通信協(xié)議被封裝在稱之為Neuron的神經元芯片中。PROFIBUSPROFIBUS是(ProcessFieldBus的縮寫)。它是德國國家標準DIN19245和歐洲標準EN50170所規(guī)定的現(xiàn)場總線標準。PROFIBUS由三個兼容部分組成，即PROFIBU