电子教案《物联网工程导论》单元四任务二智能电网远程抄表系统网络技术的选型课件

1、任务二 智能电网远程抄表系统网络技术的选型单元四 认识物联网典型行业应用-智能电网远程抄表系统引导案例智能电网引导案例 智能电网常用的网络技术有哪些。讨 论智能电网1目标与任务任务评价知识准备任务实施234目录PART.1目标与任务任务目标知识目标1、掌握典型短距离无线传输技术的外特性2、掌握典型长距离无线传输技术的外特性能力目标1、能分辨典型的无线传输技术 2、可根据简单的应用进行无线传输技术选型素质目标1、培养良好的工作作风 2、培养描述工作问题、确定工作目标的能力 3、培养书面表达观点的能力 4、培养团队意思和团队协作的能力任务描述重庆市某村现在响应国家的号召，积极建设智能电网远程抄表系

2、统，该村位于郊区，住户大约有三百户，各住户之间有一定距离，但是据当地电工反应，最远的两户人家相距也在两百米以内，村内有一定面积的树林分布，地势也有较小的起伏，该村的基本情况如下图。 建设智能电网远程抄表系统需要在该村建设一个无线传感器网络，请根据该村的实际情况选择合适的无线网络技术，并对比该无线网络技术和其它的无线网络技术在该村这样的场景下的优缺点。PART.2知识准备4.5 典型短距离无线传输技术 从信息传输方式上看，可以分为有线传输和无线传输。两种通信方式对物联网产业来说处于同等重要、互相补充的作用。（1）有线通信网络可分为：长距离（WAN）的广域网络（包括PSTN、ADSL和HFC数字电

3、视Cable等）和短距离的现场总线（Field Bus，也包括PLC电力线载波等技术）。现有的电信网、有线电视网和计算机网是物联网业务可以利用的中、长距离有线网络。（2）无线通信网络也可分为：长距离的无线广域网（WWAN），中、短距离的无线局域网（WLAN），超短距离的无线个域网（WPAN）。如今，无线通信逐步体现出其技术优势。4.5.1 Wi-Fi技术4.5 典型短距离无线传输技术 常用的短距离无线传输技术主要有Wi-Fi技术、蓝牙技术、ZigBee技术以及新兴的LPWAN技术。Wi-Fi实际上是制定IEEE 802.11无线网络的组织，并非无线网络技术，但是后来人们逐渐习惯用Wi-Fi来称

4、呼IEEE 802.11协议。由于Wi-Fi无线接入的高速传输优势，在一定条件下可以作为对3G/4G等移动通信网络的补充。而且，基于Wi-Fi标准的WLAN网络相对于基于3G/4G标准的移动通信网络成本低廉。4.5.1 Wi-Fi技术4.5 典型短距离无线传输技术 IEEE802.11不同标准及参数Wi-Fi技术具有如下特点：更宽的带宽功耗较低，健康安全覆盖范围广无需布线Wi-Fi技术的发展趋势： 吞吐量越来越大 将广泛应用于物联网市场 将更为常见4.5.1 Wi-Fi技术4.5 典型短距离无线传输技术 典型 Wi-Fi应用系统的结构及组成典型Wi-Fi应用系统1）站点（STA） 就是使用Wi

5、-Fi信号的终端设备，如手机、笔记本电脑等。2）无线介质（WM）空气，它是无线电波和红外线传播的良好介质。3）接入点（AP）路由器就是日常生活中经常接触到的接入点4）分布式系统（DS）4.5.1 Wi-Fi技术4.5 典型短距离无线传输技术 Wi-Fi的组网方式 目前常用的组网方式有点对点模式、基础架构模式、多接入点模式、无线网桥模式和无线中继器模式五种；它们是根据无线接入点的功用不同来进行划分的。点对点模式基础架构模式多接入点模式无线网桥模式无线中继器模式4.5.2 蓝牙技术4.5 典型短距离无线传输技术 蓝牙这个名称来自于第十世纪的一位丹麦国王哈拉尔蓝牙王（Harald Blatand），

6、Blatand 在英文里的解释为 Bluetooth（蓝牙）。蓝牙技术是无线数据与语音通信的一种开放性全球规范，它以低成本的近距离无线连接为基础，为固定与移动设备通信环境建立一个特别连接的短程无线传输技术。蓝牙技术工作在2.4GHz ISM频段，其数据速率为1Mb/s，采用跳频和扩频技术。蓝牙技术具备以下的六大技术特性：低成本低功耗语音数据同传抗干扰能力强蓝牙模块体积小传输安全可靠4.5.2 蓝牙技术4.5 典型短距离无线传输技术 典型应用随着技术的发展成熟，蓝牙的应用也将越来越广泛：电脑外设的无线连接蓝牙影音播放设备蓝牙电子钱包蓝牙手表、蓝牙手环4.5.3 ZigBee技术4.5 典型短距离

7、无线传输技术 ZigBee是一种成本和功耗都很低的低速率短距离无线接入技术。它是一种与蓝牙相类似的新兴的短距离无线技术（典型通信距离75m，并可通过增加功率放大模块的方式提高通信距离），主要用于传感控制应用。具有如下特点：数据传输速率低功耗低数据传输可靠网络容量大自动动态组网、自主路由兼容性安全性实现成本低4.5.3 ZigBee技术4.5 典型短距离无线传输技术 典型应用ZigBee联盟预言在未来的四到五年，每个家庭将拥有50 个ZigBee器件，最后将达到每个家庭150 个。其应用领域主要包括：带负载管理功能的自动抄表系统；智能交通、油气生产遥测遥控通信系统；监控照明、HV AC和写字楼安

8、全;农田耕作、环境监测、水利水文监测无线通信；工业制造、过程控制遥测遥控；对病患、设备及设施进行医疗和健康监控；家庭监控、HV AC、安防报警系统运用；军事应用，包括战场监视和机器人控制；汽车应用，配合传感器网络报告汽车所有系统的状态；4.5.3 ZigBee技术4.5 典型短距离无线传输技术 典型ZigBee应用系统结构典型的ZigBee应用系统一般由一个协调节点（Coordinator）、多个路由节点（Router）和多个终端节点（End-device）组成。协调节点包含所有的网络信息，它主要用于发动网络信标、建立一个网络、管理网络节点、存储网络节点信息、寻找一对节点间的路由信息并且不断的

9、接收信息。路由节点的功能包括允许其它设备接入网络、信息转发、辅助子树下终端的通信等。终端节点是具体执行的数据采集传输的设备，它不能转发其它节点的消息。ZigBee网络拓扑结构可以分为星型、树型和网状网三种。星型树型网状4.5 典型短距离无线传输技术 技术协议标准技术指标应用领域优点缺点蓝牙IEEE802.15.1IEEE802.15.1a一般传输距离为10cm10m，采用2.4GHz ISM频段，数据传输速率为1Mbit/s，语音编码为CVSD无线办公环境、汽车工业、信息家电、医疗设备以及学校教育和工厂自动控制具有很强的移植性、应用范围广泛，应用了全球统一的频率设定成本昂贵，安全不高ZigBe

10、eIEEE 802.15.4使用2.4GHz频段，采用调频技术，基本速率是250kbit/s,当降低到28kbit/s时，传输范围可扩大到134mPC外设、消费类电子设备、家庭内智能控制、玩具、医护、工控等非常广阔的领域成本低，功耗小，网络容量大，频段灵活，保密性高，不需要频段申请传输速率低，有效范围小Wi-FiIEEE802.11b/a/g工作频率2.4GHz，传输频率为11Mbit/s，电波覆盖范围为100m家庭无线网络以及不便安装电缆的建筑物或场所可大幅度减少企业的成本，传输速度非常高设计复杂，设置繁琐Wi-Fi、蓝牙、ZigBee三种短距离无线通信技术对比4.6 典型长距离无线传输技术

11、 4.6.1 移动通信技术的发展现代意义上的移动通信系统起源于20世纪20年代，距今已有90余年的历史、短短的一个世纪里移动通信技术经历了从1G到4G，正在向5G的发展变化。移动通信技术演进图4.6 典型长距离无线传输技术 4.6.2 3G第三代移动通信技术（3G，3rd-generation）是指支持高速数据传输的蜂窝移动通讯技术。目前3G存在四种标准：CDMA2000（美国版）、WCDMA（欧洲版）、TD-SCDMA（中国版）、WiMAX。国际电信联盟（ITU）在2000年5月确定WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA三大主流无线接口标准，写入3G技术指导性文件2000年国际移动通

12、讯计划（简称IMT-2000）；2007年，WiMAX亦被接受为3G标准。3G在无线技术上的创新主要表现在以下几方面：1）采用高频段频谱资源。2）采用宽带射频信道，支持高速率业务。3）现多业务、多速率传送。4）快速功率控制5）采用自适应天线及软件无线电技术。3G的应用领域：1）宽带上网2）手机办公3）视频通话4）手机电视4.6 典型长距离无线传输技术 4.6.3 4G第四代移动通信技术可称为广带接入和分布网络，具有非对称超过2Mb/s的数据传输能力，对全速移动用户能提供巧150Mb/s的高质量影像服务，将首次实现三维图像的高质量传输。它包括广带无线固定接入、广带无线局域网、移动广带系统和互操作

13、的广播网络(基于地面和卫星系统)，集成不同模式的无线通信，移动用户可以自由地从一个标准漫游到另一个标准。目前4G标准分为两类，分别为LTE FDD（频分双工）和LTE TDD（时分双工），两大标准都是基于LTE的不同分支，相似度超过90%。特点：1）完善终端服务功能2）满足用户的需求智能化设计3）具有较强信号功能4）传输快速应用领域：1）云计算2）视频直播3）远程医疗4.6 典型长距离无线传输技术 4.6.4 5G2016年10月和11月，国际无线标准化机构3GPP的RAN1（无线物理层）会议决定5G中长码编码方案采用美国高通主推的LDPC(低密度奇偶校检码)方案，而短码编码方案采用我国华为主

14、推的PolarCode（极化码）方案。从目前的研究来看5G网络的延时缩短了很多，其传输的速度比4G提高了数十倍，其网络连接能够满足千亿量级。5G网络架构特征4.6 典型长距离无线传输技术 4.6.5 LPWAN技术低功耗广域物联网（LPWAN）技术是一种新兴的革命性的物联网接入技术，它针对物联网应用中的M2M（机器到机器）通信场景进行优化设计，具有远距离、低功耗、低运维成本等特点。目前LPWAN技术尚未形成统一的标准，可分为两类：一类是工作于未授权频谱的LoRa、SigFox等技术；另一类是工作于授权频谱下，3GPP支持的2/3/4G蜂窝通信技术，比如LTE-M、EC-GSM、NB-IoT等。

15、1）LoRaLoRa无线技术是目前应用最为广泛的LPWAN网络技术之一，由SemTech公司推出。到目前为止LoRa主要的应用领域有数据透传和LoRa 网络协议应用。相对于SigFox，LoRa产业链较为成熟、商业化应用较早。2）SigFox是商用化速度较快的LPWAN网络技术之一，由法国物联网技术服务商SigFox公司推出。3）NB-IoTNB-IoT（Narrow Band Internet of Things) 是基于蜂窝网络的窄带物联网技术之一，它在蜂窝网络的基础上进行构建。PART.3任务实施任务实施技术选型：智能电网远程抄表系统的网络技术重庆市某村现在响应国家的号召，积极建设智能电网远程抄表系统，该村位于郊区，住户大约有三百户，各住户之间有一定距离，但是据当地电工反应，最远的两户人家相距也在两百米以内，村内有一定面积的树林分布，地势也有较小的起伏；建设智能电网远程抄表系统需要在该村建设一个无线传感器网络，请根据该村的实际情况选择合适的无线网络技术，并对比该无线网络技术和其它的无线网络技术在该村应用的优缺点。（1）任务内容要求：查阅智能电网远程抄表系统的网络技术相关资料，包含技术特点、技术应用场景、主要功能等；根据智能电网远程抄表系统的要求