传感器技术及应用第3版第11章传感器网络课件

第11章传感器网络

11.1传感器网络概述

11.2传感器网络信息交换体系

11.3OSI开放系统互连参考模型

11.4传感器网络通信协议

11.5无线传感器网络

11.6实训第11章传感器网络11.1传感111.1传感器网络概述11.1传感器网络概述2通信技术和计算机技术的飞速开展，人类社会已经进入了网络时代。智能传感器的开发和大量使用，导致了在分布式控制系统中，对传感信息交换提出了许多新的要求。单独的传感器数据采集已经不能适应现代控制技术和检测技术的开展，取而代之的是分布式数据采集系统组成的传感器网络。通信技术和计算机技术的飞速开展，人类社会已经进3传感器1传感器2传感器3信号处理器信号处理器信号处理器计算机计算机计算机传输线执行器执行器执行器图11-1分布式传感器网络系统结构传感器1传感器2传感器3信号处理器信号处理器信号处理器计算机41.可以实施远程采集数据，并进展分类存储和应用。2.多个用户可同时对同一过程进展监控。3.凭借智能化软硬件，灵活调用网上各种计算机、仪器仪表和传感器各自的资源特性和潜力。4.区别不同的时空条件和仪器仪表、传感器的类别特征，测出临界值，作出不同的特征响应，完成各种形式、各种要求的任务。传感器技术及应用第3版第11章传感器网络课件5

专家们高度评价和推崇传感器网络，

把传感器网络同塑料、电子学、仿生人体器官一起，

看作是全球未来的四大高技术产业。预言它们将掀起新的产业浪潮。专家们高度评价和推崇传感器网络，6传感器网络可用于人类工作、生活、娱乐的各个方面，可用于办公室、工厂、家庭、住宅小区、机器人、汽车等多种领域。传感器技术及应用第3版第11章传感器网络课件7传感器网络的构造形式多种多样，可以是如图11-1所示全部互连形的分布式传感器网络系统。也可以是如图11-2所示的多个传感器计算机工作站和一台效劳器组成的主从构造传感器网络。可以是以太网或其他网络形式，总线连接可以是环形、星形、线形。传感器网络的构造形式多种多样，可以是如图11-8传感器1传感器n计算机n计算机1执行器执行器存储器服务器总线连接图11-2主从结构传感器网络传感器1传感器n计算机n计算机1执行器执行器存储器服务器总图9

传感器网络还可以是多个传感器和一台计算机或单片机组成的智能传感器，如图11-3所示。传感器网络还可以是多个传感器和一台计算机或单片机10亮度传感器烟雾传感器温度传感器声音传感器气压传感器按键接口电路数字信号处理接口单片机执行设备LCD显示设备图11-3传感器网络组成的智能传感器亮度传感器烟雾传感器温度传感器声音传感器气压传感器按键接口电11传感器网络可以组成个人网、局域网、城域网，甚至可以连上遍布全球的Internet互联网，如图11-4所示。假设将数量巨大的传感器参加互联网络，那么可以将互联网延伸到更多的人类活动领域。传感器网络可以组成个人网、局域网、城域网，甚至可12传感器1传感器n数字信号处理器A/D转换A/D转换数字信号处理器Internet网用户1用户n图11-4数量巨大的传感器加入Internet互联网络传感器1传感器n数字A/D转换A/D转换数字Internet13目前，传感器网络建立工作遇到的最大问题是传感器的供电电源问题。理想的情况是能保持几年不更换的高效能电池，或采用耗电少的传感器。值得关注的是，随着移动通信技术的开展，传感器网络也正朝着开发无线传感器网络的方向开展。目前，传感器网络建立工作遇到的最大问题是传感器的1411.2传感器网络信息交换体系11.2传感器网络信息交换体系15传感器网络系统信息交换体系涉及到：协议、总线、器件标准总线、复合传输、隐藏、数据链接控制。协议是传感器网络上各分布式系统之间进展信息交换而达成共识的一套规那么或约定。传感器网络系统信息交换体系涉及到：16对于一个给定的具体应用，在选择协议时，必须考虑传感器网络系统功能和使用硬件、软件与开发工具的能力。传感器网络上各分布式系统之间进展可靠的信息交换，最重要的是选择和制定协议。对于一个给定的具体应用，在选择协议时，必须考虑传17一个统一国际标准的协议

可以使各厂家都生产符合标准规定的产品，

不同厂家的传感器和仪器仪表可以互相代用，

不同的传感器网络可以互相连接，相互通信。一个统一国际标准的协议1811.3OSI开放系统互连参考模型11.3OSI开放系统互连参考模型19有好几个工业委员会和公司花费了大量精力去创造一种各个企业和机构可承受的协议。其中最重要的为国际标准化组织〔ISO〕定义了一种开放系统互连参考模型，即OSI参考模型。有好几个工业委员会和公司花费了大量精力去创造一20OSI参考模型规定了一个网络系统的框架构造，把网络从逻辑上分为七层。各层通信设备和功能模块分别为一个实体，相对独立，通过接口与其相邻层连接。传感器技术及应用第3版第11章传感器网络课件21相应协议也分七层，每一层都建立在下层之上，每一层的目的都是为上层提供一定的效劳，并对上层屏蔽效劳实现的细节。各层协议互相协作构成一个整体，称为协议簇或协议套。相应协议也分七层，22所谓开放系统互连，是指按这个标准设计和建成的计算机网络系统都可以互相连接。用户进程〔设备和文件〕经过OSI开放系统互连参考模型的七层模型标准操作后，进入光纤、电缆、电波等物理传输媒质，传输到对方。OSI的七层模型和标准如图11-5所示。所谓开放系统互连，是指按这个标准设计和建成的计23用户设备和文件第六层表示层数据表示形式转换及加密等规范第七层应用层应用程序间的通信步骤规范第五层会话层用户间会话的传输控制步骤规范第四层传输层数据传输的分组、异常回复规范第三层网络层虚拟的通信线路选择确定方式规范第二层链路层相同媒体间的数据传输规范第一层物理层线路上连接的设备电气特性规范光纤、电缆、电波等物理传输媒质

图11-5OSI的七层模型和规范

用户设备第六层表示层数据表示形式转换及加密等规范第七24发送用户数据信息进入第七层实体，经该层协议操作后，在其前面加上该层协议操作标头〔协议控制信息PCI〕，组成协议数据单元PDU。PDU进入下一层实体后称为效劳数据单元SDU。再经下一层协议操作，再加上下一层协议控制信息PCI，又组成下一层协议数据单元PDU。这样经一层一层实体的协议操作控制后，进入物理传输媒质〔光纤、电缆、自由空间等〕传输。发送用户数据信息进入第七层实体，经该层协议操作后25接收设备从物理传输媒质上接收到协议数据单元PDU。第一层功能模块根据标头信息〔协议控制信息PCI〕，对协议数据单元PDU进展数据恢复，并去掉标头信息，交第二层实体。第二层实体根据本层标头信息〔PCI〕，对协议数据单元PDU进展数据恢复，并去掉本层标头信息，再交上一层实体。这样经一层一层实体数据恢复后，第七层将发送用户数据信息复原。接收用户从第七层获得发送用户数据信息。接收设备从物理传输媒质上接收到协议数据单元PDU261．物理层〔1〕规定二进制“位〞比特流信号在线路上的码型；〔2〕规定二进制“位〞比特流信号在线路上的电平值；〔3〕当建立、维护与其它设备的物理连接时，规定需要的机械、电气功能特性和规程特性。传感器技术及应用第3版第11章传感器网络课件272．数据链路层〔1〕将传输的数据比特流加上同步信息、校验信息和地址信息封装成数据帧；〔2〕数据帧传输顺序的控制；〔3〕数据比特流过失检测与控制；〔4〕数据比特流传输流量控制。2．数据链路层283．网络层〔1〕通过路径选择将信息分包从最适宜的路径由发送端传送到接收端；〔2〕防止信息流过大造成网络阻塞；〔3〕信息传输收费记帐功能；〔4〕由多个子网组成网络的建立和管理；〔5〕与其他网络连接的建立和管理。3．网络层294．传输层〔1〕分割和重组报文，进展打包；〔2〕提供可靠的端到端的效劳；〔3〕传输层的流量控制；〔4〕提供面向连接的和无连接数据的传输效劳。4．传输层305．会话层〔1〕使用远程地址建立用户连接；〔2〕允许用户在设备之间建立、维持和终止会话；〔3〕管理会话。5．会话层316．表示层〔1〕数据编码格式转换；〔2〕数据压缩与解压；〔3〕建立数据交换格式；〔4〕数据的平安与保密；〔5〕其它特殊效劳。6．表示层327．应用层〔1〕作为用户应用程序与网络间的接口；〔2〕使用户的应用程序能够与网络进展交互式联系。7．应用层33很多情况下的网络节点并不一定要提供全部七层功能，可根据业务规格决定网络构造。例如传感器网络通常提供第一层到第三层功能。无线传感器网络通常包括应用层、传输层、网络层、链路层和物理层等5层构造。很多情况下的网络节点并不一定要提供全部七层功能3411.4传感器网络通信协议11.4传感器网络通信协议35在分布式传感器网络系统中，一个网络节点应包括传感器〔或执行器〕、本地硬件和网络接口。传感器用一个并行总线提供数据包从不同的发送者到不同的接收者间传送。一个高水平的传感器网络使用OSI模型中第一到第三层以提供更多的信息并且简化用户系统的设计及维护。在分布式传感器网络系统中，一个网络节点应包括传36汽车协议及其应用汽车的发动机、变速器、车身与行驶系统、显示与诊断装置有大量的传感器。它们与微型计算机、存储器、执行元件一起组成电子控制系统。汽车协议及其应用37来自某一个传感器的信息和来自某一个系统的数据

能与多路复用的其他系统通信，

以减少传感器的数目和车辆需拥有的线路。该电子控制系统就是一个汽车传感器网络。来自某一个传感器的信息和来自某一个系统的数据38汽车传感器网络具有以下优点：〔1〕只要保证传感器输出具有重复再现性，并不要求输入输出线性化。可以通过微型计算机对信号进展修正计算来获得准确值。〔2〕传感器信号可以共享并可以加工。〔3〕能够从传感器信号间接获取其它信息。汽车传感器网络具有以下优点：39用于汽车传感器网络的汽车协议已经趋于标准化。其中SAEJ1850协议和CAN协议已形成标准。还有其他几个协议因为特定制造商的应用也同时存在。用于汽车传感器网络的汽车协议已经趋于标准化。401.SAEJ1850协议作为美国汽车制造商的标准协议，于1994年被批准实行，定义了应用层、数据链路层及物理层。信息传输速率为11.7Kb/s和10.4Kb/s两种。每帧仅包含一个信息，每帧的最大长度是101b(位)，帧内标头局部包含了信息的优先级、信息源、目标地址、信息格式和帧内信息的状况。1.SAEJ1850协议412.CAN协议是一种串行通信的协议，初衷是应用于汽车内部测量和执行部件之间的数据通信。现在主要用于汽车之外的离散控制领域中的过程监测和控制，特别是工业自动化的低层监控，解决控制与测试之间的可靠和实时的数据交换。原CAN规那么在1980年宣布，而CAN2.0〔修订版〕在1991年宣布。2.CAN协议42CAN是一种多用户协议，它允许任何网络节点在同一网络上与其他节点通信，传输速率范围为5Kb/s～1Mb/s。CAN利用载波监听、多路复用来解决多用户的信息冲突。CAN的物理传输介质包括屏蔽或非屏蔽的双绞线、单股线、光纤和耦合动力线。一些CAN用户已在进展射频传送的研制。CAN是一种多用户协议，它允许任何网络节点在同一433.其他汽车业协议汽车串行位通用接口系统〔A-bus〕。车辆局域网络〔VAN〕。时间触发协议〔TTP〕。汽车电子学操作系统OS标准。3.其他汽车业协议444.汽车协议应用实例基于分布式控制的航空发动机智能温度传感器构成如图11-6所示。包括上电自检测电路、热电偶信号处理电路、显示电路接口、DSP与CAN的接口电路、电源电路等几局部。4.汽车协议应用实例45上电自检测电路热电偶传感器电子模拟开关热电偶信号处理电路DSP显示电路接口CAN驱动器DC-DC开关电源电源总线CAN总线图11-6航空发动机智能温度传感器显示器控制系统上电热电偶电热电偶DSP显示CAN驱动器DC-DC电源总线C46分布式传感器网络的功能很容易在工厂自动化的应用中显示出来。工业网络协议比汽车网络协议有更多的提议和正在研发的标准。“现场总线〞是在自动化工业进程中的非专有双向数字通信标准。定义了ISO模型的应用层、数据链路层和物理层，并带有一些第四层的效劳内容。图11-7为一个现场总线控制系统构造。传感器技术及应用第3版第11章传感器网络课件47操作员工作站操作员工作站电源驱动自动控制器件工程师工作站监管系统传感器执行器传感器执行器传感器执行器高速现场总线低速现场总线高速现场总线图11-7现场总线控制系统操作员工作站操作员工作站电源驱动自动控制器件工程师工作站监管481.CAN协议的工业应用CAN协议通信网络由于更简单和更低本钱而获得开展，并作为了一种工业标准。2.LonTalkTM协议该协议定义了OSI模型中的所有七个层。其数据长度为256B(字节)，通信速率高达1.25Mb/s，具有冲突检测和优先级选择功能。1.CAN协议的工业应用493.其他工业协议〔1〕可寻址远程传感器通道HART〔2〕过程现场总线Profibus〔3〕TOPaz3.其他工业协议50办公室与楼宇自动化网络协议

如图11-8所示。在办公室和楼宇的各个需要的部位，节点传感器的传感信息随环境而变。将状态和信息通过网络传送给能够响应这种改变的节点。由节点执行器依据相关信息作出调整和动作。办公室与楼宇自动化网络协议51网管BACnet协议网络存储器办公系统节点设备系统节点安保系统节点消防系统节点通信系统节点执行器传感器传感器传感器传感器传感器执行器执行器执行器执行器图11-8楼宇自动化网络系统网BACnet存储器办公系统节点设备系统节点安保系统节点消防52例如

断开或关闭气阀、改变风扇速度、

花木喷灌、能源使用监视、

启动防火开关、启动报警、

故障自诊断、数据记录、

接通线路、传呼通信、

信号验证，等等。例如53计算机控制是智能化住宅工程的目标。用于家庭自动化网络接口的有：供暖、通风、空调系统、热水器、平安系统和照明，还有公用事业公司在家庭应用方面的远程抄表和用户设备管理。家庭自动化网络系统如图11-9所示。传感器技术及应用第3版第11章传感器网络课件54X-10传感器网络存储器计算机音响电视通信节点空调通风供暖节点安防呼叫报警节点电炊具热水器节点照明电器门磁节点分布在各房间、厨房、卫生间、门外、窗外的微波、红外、温度、湿度、气体传感器各设备执行器远程抄表设备管理有线电视电话小区网图11-9家庭自动化网络结构X-10存储器计算机音响电视通信节点空调通风供暖节点安防呼叫55

家庭自动化网络系统的信息传输速度有高有低，取决于连接到系统的设备，

信息数量的大小及通信协议的复杂程度都属于中等。家庭自动化网络协议有：1.X-10协议2.CEBus3.TonTalkTM

家庭自动化网络系统的信息传输速度有高有低，取决于5611.5无线传感器网络11.5无线传感器网络57无线传感器网络是由大量移动或静止传感器节点，通过无线通信方式组成的自组织网络。通过节点的温度、湿度、压力、振动、光照、气体等微型传感器的协作，实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息。由嵌入式系统对信息进展处理，用无线通信多跳中继将信息传送到用户终端。无线传感器网络是由大量移动或静止传感器节点，通58无线传感器网络由传感器节点、会聚节点、移动通信或卫星通信网、监控／管理中心、终端用户组成，如图11-10所示。传感器技术及应用第3版第11章传感器网络课件59图11-10典型的无线传感器网络结构

图11-10典型的无线传感器网络结构601.传感器节点通过各种微型传感器采集网络分布区域内的环境或监测对象的温度、湿度、压力、气体、光照等信息，由嵌入式系统对信息进展处理，还要对其他节点转发的数据进展存储、管理和融合，再以多跳转发的无线通信方式，把数据发送到会聚节点。1.传感器节点61传感器节点一般由传感器模块〔含模／数转换〕、处理器模块、存储器模块、无线通信模块、其他支持模块〔包括GPS定位、移动管理等〕、电源模块等组成，如图11-11所示。用大规模集成电路工艺制造，例如0.18μm工艺。传感器节点一般由62存储模块其他支持模块处理器模块无线通信模块传感器和模数变换模块电源模块被测量数据图11-11传感器节点结构

存储模块其他支持模块处理器模块无线通信模块传感器和模数变换模63无线通信频率为超高频频段，例如300～348MHz，400～464MHz，800～928MHz等频段。数据传输速率为100kbps上下。通常采用2节7号〔AAA〕电池或者纽扣电池供电，发射输出功率为mW量级。为了节能，传感器节点要在工作和休眠之间切换。无线通信频率为超高频频段，例如300～348M642.会聚节点会聚节点构造如图11-12所示。会聚节点具有相对较强的通信、存储和处理能力，对收集到的数据处理后，通过网关送入移动通信网、Internet网等传输网络，传送到信息监控管理中心，经处理后发送给终端用户。2.会聚节点65存储器模块处理器模块节点通信模块网络通信模块电源模块传感器模块传感器节点移动通信网

图11-12汇聚节点结构

存储器处理器节点通信模块网络通信模块电源模66会聚节点也可以通过网关将数据传送到效劳器，在效劳器上通过相关的应用软件分析处理后，发送给终端用户使用。既可以是一个增强功能的传感器节点，也可以是没有传感检测功能仅带无线通信接口的特殊网关设备。会聚节点也可以通过网关将数据传送到效劳器，在效673.监控管理中心监控管理中心对整个网络进展监测、管理。它通常为运行有网络管理软件的PC机或手持网络管理、效劳设备，也可以是网络运营部门的交换控制中心。3.监控管理中心684．终端用户为传感器节点采集的传感信息的最终接收和使用者，包括记录仪、显示器、计算机和控制器等设备，进展现场监测、数据记录、方案决策和操作控制。4．终端用户695．网络协议包括应用层、传输层、网络层、链路层和物理层等5层构造。应用层采用不同的软件，实现不同的应用；传输层对传输数据进展打包组合和输出流量控制；5．网络协议70网络层选择将传输层提供的数据传输到接收节点的路由；链路层将同步、纠错和地址信息参加，进展传输路径数据比特流量控制；物理层进展激活或休眠收发器管理，选择无线信道频率，生成比特流。网络层选择将传输层提供的数据传输到接收71无线传感器网络应用无线传感器网络在工农业生产、城市管理、医疗护理、环境监测、

抢险救灾、军事国防等方面有极大的实用价值。图11-13所示为美国缅因州大鸭岛生态环境检测无线传感器网络应用。

无线传感器网络应用72图11-13大鸭岛生态环境检测无线传感器网络

图11-13大鸭岛生态环境检测无线传感器网络73还被应用于矿井、核电厂等工业环境，实施平安监测；交通领域用于车辆和物流监控。图11-14所示为城市物流管理跟踪无线传感器网络应用。还被应用于矿井、核电厂等工业环境，实施平安监测74图11-14物流管理跟踪无线传感器网络

图11-14物流管理跟踪无线传感器网络7511.6实训11.6实训76传感器信号无线通信网络方案设计传感器信号无线通信传输系统如图11-15所示。用计算机摄像头或拍照手机通过Internet网或无线通信传输网给同学的计算机或手机发送自己的工作图像。

试设计、装配、调试一个简单的温度传感器无线通信网络。传感器信号无线通信网络方案设计77传感器传感器信号处理器信号处理器A/D转换器A/D转换器ROMCPURAMRAMCPUROM移动通信收发器移动通信收发器Internet网网关移动交换控制中心移动用户移动机站图11-15传感器移动通信网络

传传信信AAROMCPURAMRAMCPUROM移移Inte78图11-16为调频无线传声器电路，能拾取距离传声器5m以内的轻微讲话声，发射频率在88～108MHz范围内，有效发射距离50m左右。可用调频收音机接收，可用作教学无线传声器使用。传感器技术及应用第3版第11章传感器网络课件79图11-10调频无线传声器电路图11-10调频无线传声器电路801.在印制电路板或多功能线路板上装配该电路，检查各元件焊接可靠。2.对传声器讲话，用调频收音机搜索频率点进展接收。假设接收频率点有当地播送电台，可微微拨动电感线圈L1圈间距，微调振荡频率，将其避开。3.调整电阻R1阻值，使接收音量最大和最清晰。4.测量调频无线传声器有效发射位置、角度和距离。1.在印制电路板或多功能线路板上装配该电路，检查各元件焊接81第11章传感器网络

11.1传感器网络概述

11.2传感器网络信息交换体系

11.3OSI开放系统互连参考模型

11.4传感器网络通信协议

11.5无线传感器网络

11.6实训第11章传感器网络11.1传感8211.1传感器网络概述11.1传感器网络概述83通信技术和计算机技术的飞速开展，人类社会已经进入了网络时代。智能传感器的开发和大量使用，导致了在分布式控制系统中，对传感信息交换提出了许多新的要求。单独的传感器数据采集已经不能适应现代控制技术和检测技术的开展，取而代之的是分布式数据采集系统组成的传感器网络。通信技术和计算机技术的飞速开展，人类社会已经进84传感器1传感器2传感器3信号处理器信号处理器信号处理器计算机计算机计算机传输线执行器执行器执行器图11-1分布式传感器网络系统结构传感器1传感器2传感器3信号处理器信号处理器信号处理器计算机851.可以实施远程采集数据，并进展分类存储和应用。2.多个用户可同时对同一过程进展监控。3.凭借智能化软硬件，灵活调用网上各种计算机、仪器仪表和传感器各自的资源特性和潜力。4.区别不同的时空条件和仪器仪表、传感器的类别特征，测出临界值，作出不同的特征响应，完成各种形式、各种要求的任务。传感器技术及应用第3版第11章传感器网络课件86

专家们高度评价和推崇传感器网络，

把传感器网络同塑料、电子学、仿生人体器官一起，

看作是全球未来的四大高技术产业。预言它们将掀起新的产业浪潮。专家们高度评价和推崇传感器网络，87传感器网络可用于人类工作、生活、娱乐的各个方面，可用于办公室、工厂、家庭、住宅小区、机器人、汽车等多种领域。传感器技术及应用第3版第11章传感器网络课件88传感器网络的构造形式多种多样，可以是如图11-1所示全部互连形的分布式传感器网络系统。也可以是如图11-2所示的多个传感器计算机工作站和一台效劳器组成的主从构造传感器网络。可以是以太网或其他网络形式，总线连接可以是环形、星形、线形。传感器网络的构造形式多种多样，可以是如图11-89传感器1传感器n计算机n计算机1执行器执行器存储器服务器总线连接图11-2主从结构传感器网络传感器1传感器n计算机n计算机1执行器执行器存储器服务器总图90

传感器网络还可以是多个传感器和一台计算机或单片机组成的智能传感器，如图11-3所示。传感器网络还可以是多个传感器和一台计算机或单片机91亮度传感器烟雾传感器温度传感器声音传感器气压传感器按键接口电路数字信号处理接口单片机执行设备LCD显示设备图11-3传感器网络组成的智能传感器亮度传感器烟雾传感器温度传感器声音传感器气压传感器按键接口电92传感器网络可以组成个人网、局域网、城域网，甚至可以连上遍布全球的Internet互联网，如图11-4所示。假设将数量巨大的传感器参加互联网络，那么可以将互联网延伸到更多的人类活动领域。传感器网络可以组成个人网、局域网、城域网，甚至可93传感器1传感器n数字信号处理器A/D转换A/D转换数字信号处理器Internet网用户1用户n图11-4数量巨大的传感器加入Internet互联网络传感器1传感器n数字A/D转换A/D转换数字Internet94目前，传感器网络建立工作遇到的最大问题是传感器的供电电源问题。理想的情况是能保持几年不更换的高效能电池，或采用耗电少的传感器。值得关注的是，随着移动通信技术的开展，传感器网络也正朝着开发无线传感器网络的方向开展。目前，传感器网络建立工作遇到的最大问题是传感器的9511.2传感器网络信息交换体系11.2传感器网络信息交换体系96传感器网络系统信息交换体系涉及到：协议、总线、器件标准总线、复合传输、隐藏、数据链接控制。协议是传感器网络上各分布式系统之间进展信息交换而达成共识的一套规那么或约定。传感器网络系统信息交换体系涉及到：97对于一个给定的具体应用，在选择协议时，必须考虑传感器网络系统功能和使用硬件、软件与开发工具的能力。传感器网络上各分布式系统之间进展可靠的信息交换，最重要的是选择和制定协议。对于一个给定的具体应用，在选择协议时，必须考虑传98一个统一国际标准的协议

可以使各厂家都生产符合标准规定的产品，

不同厂家的传感器和仪器仪表可以互相代用，

不同的传感器网络可以互相连接，相互通信。一个统一国际标准的协议9911.3OSI开放系统互连参考模型11.3OSI开放系统互连参考模型100有好几个工业委员会和公司花费了大量精力去创造一种各个企业和机构可承受的协议。其中最重要的为国际标准化组织〔ISO〕定义了一种开放系统互连参考模型，即OSI参考模型。有好几个工业委员会和公司花费了大量精力去创造一101OSI参考模型规定了一个网络系统的框架构造，把网络从逻辑上分为七层。各层通信设备和功能模块分别为一个实体，相对独立，通过接口与其相邻层连接。传感器技术及应用第3版第11章传感器网络课件102相应协议也分七层，每一层都建立在下层之上，每一层的目的都是为上层提供一定的效劳，并对上层屏蔽效劳实现的细节。各层协议互相协作构成一个整体，称为协议簇或协议套。相应协议也分七层，103所谓开放系统互连，是指按这个标准设计和建成的计算机网络系统都可以互相连接。用户进程〔设备和文件〕经过OSI开放系统互连参考模型的七层模型标准操作后，进入光纤、电缆、电波等物理传输媒质，传输到对方。OSI的七层模型和标准如图11-5所示。所谓开放系统互连，是指按这个标准设计和建成的计104用户设备和文件第六层表示层数据表示形式转换及加密等规范第七层应用层应用程序间的通信步骤规范第五层会话层用户间会话的传输控制步骤规范第四层传输层数据传输的分组、异常回复规范第三层网络层虚拟的通信线路选择确定方式规范第二层链路层相同媒体间的数据传输规范第一层物理层线路上连接的设备电气特性规范光纤、电缆、电波等物理传输媒质

图11-5OSI的七层模型和规范

用户设备第六层表示层数据表示形式转换及加密等规范第七105发送用户数据信息进入第七层实体，经该层协议操作后，在其前面加上该层协议操作标头〔协议控制信息PCI〕，组成协议数据单元PDU。PDU进入下一层实体后称为效劳数据单元SDU。再经下一层协议操作，再加上下一层协议控制信息PCI，又组成下一层协议数据单元PDU。这样经一层一层实体的协议操作控制后，进入物理传输媒质〔光纤、电缆、自由空间等〕传输。发送用户数据信息进入第七层实体，经该层协议操作后106接收设备从物理传输媒质上接收到协议数据单元PDU。第一层功能模块根据标头信息〔协议控制信息PCI〕，对协议数据单元PDU进展数据恢复，并去掉标头信息，交第二层实体。第二层实体根据本层标头信息〔PCI〕，对协议数据单元PDU进展数据恢复，并去掉本层标头信息，再交上一层实体。这样经一层一层实体数据恢复后，第七层将发送用户数据信息复原。接收用户从第七层获得发送用户数据信息。接收设备从物理传输媒质上接收到协议数据单元PDU1071．物理层〔1〕规定二进制“位〞比特流信号在线路上的码型；〔2〕规定二进制“位〞比特流信号在线路上的电平值；〔3〕当建立、维护与其它设备的物理连接时，规定需要的机械、电气功能特性和规程特性。传感器技术及应用第3版第11章传感器网络课件1082．数据链路层〔1〕将传输的数据比特流加上同步信息、校验信息和地址信息封装成数据帧；〔2〕数据帧传输顺序的控制；〔3〕数据比特流过失检测与控制；〔4〕数据比特流传输流量控制。2．数据链路层1093．网络层〔1〕通过路径选择将信息分包从最适宜的路径由发送端传送到接收端；〔2〕防止信息流过大造成网络阻塞；〔3〕信息传输收费记帐功能；〔4〕由多个子网组成网络的建立和管理；〔5〕与其他网络连接的建立和管理。3．网络层1104．传输层〔1〕分割和重组报文，进展打包；〔2〕提供可靠的端到端的效劳；〔3〕传输层的流量控制；〔4〕提供面向连接的和无连接数据的传输效劳。4．传输层1115．会话层〔1〕使用远程地址建立用户连接；〔2〕允许用户在设备之间建立、维持和终止会话；〔3〕管理会话。5．会话层1126．表示层〔1〕数据编码格式转换；〔2〕数据压缩与解压；〔3〕建立数据交换格式；〔4〕数据的平安与保密；〔5〕其它特殊效劳。6．表示层1137．应用层〔1〕作为用户应用程序与网络间的接口；〔2〕使用户的应用程序能够与网络进展交互式联系。7．应用层114很多情况下的网络节点并不一定要提供全部七层功能，可根据业务规格决定网络构造。例如传感器网络通常提供第一层到第三层功能。无线传感器网络通常包括应用层、传输层、网络层、链路层和物理层等5层构造。很多情况下的网络节点并不一定要提供全部七层功能11511.4传感器网络通信协议11.4传感器网络通信协议116在分布式传感器网络系统中，一个网络节点应包括传感器〔或执行器〕、本地硬件和网络接口。传感器用一个并行总线提供数据包从不同的发送者到不同的接收者间传送。一个高水平的传感器网络使用OSI模型中第一到第三层以提供更多的信息并且简化用户系统的设计及维护。在分布式传感器网络系统中，一个网络节点应包括传117汽车协议及其应用汽车的发动机、变速器、车身与行驶系统、显示与诊断装置有大量的传感器。它们与微型计算机、存储器、执行元件一起组成电子控制系统。汽车协议及其应用118来自某一个传感器的信息和来自某一个系统的数据

能与多路复用的其他系统通信，

以减少传感器的数目和车辆需拥有的线路。该电子控制系统就是一个汽车传感器网络。来自某一个传感器的信息和来自某一个系统的数据119汽车传感器网络具有以下优点：〔1〕只要保证传感器输出具有重复再现性，并不要求输入输出线性化。可以通过微型计算机对信号进展修正计算来获得准确值。〔2〕传感器信号可以共享并可以加工。〔3〕能够从传感器信号间接获取其它信息。汽车传感器网络具有以下优点：120用于汽车传感器网络的汽车协议已经趋于标准化。其中SAEJ1850协议和CAN协议已形成标准。还有其他几个协议因为特定制造商的应用也同时存在。用于汽车传感器网络的汽车协议已经趋于标准化。1211.SAEJ1850协议作为美国汽车制造商的标准协议，于1994年被批准实行，定义了应用层、数据链路层及物理层。信息传输速率为11.7Kb/s和10.4Kb/s两种。每帧仅包含一个信息，每帧的最大长度是101b(位)，帧内标头局部包含了信息的优先级、信息源、目标地址、信息格式和帧内信息的状况。1.SAEJ1850协议1222.CAN协议是一种串行通信的协议，初衷是应用于汽车内部测量和执行部件之间的数据通信。现在主要用于汽车之外的离散控制领域中的过程监测和控制，特别是工业自动化的低层监控，解决控制与测试之间的可靠和实时的数据交换。原CAN规那么在1980年宣布，而CAN2.0〔修订版〕在1991年宣布。2.CAN协议123CAN是一种多用户协议，它允许任何网络节点在同一网络上与其他节点通信，传输速率范围为5Kb/s～1Mb/s。CAN利用载波监听、多路复用来解决多用户的信息冲突。CAN的物理传输介质包括屏蔽或非屏蔽的双绞线、单股线、光纤和耦合动力线。一些CAN用户已在进展射频传送的研制。CAN是一种多用户协议，它允许任何网络节点在同一1243.其他汽车业协议汽车串行位通用接口系统〔A-bus〕。车辆局域网络〔VAN〕。时间触发协议〔TTP〕。汽车电子学操作系统OS标准。3.其他汽车业协议1254.汽车协议应用实例基于分布式控制的航空发动机智能温度传感器构成如图11-6所示。包括上电自检测电路、热电偶信号处理电路、显示电路接口、DSP与CAN的接口电路、电源电路等几局部。4.汽车协议应用实例126上电自检测电路热电偶传感器电子模拟开关热电偶信号处理电路DSP显示电路接口CAN驱动器DC-DC开关电源电源总线CAN总线图11-6航空发动机智能温度传感器显示器控制系统上电热电偶电热电偶DSP显示CAN驱动器DC-DC电源总线C127分布式传感器网络的功能很容易在工厂自动化的应用中显示出来。工业网络协议比汽车网络协议有更多的提议和正在研发的标准。“现场总线〞是在自动化工业进程中的非专有双向数字通信标准。定义了ISO模型的应用层、数据链路层和物理层，并带有一些第四层的效劳内容。图11-7为一个现场总线控制系统构造。传感器技术及应用第3版第11章传感器网络课件128操作员工作站操作员工作站电源驱动自动控制器件工程师工作站监管系统传感器执行器传感器执行器传感器执行器高速现场总线低速现场总线高速现场总线图11-7现场总线控制系统操作员工作站操作员工作站电源驱动自动控制器件工程师工作站监管1291.CAN协议的工业应用CAN协议通信网络由于更简单和更低本钱而获得开展，并作为了一种工业标准。2.LonTalkTM协议该协议定义了OSI模型中的所有七个层。其数据长度为256B(字节)，通信速率高达1.25Mb/s，具有冲突检测和优先级选择功能。1.CAN协议的工业应用1303.其他工业协议〔1〕可寻址远程传感器通道HART〔2〕过程现场总线Profibus〔3〕TOPaz3.其他工业协议131办公室与楼宇自动化网络协议

如图11-8所示。在办公室和楼宇的各个需要的部位，节点传感器的传感信息随环境而变。将状态和信息通过网络传送给能够响应这种改变的节点。由节点执行器依据相关信息作出调整和动作。办公室与楼宇自动化网络协议132网管BACnet协议网络存储器办公系统节点设备系统节点安保系统节点消防系统节点通信系统节点执行器传感器传感器传感器传感器传感器执行器执行器执行器执行器图11-8楼宇自动化网络系统网BACnet存储器办公系统节点设备系统节点安保系统节点消防133例如

断开或关闭气阀、改变风扇速度、

花木喷灌、能源使用监视、

启动防火开关、启动报警、

故障自诊断、数据记录、

接通线路、传呼通信、

信号验证，等等。例如134计算机控制是智能化住宅工程的目标。用于家庭自动化网络接口的有：供暖、通风、空调系统、热水器、平安系统和照明，还有公用事业公司在家庭应用方面的远程抄表和用户设备管理。家庭自动化网络系统如图11-9所示。传感器技术及应用第3版第11章传感器网络课件135X-10传感器网络存储器计算机音响电视通信节点空调通风供暖节点安防呼叫报警节点电炊具热水器节点照明电器门磁节点分布在各房间、厨房、卫生间、门外、窗外的微波、红外、温度、湿度、气体传感器各设备执行器远程抄表设备管理有线电视电话小区网图11-9家庭自动化网络结构X-10存储器计算机音响电视通信节点空调通风供暖节点安防呼叫136

家庭自动化网络系统的信息传输速度有高有低，取决于连接到系统的设备，

信息数量的大小及通信协议的复杂程度都属于中等。家庭自动化网络协议有：1.X-10协议2.CEBus3.TonTalkTM

家庭自动化网络系统的信息传输速度有高有低，取决于13711.5无线传感器网络11.5无线传感器网络138无线传感器网络是由大量移动或静止传感器节点，通过无线通信方式组成的自组织网络。通过节点的温度、湿度、压力、振动、光照、气体等微型传感器的协作，实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息。由嵌入式系统对信息进展处理，用无线通信多跳中继将信息传送到用户终端。无线传感器网络是由大量移动或静止传感器节点，通139无线传感器网络由传感器节点、会聚节点、移动通信或卫星通信网、监控／管理中心、终端用户组成，如图11-10所示。传感器技术及应用第3版第11章传感器网络课件140图11-10典型的无线传感器网络结构

图11-10典型的无线传感器网络结构1411.传感器节点通过各种微型传感器采集网络分布区域内的环境或监测对象的温度、湿度、压力、气体、光照等信息，由嵌入式系统对信息进展处理，还要对其他节点转发的数据进展存储、管理和融合，再以多跳转发的无线通信方式，把数据发送到会聚节点。1.传感器节点142传感器节点一般由传感器模块〔含模／数转换〕、处理器模块、存储器模块、无线通信模块、其他支持模块〔包括GPS定位、移动管理等〕、电源模块等组成，如图11-11所示。用大规模集成电路工艺制造，例如0.18μm工艺。传感器节点一般由143存储模块其他支持模块处理器模块无线通信模块传感器和模数变换模块电源模块被测量数据图11-11传感器节点结构

存储模块其他支持模块处理器模块无线通信模块传感器和模数变换模144无线通信频率为超高频频段，例如300～348MHz，400～464MHz，