传感器第二章传感网络课件

第二章 传感网络定义：由多个传感器构成，用于输出大范围空间中多点、多参量传感信号的网络。传感网络的种类：工业网络无线传感网络物联网

RS-485/RS-422总线电气特性工作模式差分传输（平衡传输）允许的收发器数目32（受芯片驱动能力限制）最大电缆长度4000英尺（1219米）最高数据速率10Mbps最小驱动输出电压范围±1.5V最大驱动输出电压范围±5V最大输出短路电流250mA最大输入电流1.0mA/12Vin～0.8mA/-7Vin驱动器输出阻抗54欧输入端电容≤50pF接收器输入灵敏度±200mV接收器最小输入阻抗12k接收器输入电压范围-7V～+12V接收器输出逻辑高>200mV接收器输出逻辑低<200mV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⑴基金会现场总线⑵LonWorks⑶PROFIBUS⑷CAN⑸HART2.1.1无线传感器网络物理层无线协议方案

⑴IEEE802.11x⑵IEEE802.1.1和IEEE802.1.2⑶IEEE802.15标准：IEEE802.15.4（ZigBee）IEEE802.15.1（蓝牙）IEEE802.15.3（超宽带）⑴IEEE802.11x协议频段（GHz）传输速率(Mbit/s)传输距离代表性产品IEEE802.11a5.854

10～100mIEEE802.11b2.41130～50mIEEE802.11b+22

IEEE802.11g2.454/11

IEEE802.11n540IEEE802.16a27050km⑵IEEE802.1.1和IEEE802.1.2协议频段（GHz）传输速率(Mbit/s)传输距离(m)IEEE802.1.12.4110IEEE802.1.22.4110IEEE802.15.4具有三个工作频段，分别为：⑴868MHz，欧洲的ISM（Industrial，ScientificandMedical）频段；⑵915MHz，美国的ISM频段；⑶2.4GHz，全球统一的无需申请的ISM频段。2.2.2传输网络无线技术标准频段传输速率(kbit/s)传输距离/m功耗短波GJB2826—97MIL-STD-188-110X3～30MHz3～19.2Kbit/s1000公里超短波30～300MHz3～19.2Kbit/s60公里无线网桥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⑵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。超短波电台

⑴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⑵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。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。

油井数传

4.ZIGBEEZigBee是一种无线连接,可工作在2.4GHz(全球流行)、868MHz(欧洲流行)和915MHz(美国流行)3个频段上,分别具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的传输速率,它的传输距离在10-75m的范围内,但可以继续增加ZigBee特点

(1)低功耗:由于ZigBee的传输速率低,发射功率仅为1mW,而且采用了休眠模式,功耗低,因此ZigBee设备非常省电。据估算,ZigBee设备仅靠两节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间,这是其它无线设备望尘莫及的。(2)成本低:ZigBee模块的初始成本在6美元左右,估计很快就能降到1.5—2.5美元,并且ZigBee协议是免专利费的。低成本对于ZigBee也是一个关键的因素。(3)时延短:通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短,典型的搜索设备时延30ms,休眠激活的时延是15ms,活动设备信道接入的时延为15ms。因此ZigBee技术适用于对时延要求苛刻的无线控制(如工业控制场合等)应用。(4)网络容量大:一个星型结构的Zigbee网络最多可以容纳254个从设备和一个主设备,一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络,而且网络组成灵活。(5)可靠:采取了碰撞避免策略,同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙,避开了发送数据的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输模式,每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。如果传输过程中出现问题可以进行重发。(6)安全:ZigBee提供了基于循环冗余校验(CRC)的数据包完整性检查功能,支持鉴权和认证,采用了AES-128的加密算法,各个应用可以灵活确定其安全属性。Zigbee成果

5.GPRSGPRS经常被描述成“2.5G”，也就是说这项技术位于第二代（2G）和第三代（3G）移动通讯技术之间。它通过利用GSM网络中未使用的TDMA信道，提供中速的数据传递。GPRS突破了GSM网只能提供电路交换的思维方式，只通过增加相应的功能实体和对现有的基站系统进行部分改造来实现分组交换，这种改造的投入相对来说并不大，但得到的用户数据速率却相当可观。GSM/GPRS数据传输模块

2.2.3无线传感器网络2.4.1无线传感器网络构成(WSN)无线传感器网络简称WSN（wirelesssensornetwork），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

2.2.4无线传感器节点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

节点名称处理器（公司）无线芯片（技术）电池类型发布日期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.传感器单元2.处理器单元⑴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(1MHz)，从休眠至正常工作整个唤醒过程仅需6us。⑵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。⑶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

厂商芯片型号RAM容量/KBFlash容量/KB正常工作电流/mA睡眠模式下的电流/uAAtmelMega10341285.51Mega1284128820Mega165/325/6454642.52MicrochipPIC16LF87x0.36821Intel80518位

Classis0.532305805116位1164510Philips80C5116位260153MotorolaHC050.5326.690HC082328100HCS084606.51TIMSP430F14x16位2601.51MSP430F16x16位104821AtmelAT91ARMThumb256102438160IntelXScalePXA27X256N/A39574SamsungS3C44B08N/A605表

应用于无线传感网络的无线通信技术3.通信单元无线技术频率距离/m功耗传输速率/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常见电池的性能参数

4.电源及电源管理单元电池类型铅酸镍铬镍氢锂离子聚合物锂锰银锌重量能量比/（W•h•kg－1）354150～80120～160140～180330－体积能量比/（W•h•L－1）80120100～200200～280﹥3205501150循环寿命/次3005008001000100011工作温度/℃－20～6020～6020～600～600～60－20～6020～60记忆效应无有小很小无无无内阻30～807～1918～3580～10080～100－－毒性有有轻毒轻毒轻毒无有价格低低中高最高高中可充电是是是是是否否2.2.3无线传感器网络特点自组织低功耗节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2.3无线传感器网与物联网