第3讲 物联网传输层技术

物联网概论第3章物联网传输层技术主讲胡成全物联网概论23.3协议与标准3.2无线通信传输层3.1有线通信传输层教学内容3.3.1IEEE802.15.4（ZigBee）3.3.2IEEE802.11b（WiFi）3.3.3IEEE802.16（WiMAX）3.3.4ISO（Bluetooth）3.2.1长距离无线通信3.2.2短距离无线通信3.1.1三网融合3.1.2现场总线物联网概论第3章物联网传输层传输层主要分：有线通信无线通信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。例如，工业化和信息化“两化融合”业务中大部分还是有线通信，智能楼宇等领域也还是以有线通信为主。有线通信将来会成为物联网产业发展的主要支撑，但无线通信技术也是不可或缺的。3物联网概论3.1有线通信传输层有线通信技术可分为：中、长距离（WAN）的广域网络（包括PSTN、ADSL和HFC数字电视Cable等）短距离的现场总线（FieldBus，也包括PLC电力线载波等技术）4物联网概论3.1.1三网融合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。还有一些和这三大网络规模相当的未公开的覆盖全国的专网，如公安系统的专网，据说国家电网的专网比有线电视网规模还要大。三网融合是指电信网、计算机网和有线电视网三大网络通过技术改造，能够提供包括语音、数据、图像等综合多媒体的通信业务。5物联网概论3.1.1三网融合——基本概述三网融合是一种广义的、社会化的说法，在现阶段它并不意味着电信网、计算机网和有线电视网三大网络的物理合一，而主要是指高层业务应用的融合。其表现为技术上趋向一致，网络层上可以实现互联互通，形成无缝覆盖，业务层上互相渗透和交叉，应用层上趋向使用统一的IP协议，在经营上互相竞争、互相合作，朝着向人类提供多样化、多媒体化、个性化服务的同一目标逐渐交汇在一起，行业管制和政策方面也逐渐趋向统一。三大网络通过技术改造，能够提供包括语音、数据、图像等综合多媒体的通信业务。这就是所谓的三网融合。6物联网概论3.1.1三网融合——结合点三网融合，在概念上从不同角度和层次上分析，可以涉及到技术融合、业务融合、行业融合、终端融合及网络融合。目前更主要的是应用层次上互相使用统一的通信协议。IP优化光网络就是新一代电信网的基础，是我们所说的三网融合的结合点。数字技术的迅速发展和全面采用，使电话、数据和图像信号都可以通过统一的编码进行传输和交换，所有业务在网络中都将成为统一的“0”或“1”的比特流。光通信技术的发展，为综合传送各种业务信息提供了必要的带宽和传输高质量，成为三网业务的理想平台。软件技术的发展使得三大网络及其终端都通过软件变更，最终支持各种用户所需的特性、功能和业务。最重要的是统一的TCP/IP协议的普遍采用，将使得各种以IP为基础的业务都能在不同的网上实现互通。人类首次具有统一的为三大网都能接受的通信协议，从技术上为三网融合奠定了最坚实的基础。7物联网概论3.1.1三网融合——发展如果按传统的办法处理三网融合将是一个长期而艰巨的过程，如何绕过传统的三网来达到融合的目的，那就是寻找通信体制革命的这条路，我们必须把握技术的发展趋势，结合我国实际情况，选择我们自己的发展道路。我们的实际情况是数据通信与发达国家相比起步晚，传统的数据通信业务规模不大，比起发达国家的多协议、多业务的包袱要小得多，因此，可以尽快转向以IP为基础的新体制，在光缆上采用IP优化光网络，建设宽带IP网，加速我国Internet网的发展，使之与我国传统的通信网长期并存，既节省开支又充分利用现有的网络资源。2010年1月13日国务院总理温家宝主持召开国务院常务会议，决定加快推进电信网、广播电视网和互联网三网融合。8物联网概论3.1.1三网融合有线广域网在物联网应用中的一个劣势就是众所周知的IP地址不够的问题，在IPv6未全面实施之前，这个问题将制约有线网在物联网业务中的使用。而无线广域网可以通过发SIM卡（电话ID号码）的方式解决每个智能物件对应一个ID（号码）的问题。尽管如此，中国电信、歌华有线等以有线网络为主的营运商也都有宏大的物联网业务计划，例如在智能家庭网关（HomeGateway）领域，歌华有线凭借机顶盒的部署基础占据一定优势。9物联网概论3.1.2现场总线FieldBus10物联网概论概念IEC61158标准定义,现场总线是指安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间数字式、串行、多点通信的数据总线.总线上的数据输入设备包括按钮、传感器、接触器、变送器、阀门等，传输其位置状态、参数值等数据；总线上的输出数据用于驱动信号灯、接触器、开关、阀门等；11物联网概论总线将分散的有通信能力的测量控制设备作为网络节点，连接成能相互沟通信息，共同完成自控任务的控制网络物联网概论产生的背景在计算机数据传输中，长期使用低数据速率和点对点的数据传输标准。在工业控制或生产自动化领域中使用大量的传感器、执行器和控制器，若采用星形拓扑结构，安装成本和介质造价高。采用流行的LAN组件和环形、总线型拓扑结构，其硬件和软件对应的系统造价高。需要设计一种造价低、而又能经受工业现场环境的通信系统。物联网概论减少了接线与安装物联网概论现场总线控制系统FCS是建立在现场总线技术基础上的网络结构扁平化，具有开放性、可互操作性、常规控制功能彻底分散、有统一的控制策略组态方法的新一代的分散型控制系统。物联网概论技术特点①开放性。现场总线的开放性有几层含义。一是指相关标准的一致性和公开性。一致开放的标准有利于不同厂家设备之间的互连与替换。二是系统集成的透明性和开放性，用户进行系统设计、集成和重构的能力大大提高。三是产品竞争的公正性和公开性，用户可按自己的需要和评价，选用不同供应商的产品组成大小随意的系统。②交互性。现场总线设备的交互性有几层含义。一是指上层网络与现场设备之间具有相互沟通的能力。二是指现场设备之间具有相互沟通能力，也就是具有互操作性。三是指不同厂家的同类设备可以相互替换，也就是具有互换性16物联网概论技术特点③自治性。由于智能仪表将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能下载到现场设备中完成，因此一台单独的现场设备即具有自动控制的基本功能，可以随时诊断自己的运行状况，实现功能的自治。④适应性。安装在工业生产第一线的现场总线是专为恶劣环境而设计的，对现场环境具有很强的适应性。具有防电、防磁、防潮和较强的抗干扰能力，可满足本质安全防爆要求，可支持多种通信介质，如双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等。物联网概论现场总线与其他通信技术的区别现场总线与RS232、RS485RS232、RS485只能代表通信的物理介质层和链路层，如果实现数据的双向访问，就必须自己编写通信应用和程序现场总线技术是以ISO/OSI模型为基础的，具有完整的软件支持。现场总线与计算机网络现场总线是一种传输速率低、实时控制网络。短帧传送，实时性强，可靠性高，安全性好，适应工业应用环境。计算机网络是一种实时性不高、高速信息网络。物联网概论现场总线协议参考模型为使不同厂家的智能仪表接入统一系统进行互连操作，国际标准化组织ISO于1978年建立了一个“开放系统互连”的技术委员会。起草了“开放系统互连基本参考模型”（OpenSystemInterconnection）的建议草案。1983年正式成为国际标准（ISO7498）。1986年又对该标准进行了进一步的完善和补充。物联网概论OSI参考模型物联网概论现场总线系统是企业的底层网络局域网NT服务器Internet监控工作站其它工作站现场总线接口差压变送器调节阀差压变送器差压变送器温度变送器企业管理层（数据网络）过程监控层（数据网络）现场控制层（控制网络）现场总线网段物联网概论发展历史1984年美国Inter公司提出一种计算机分布式控制系统-位总线（BITBUS）80年代中期，美国Rosemount公司开发了一种可寻址的远程传感器（HART）通信协议1985年由Honeywell和Bailey等大公司发起，成立了WorldFIP制定了FIP协议。1987年，以Siemens，Rosemount，横河等几家著名公司为首也成立了一个专门委员会互操作系统协议（ISP）并制定了PROFIBUS协议。后来美国仪器仪表学会也制定了现场总线标准IEC/ISASP50。两个现场总线集团：ISP集团、WorldFIP集团。1994年，两大集团宣布合并，融合成现场总线基金会（FieldbusFoundation）简称FF。22物联网概论现场总线组织现场总线基金会（FieldbusFoundation）LonMark协会,Profibus协会，工业以太网协会IEA（IndustrialEthernetAssociation），工业自动化开放网络联盟IAONA（IndustrialAutomationOpenNetworkAlliance）SocietyofAutomotiveEngineers（SAE）物联网概论现场总线标准制定现场总线标准的国际标准化组织IECISOIEC/TC65负责测量和控制系统数据通信国际标准化工作的SC65C/WG6，是最先开始现场总线标准化工作的组织。2000年初宣布，IEC现场总线国际标准子集有八种：IEC61158；ControlNet；Profibus；P-Net；HighSpeedEthernet；NewcomerSwiftNet；WorldFIP；Interbus-S最早成为国际标准的是CAN，它属于ISO标准：ISO11898物联网概论技术优点节省硬件数量与投资节省安装费用节省维护开销用户具有高度的系统集成主动权系统的实时性与可靠性25快速实时响应能力的要求•传输速率不高于1Mbps•响应时间为0.01－0.5s•具有处理随机事件的能力•硬件严格筛选；•软件简单易用；•在线快速排除故障；•独立的局部数据库；•容错技术和冗余技术物联网概论网络拓扑结构环形拓扑结构星形拓扑结构总线型拓扑结构树型拓扑结构26物联网概论现场总线的分类目前国际上有40多种现场总线，但没有任何一种现场总线能覆盖所有的应用面，按其传输数据的大小可分为4类：传感器总线：信息量小、响应快、位传输设备总线：可靠性高、响应快、字节传输控制总线：信息量大、可靠性高、信息传输信息总线：信息量大、集成度高、文件传输27物联网概论物联网概论常用现场总线现场总线是FCS的核心。目前，世界上出现了多种现场总线的企业或国家标准。这些现场总线技术各具特点，已经逐渐形成自己的产品系列，并占有相当大的市场份额。由于技术和商业利益的原因，尚没有统一。以下就是目前流行的几种著名的现场总线。物联网概论CANCAN（ControlAreaNetwork，ISO11898），由德国Bosch公司推出、最早用于汽车内部监测部件与控制部件的数据通信网络。现在已经逐步应用到其它控制领域。CAN协议采用了OSI底层的物理层、数据链路层和高层的应用层，信号传输介质为双绞线。最高通信速率为1Mbps（通信距离40m），最远通信距离可达10km（通信速率为5kbps），节点总数可达110个。CAN的信号传输采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8个，因而传输的时间短，受干扰的概率低，每帧信息均采用循环冗余校验CRC，通信误码率极低。CAN节点在错误严重的情况下，具有自动关闭总线的功能，这时故障节点与总线脱离，使其它节点的通信不受影响。30物联网概论LonWorksLonWorks（LocalOperatingNetwork的缩写）。由美国Echelon公司研制、1990年正式公布。采用了ISO/OSI模型中完整的七层通信协议，其最高通信速率为1.25mbps（通信距离不超过130m），最远通信距离为27km（通信速率为78kbps），节点总数可达32