YSQ第5章数字通信技术

1,1,1,本章内容,第5章数据通信技术,串行通信技术,2,2,2,5.1概述,在串行通信中，将传输的数据分解成二进制位，用一条信号线将多个二进制数据位按一定的顺序逐位地由发送端传到接收端，连线数量少、成本低。为了可靠传送数据，收、发双方必须事先约定发送和接收数据的速率、传输数据的格式、收发出错时的处理方式等。根据数据的传送方向和发送接收是否能同时进行，将数据的传送方式分为单工方式、半双工方式和全双工方式。,3,3,串行通信格式方式：,同步传输：以数据块为单位异步传输：以字符为单位,4,4,4,为方便各种仪器之间的通信，一般采用标准通信接口。本章介绍智能仪器较常用的标准总线，主要有I2C总线、SPI串行外设接口、RS-232、RS-485串行接口、USB通用串行总线和无线通信等。,5.2标准串行通信接口,5,5.2.1通用异步接收、发送器UART,在嵌入式处理器内部通常具有UART，其功能是将并行信号转换成为串行输出信号。UART是全双工、单极性串行通信接口。基本任务如下：实现数据格式化。异步方式下接口自动生成起、止位的帧数据格式。在面向字符的同步方式下，接口要在待发送的数据块前加上同步字符。控制数据传输速度，即对波特率进行选择控制。微控制器中的UART传送数据的速度范围为每秒几百位到1.5Mb。在发送时自动生成奇偶校验或其他校验码。在接收时，检查字符的奇偶校验确定是否发生传输错误。,在嵌入式处理器内部通常具有UART，其功能是将并行信号转换成为串行输出信号。UART是全双工、单极性串行通信接口。基本任务如下：实现数据格式化。异步方式下接口自动生成起、止位的帧数据格式。在面向字符的同步方式下，接口要在待发送的数据块前加上同步字符。控制数据传输速度，即对波特率进行选择控制。微控制器中的UART传送数据的速度范围为每秒几百位到1.5Mb。在发送时自动生成奇偶校验或其他校验码。在接收时，检查字符的奇偶校验确定是否发生传输错误。,6,6,6,通用异步接收、发送器UART,UART输出的是TTL电平信号，按字节传输数据。使用信号线TxD发送信号，使用信号线RxD接收信号。UART其数据帧格式如下：0b0b1b2b6b7p1起始位低位高位校验停止位数据位（0/1）,7,7,例如：S3C2410处理器内部UART设计S3C2410的UART有三个独立的异步串行I/O端口：UART0、UART1、UART2，每个串口都可以在中断和DMA两种模式下进行收发。支持的最高波特率达230.4kbps。每个UART包含：波特率发生器、接收器、发送器和控制单元。波特率发生器以PCLK或UCLK为时钟源。发送器和接收器各包含1个16字节的FIFO寄存器和移位寄存器。3个UART都遵从1.0规范的红外传输功能，UART0、UART1有完整的握手信号，可以连接MODEM。当发送数据的时候，数据先写到FIFO然后拷贝到发送移位寄存器，然后从数据输出端口（TxDn）依次被移位输出。被接收的数据也同样从接收端口（RxDn）移位输入到移位寄存器，然后拷贝到FIFO中。,8,8,8,5.2.2RS-232串行通信,RS-232是美国电子工业学会（EIA）制定的全双工串行通信标准。用于连接DTE（数据终端设备）和DCE(数据通信设备)两种设备。规定包括以下三个方面：机械特性：分为9针或者25针两种，D型插件；电气信号特性：负载电容不超过2500P，负载电阻在3K7K欧姆之间，电压在-3V-15V和+3V+15V之间；数据传输模式：允许全双工、半双工和单工方式。在实际的应用中，通信距离一般在几十米内，通信速率较低。支持同步通信、异步通信串行通信方式。,9,9,9,RS-232标准串口管脚分配图,25个功能引脚仅定义了22个，22个信号分成两个信道组：主信道组（第一信道）和辅信道组（第二信道）。,10,10,10,RS-232串行接口管脚定义,11,11,11,如果要将UART连接成为RS-232接口，可以采用了一块SP3243或MAX3223芯片用于电平的转换。将微处理器中的逻辑1信号变成-3V-15V，将微处理器中的逻辑0信号变成+3V+15V电平进行通信。尽管RS232C接口标准应用广泛，但由于出现较早，存在以下不足：（1）接口信号电平值较高，易损坏接口电路芯片，且与TTL电平不兼容，需使用电平转换电路才能与TTL电路连接。（2）采用单端驱动、单端接收的单端双极性电路标准，一条线路传输一种信号。,UART扩展为RS-232串行接口方式,12,12,12,发送器和接收器之间具有公共信号地，传输距离较长时会在传输电缆上产生较大压降损耗，在干扰较大时通信可能无法进行，故通信速度和距离不可能较高。（3）传输速率较低，在异步传输时，波特率最大为19200bps。（4）传输距离有限，最大传输距离只有30米左右。,13,13,13,RS232接口通信连接示意图,14,14,14,5.2.3通用串行总线USB,USB（UniverSerialBus）是由Intel、Compaq及Microsoft等公司联合提出的一种新的串行总线标准，主要用于PC机与外围设备的互联。1996年2月发布版本1.0，2000年4月发布版本2.0。USB采用单极性、差分、不归零NRZI编码，支持半双工串行数据传输。目前，嵌入式系统的USB接口有两种实现方法，其一是处理器自带USB接口控制器，如S3C2410。二是处理器不含有USB接口控制器，需要外接专用的USB接口芯片。,15,15,15,1、USB的主要特点,(1)支持即插即用：允许外设在主机和其他外设工作是进行连接配置，无需手动设置地址、中断。支持热插拔，设备不需重新启动便可以工作；(2)传输速率高:支持三种设备传输速率：USB1.1的速度为1.5Mb/s和12Mb/s；USB2.0实现高达480Mb/s的传输率。在USB2.0定义了一个与USB1.1相兼容的框架，它可以用USB2.0的驱动程序驱动USB1.1的设备。数据传输速度为：低速1.5Mb/s，全速12Mb/s，高速480Mb/s。USB接口标准统一，使用一个4针插头作为标准。,16,16,(3)连接方便、易于扩展:通过串行或者使用集线器Hub连接127个USB设备。(4)独立供电:USB接口提供了内置电源。不同设备之间基本可以共享接口电缆。在每个端口都可检测终端是否连接或分离，并能区分出高速或低速设备。按照USB协议，在USB主机与USB设备之间进行的一系列“问答”过程。从而主机知道了设备的情况以及该如何与设备通讯，并为设备设置一个唯一的地址。对于标准USB设备，需要编写专门的驱动程序来实现对USB设备的操作。,17,17,17,2、USB接口组成USB芯片及协议程序；控制器；控制器程序；USB设备驱动程序；USB设备。,18,18,18,（1）同步传输：设备与主机同步，速度高，一次传输，不确保无错误。如用于声音、视频传输。（2）中断传输：实时性强，应用于数据量少、分散、不可预测的数据传输中。如键盘、鼠标、游戏杆操作。（3）批量传输：应用于大量数据传输，保证传输数据正确无误。但对数据的实效性要求不高。如打印机、扫描仪等。（4）控制传输：传输是命令和状态信号，主要用于主机对USB设备进行配置、控制、查询状态等。该方式数据量小、实效性要求也不高。,3、信息传输方式（4种）,19,19,19,4、USB接口电路的种类,在嵌入式系统中一般要扩展出主和从两个USB接口。其中HOST（主）USB接口可选用Cypress公司的SL811芯片，要做Device（设备或从）USB接口则可选用Philips公司的PDIUSBD12芯片。其DeviceUSB接口可与PC机上的USB连接进行程序下载通信等功能。HOST（主）USB接口可连接诸如U盘的外部设备进行通信和存储。,20,20,USB主、从两种接口电路原理图,21,5.2.4内部集成电路总线I2C,I2C总线(Inter-IC,内部集成电路总线）是飞利浦公司开发,它是一种常用于将微处理器连接到系统的一种双向二进制同步串行总线。I2C总线是采用同步通信的一种特殊形式，具有接口线少，控制方式简化，器件封装形式小，通信速率较高等优点。在主从通信中，可以有多个I2C总线器件同时接到I2C总线上，通过地址来识别通信对象。I2C总线多应用消费电子、通信和工控领域，是一个串行的8位双向数据传送总线。,22,1.I2C总线概述,使用I2C总线接口有4种操作模式：主传送模式、主接收模式、从传送模式、从接收模式。I2C总线的2.1版本使用的电源电压是2V,传输速率是0-3.4Mb/s。它只使用3条线，其中串行数据线（SDL）用于数据传送；串行时钟线（SCL）用于指示什么时候数据线上是有效数据；还有一条公共地线。工作于全双工通信形式。I2C规范并未限制总线导线的长度，只要总线的总电容保持在400Pf以下即可。,23,I2C总线概述,每个I2C接口的设备都有一个唯一的7位地址（扩展方式为10位），便于主控器寻访。正常情况下，I2C总线上的所有从执行设备被设置为高阻状态，而主执行设备保持高，表示空闲状态。网络中的各设备都可以作为发送器和接收器。网络中的每一个I2C接口设备都使用开放集电极/开放漏极电路，并被连接到串行时钟信号SCL和串行数据SDA这两个专用线上。,24,（1）I2C总线系统扩展I2C总线是多主系统：系统可以有多个I2C节点设备组成，并且可以是多主系统，任何一个设备都可以为主I2C；但是任一时刻只能有一个主I2C设备，I2C具有总线仲裁功能，保证系统正确运行。主I2C设备发出时钟信号、地址信号和控制信号，选择通信的从IIC设备和控制收发。系统要求：（1）各个节点设备必须具有I2C接口功能；（2）各个节点设备必须共地；（3）两个信号线必须接上拉电阻。如下图所示。,25,（2）I2C总线的工作原理I2C总线对数据线上信号的定义：1）总线空闲状态：时钟信号线和数据信号线均为高电平。2）起始信号：即启动一次传输，时钟信号线是高电平时，数据信号线由高变低。3）停止信号：即结束一次传输，时钟信号线是高电平时，数据信号线由低变高。,26,4）数据位信号：时钟信号线是低电平时，可以改变数据信号线电位；时钟信号线是高电平时，应保持数据信号线上电位不变，即时钟是高电平时数据有效。5）应答信号：占1位，数据接收者接收1字节数据后，应向数据发出者发送一应答信号。低电平为应答，继续发送；高电平为非应答，结束发送。6）控制位信号：占1位，主IIC设备发出的读写控制信号，高为读、低为写（对主IIC设备而言）。控制位在寻址字节中。,27,7）地址信号：为从机地址，占7位，如下表所示，称之为“寻址字节”，各字段含义如下：,器件地址（DA3-DA0）：是IIC总线接口器件固有的地址编码，由器件生产厂家给定。如IIC总线EEPROMAT24C的器件地址为1010等。引脚地址（A2、A1、A0）：由I2C总线接口器件的地址引脚A2、A1、A0的高低来确定，接电源者为1，接地者为0。读写控制位（R/W）：1表示主设备读，0表示主设备写。7位地址和读写控制位组成1个字节。,28,2.具有I2C总线的实用器件,（1）I2C总线数字温度传感器TMP101是TI公司生产的基于I2C串行总线接口的低功耗、高精度智能温度传感器.其内部集成有温度传感器、AD转换器、I2C串行总线接口等。具有的性能特点:(1)带有I2C总线，通过串行接El(SDA，SCL)实现与单片机的通信，其I2C总线上可挂接3个TMPl01器件，构成多点温度测控系统。(2)温度测量范围为-55125，912位AD转换精度，12位AD转换的分辨率达0.0625。被测温度值以符号扩展的16位数字量方式串行输出。(3)电源电压范围宽(+2.7+5.5V)，静态电流小(待机状态下仅为0.1(uA)。(4)内部具有可编程的温度上、下限寄存器及报警(中断)输出功能，内部的故障排队功能可防止因噪声干扰引起的误触发，从而提高温控系统的可靠性。,29,（2）I2C串行实时时钟芯片PCF8563,PCF8563是Philips公司推出的一款工业级内含I2C总线接口功能的具有极低功耗的多功能时钟日历芯片。PCF8563的多种报警功能、定时器功能、时钟输出功能以及中断输出功能能完成各种复杂的定时服务，甚至可为处理器提供看门狗功能。内部时钟电路、内部振荡电路、内部低电压检测电路(10v)以及两线制I2C总线通信方式，不但使外围电路及其简洁，而且也增加了芯片的可靠性。同时每次读写数据后，内嵌的字地址寄存器会自动产生增量。PCF8563是一款性价比极高的时钟芯片，它已被广泛用于电表、水表、气表、电衙、传真机、便携式仪器以及电池供电的仪器仪表等产品领域。,30,30,30,1.概述SPI（SerialPeripheralInterface，串行外设接口）是Motorola公司开发的一种同步串行外设接口标准。SPI总线是一种三线同步总线，因其硬件功能很强，所以，与SPI有关的软件就相当简单，使CPU有更多的时间处理其他事务。SPI具有数据发送、数据接收、时钟和片选4个接口信号，支持全双工和半双工传输方式。主要特点：8位发送移位寄存器；8位接收移位寄存器；8位预分频器；具有查询、中断、DMA传输模式。,5.2.5串行外围设备接口SPI,31,2.典型系统的连接和工作方式,SPI总线有四种工作方式如图所示，其中使用最为广泛的是SPl0和SPl3方式如图中实线表示。,32,32,32,串行外围设备接口SPI,SPI接口主要用于主从分布式的通信网络，用4根接口线即可完成主从之间的数据通信。最大数据传输率为5Mbps。SPI数据的传输格式是最高有效位（MSB)在前、最低有效位（LSB)在后。从设备只有在主控制器发出命令后才能接收或者发送数据。其中，CS的有效与否完全由主控制器来决定，时钟信号也由主控制器发出。使用74HC595器件可以实现并口到SPI接口的转换。,33,3.具有SPI总线的实际器件,（1）SPI总线的温度传感器TMP122TMP122数字化温度传感器是美国德州仪器(TI)公司推出的一款数字温度传感器集成电路，该器件是各种通信、计算机、消费、工业以及检测仪器等热测量的理想选择。TMP122适合于恶劣环境的现场温度测量，测量温度范围为-40+125，在-25+85内测量所得温度的精确度在1.5以内(最大为2.0)，该器件具有50uA的极低工作电流、仅为0.1uA的关断电流，以及2.75.5V的电源范围等卓越特性，因而是低功耗应用的最佳选择。此外，TMPl22还可为报警引脚提供912位的可编程精度以及可编程设置点。,34,内部结构图与引脚分布,35,TMPl22是3线SPI器件，采用微型SOT23-6封装，非常小巧，适合小型电子设备中温度的测量，SOI是串行接口的数据引脚，数字化的温度值通过此引脚送入微处理器进行处理，CS是低电平有效的使能信号线，SCK是串行时钟线，ALERT是开漏输出的温度报警输出，使用时只需要在此脚接一个上拉电阻即可，其余引脚不用，为了稳定，2、3脚之间要接一个0.1uF的滤波电容。TMP122用严格的通信协议来保证各位数据传输的正确性和完整性，12位精度时的温度转换时间典型值是240ms，最大值320ms。数据和命令的传输都是高位在先。,36,（2）SPI总线的12位串行AD转换器TLC2543,TLC2543是TI公司生产的12位串行开关电容型逐次逼近模数转换器。由于是串行转换结构，可节省与处理器的接口资源，且价格适中。TLC2543特点：12位分辨率AD转换器；在工作温度范围内10us转换时间；11个模拟输入通道；3路内置自测试方式；采样率为66kbps；线性误差+1LSB(Max)；有转换结束(EOC)输出；具有单、双极性输出；可编程输出数据长度；采用CMOS技术。（3）SPI总线的12位串行DA转换器TLC5618TLC5618为美国德州仪器公司产品，是具有SPI串行接口的数模转换器，其输出为电压型，最大输出电压是基准电压值的两倍。带有加电复位功能，即把DAC寄存器复位至全零。可应用于移动电话、测试仪表、机电控制设备等。,37,37,37,美国EIA于1983年制定了RS-485标准。传输采用平衡差动传输方式（传输电平在-7V至+12V之间），远距离传送时每台设备都应接终端电阻等。RS-485的一个发送器可驱动32个接收器，总线上可连接多至32个驱动器和接收器，并且可采用二线与四线工作方式。采用四线方式时，可实现全双工通信，实现点对多的通信（只能有一个主设备，其余为从设备）。采用二线工作方式时可有多个驱动器和接收器连接至单总线，并且其中任何一个均可发送或接收数据。,5.2.6RS-485串行通信,38,38,38,由于发送和接收共用一条线路，通信采用半双工工作方式，此方式可实现真正的多点总线结构，即通过程序的协调，每台设备都可以实现接收或发送功能，但在同一时刻，发送和接收不可同时进行，设备的端口在接收时应将自己的发送端关闭；在发送时将自己的接收端关闭。而且在总线上，同一时刻只有一个发送器发送数据，其他发送器处于关闭状态。发送器是否可以发送数据由芯片上的发送允许端（使能端）控制。RS-485的二线工作方式连线简单，成本低，因此在工业控制及通信联络系统中使用普遍。,39,39,39,MAX481/483/485/487是常见的RS-485收发器，下图为其管脚图,40,40,40,下图为利用MAX481/483/485/487实现的半双工通信方式连接多个设备连线图。,41,41,41,5.3无线通信技术,无线通信避免了设备必须有物理连接才能通信的要求。无线通信中使用的物理层一般是红外线（IR）通道或射频（RF）通道。红外通信是一种利用红外线进行数据传输的，使用低于可见光的电磁波频率，人眼无法检测到。这种波可以用红外线发光管产生，而用红外线光电管来检测。这种技术主要针对一些短距离、无阻隔、视距内的通信场合。使用红外线通信的优点是，设备结构简单，信息容量大，保密性好。其缺点是在发送器和接收器之间必须有成一条直线的光线，这使其通信范围受到很大的限制。,42,42,42,射频（RF）使用无线广播频带的电磁波频率，发送器需要使用模拟电路和天线来发送数据。同样地，接收器需要天线和模拟电路来接收数据。使用RF的优点是不需要视距（lineofsight）连接，可以有更长的通信距离。当然，通信范围取决于发送器的发射功率。例如Wi-Fi、蓝牙、ZigBee、GSM、GPRS、CDMA等均为无线接入技术。,43,43,43,5.3.1蓝牙无线通信技术,最早提出蓝牙概念的是爱立信(Ericsson)移动通信公司，1994年建立的一种低功耗、低成本的无线连接口，以解决互连设备间的电缆问题。蓝牙协议是一个新的无线连接全球标准，建立在低成本、短距离的无线射频连接上。蓝牙协议所使用的频带是全球通用的。如果配备蓝牙协议的两个设备之间的距离在10m以内，则可以建立连接。由于蓝牙协议使用基于无线射频的连接，不需要视距连接就能通信。例如，掌上电脑（laptop）可以向隔壁房间的打印机发送数据，微波炉也可以向无绳电话发送一个信息，告诉用户饭已准备好。将来，蓝牙协议可能成为数以万计的移动电话、PC机、掌上电脑以及其他很多电子设备的通信标准。,44,44,44,主要的特点,（1）适用设备多。可以使众多电信和计算机设备无需电缆就能联网。（2）工作频段全球通用。蓝牙技术以无线局域网的IEEE802.11标准技术为基础，工作在2.4GHzISM(Industorysciencemedicine)频段，该频段用户不必经过允许，在世界范围内都可以自由使用，这就消除了国界的障碍。而在蜂窝式移动电话领域，这个障碍已经困扰用户多年。,45,45,45,（3）使用方便,蓝牙技术规范中采用了一种Plonkandplay的概念，它有点类似即插即用。这样，用户不必再学习如何安装和设置，凡是嵌入蓝牙技术的设备一旦搜寻到另一个蓝牙设备，马上就可以建立联系，利用相关的控制软件，无需用户干预即可传输数据。（4）安全加密、抗干扰能力强。ISM频带是对所有无线电系统都开放的频带，因此使用其中的某个频带都会遇到不可预测的干扰源，例如某些家电、无绳电话、汽车房开门器、微波炉等。为了避免干扰，蓝牙技术特别设计了快速确认和跳频方案，每隔一段时间就从一个频率跳到另一个频率，不断搜寻干扰比较小的信道。在无线电环境非常嘈杂的情况下，蓝牙技术的优势极为明显。,46,46,46,（5）兼容性好,由于蓝牙技术独立于操作系统，所以，在各种操作系统中均有良好的兼容特性。蓝牙技术对各个商用操作系统的内嵌式支持正在发展之中。（6）尺寸小、功耗低。所有的技术和软件集成于9mm*9mm的微芯片，从而可以集成到各种设备中，如蜂窝电话、传呼机、笔记本电脑、PDA、PC，甚至各种家用电器中；与集成的设备相比可忽略功耗和成本。,47,47,47,（7）多路方向链接,蓝牙无线收发器的连接距离可达10M，不限制在直线范围内，甚至设备不在同一房间内也能相互连接，而且可以连接多个设备，最多可达7个，这就可以把用户身边的设备都连接起来，形成一个个人领域的网络。,48,蓝牙模块,49,49,49,5.3.2ZIGBEE无线通信技术,1.功能简介嵌入式无线通信模块集成了符合ZIGBEE协议标准的射频收发器和微处理器，它具有通讯距离远、抗干扰能力强、组网灵活、性能可靠稳定等优点和特性；可实现点对点、一点对多点、多点对多点之间的设备间数据的透明传输；可组成星型、树型和蜂窝型网状网络结构。数据接口包括：TTL电平收发接口、标准串口RS232数据接口，可以实现数据的广播方式发送、按照目标地址发送模式，除可实现一般的点对点数据通信功能外，还可实现多点之间的数据通讯，串口通信使用方法简单便利，可以大大简短模块的嵌入匹配时间进程。,50,50,50,SZ05系列无线通信模块分为中心协调器、路由器和终端节点。这三类设备具备不同的网络功能，中心协调器是网络的中心节点，负责网络的发起组织、网络维护和管理功能；路由器负责数据的路由中继转发，终端节点只进行本节点数据的发送和接收。中心协调器、路由器和终端节点这三种类型的设备在硬件结构上完全一致，只是设备嵌入软件不同，只需通过跳线设置或软件配置即可实现不同的设备功能。,51,Zigbee应用套件,52,52,52,2.技术指标,传输距离100米2000米网络拓扑：星型、树型、链型、网状网寻址方式：IEEE802.15.4/ZIGBEE标准地址最大数据包：256字节数据接口：TTL电平收发、标准RS232串口串口信号：TxD,RxD,GND串口速率：1200-38400bps串口校验：None,Even,Odd数据位：7,8位校验位1,53,53,53,频率范围2.405GHz-2.480GHz无线信道16天线连接外置SMA天线或PCB天线输入电压DC5V最大发射电流200mA；最大接收电流55mA待机电流10mA；节电模式110uA功耗：睡眠模式30uA，工作温度-40C至85C工作环境：储存温度-55C至125C,精简功能设备RFD,全功能设备FFD,网络协调器,簇状网,星型网,网状网,ZigBee网络拓扑结构,55,55,55,系统功能模块划分,数据处理服务器,区域采集控制系统,数据采集终端,CDMA,ZigBee,56,5.3.3GPRS、CDMA和3G通信技术,1.通用无线业务GPRS方式GPRS是英国BTcellnet公司于1993年提出的全球移动通信系统技术，属于2.5G。GPRS采用与GSM相同的频段、频带宽度、突发结构、无线调制标准、跳频规则以及相同的TDMA帧结构，面向用户提供移动分组的IP或者x.25连接，从而为用户同时提供语音与数据业务。从外部看，GPRS又同时是Internet的一个子网。GPRS在现有的GSM网络基础上，提供端到端的、广域的无线IP连接。用户通过GPRS网络可以在移动状态下使用各种高速数据业务，包括收发E-mail、进行Internet浏览等。GPRS是基于新型移动分组数据承载业务，始终在线且传送速率高。即移动数据用户可以始终保持与IP网或其他数据网的连接，快速实现数据通信，但又按实际数据通信的流量来付费。,57,GPRS模块,58,58,58,GPRS网所提供的承载业务，包括点对点（PTP)的业务和点对多点(PTM)的业务。在GPRS承载业务支持的标准化网络协议基础上，GPRS可支持或为用户提供一系列的交互式电信业务，包括承载业务、用户终端业务、补充业务以及短消息业务、匿名接入等其他业务。它为用户提供从9.6kbps到150kbps数据传输速率。在实际应用中，GPRS手机可与GPS结合提供车辆的实时调度、监控和管理。GPS探测车辆位置等信息，由GPRS网络实时地传输到车辆调度中心，调度中心的指示和命令也能够以短信方式发送给一个或多个驾驶员，具有成本低、覆盖范围广、无需专人维护的优点。,59,2.CDMA通信方式,CDMA(CodeDiVisionMultipleAccess)是码分多址的英文缩写，它也是扩频通信的一种方式。CDMA给每一个用户分配一个唯一的码序列(扩频码，PN码)，并用它对承载信息的信号进行编码。知道该码序列用户的接收机可对收到的信号进行解码，并恢复出原始数据。CDMA多址技术能适合现代移动通信网所要求的大容量、高质量、综合业务、软切换等。CDMA通信不是简单的点对点、点对多点、甚至多点对多点的通信，而是大量用户同时工作的大容量、大范围的通信。,60,60,60,2.CDMA通信方式,码分多址CDMA是一种扩展频谱多址数据通信技术，属于2.5代移动通信技术。1993年3月，美国通信工业学会TIA通过了CDMA空中接口标准IS-95,使CDMA成为第二代数字蜂窝移动通信系统。现在，以IS-95为代表的窄带CDMA已经进入成熟的商业化使用阶段，美国、日本及我国联通公司都采用了CDMA技术，建立了窄带CDMA数字蜂窝移动通信网络系统。主要工作频段是800MHz、1.8GHz和2.2GHz。,61,CDMA,CDMA,CDMA通信方式示意图,3.3G通信技术,第三代无线通讯技术（3G，3rd-Generation）是指支持高速数据传输的蜂窝移动通讯技术。3G服务能够同时传送声音及数据信息，速率一般在几百kbps以上。目前，世界上的3G技术包含四种标准：CDMA2000、WCDMA、TD-SCDMA和WiMAX技术。3G的主要优势在于声音和数据传输速度的提升，并且能够在全球范围内更好地实现无线漫游，提供图像、音乐、视频流等多种媒体形式，实现包括网页浏览、电话会议、电子商务等多种信息服务，同时也要考虑与已有第二代系统的良好兼容性。,目前国内3.5G通讯技术也逐渐进入民用阶段，中国联通早在2010年便推出了3.5G通讯技术的HSDPA（HighSpeedDownlinkPacketAccess，高速下行分组接入）技术的无线上网卡，能够提供高达7.2Mbps的无线通讯速率，随后在2011年在多个城市又推出了HSPA+（HSPAEvolution）无线上网业务，可提供20Mbps以上无线通讯速率。在4G通讯方面，国内已经开始了应用研究以及部署工作，第四代无线通讯技术能够在高速移动情况下提供高达100Mbps的通讯速率，4G以LTE和WiMAX为代表。,5.3.4802.11无线局域网,802.11是IEEE最初制定的一个无线局域网标准，主要用于解决办公室局域网和校园网中，用户与用户终端的无线接入，业务主要限于数据存取，最初的802.11的速率只能达到2Mbps。因此，IEEE又陆续开发出后续的802.11无线标准802.11b、802.11a、802.11g、802.11n等。与无线传感器网络的自组网形式类似，IEEE802.11规范中也对应定义了特殊的自组织对等多跳网络adhoc。但与ZigBee网络不同，在adhoc网络中所有节点的地位平等，没有设置任何的中心控制节点，因而在组建网络时不需要ZigBee的协调器、路由器和终端节点的角色之分。,65,65,65,5.3.5全球定位系统GPS简介,GPS（GlobalPositionSystem）利用卫星进行地面目标的定位，通过GPS人们可以了解所在位置的详细坐标信息。卫星不断的向地面发送定位数据，数据量很大。地面的GPS接收机接收定位数据进行处理，得到所在位置的信息。接收机的性能越好，处理速度越快，得到的结果越精确，实时性越好。GPS模块如图所示。,66,实例：物联定位控制系统,物联定位控制系统采用最新的GPS定位芯片、最新的ARMCortex内核处理器、稳定的GPRS模块为物联定位控制的智能化产品。物联定位控制系统，适用于工程车辆定位，物流车辆管理，出租车辆管理，家用汽车防盗，贵重包裹邮寄，船舶等行业应用。可以为有各类定位需求的行业提供实时、精确、可靠的定位服务，并可以通过扩展功能，提供扩展控制服务。,67,1.系统功能介绍：,设备实时在线；支持远程访问；EMC抗干扰设计；32位高性能、低功耗处理器；宽压输入、高稳定电源设计；高性能工业级GPRS模块；高性能、低功耗工业级GPS模块；支持工业RS485、CAN总线接口；功能强大的地图功能，GoogleMapAPI支持。,68,2.物联定位控制系统技术参数,（1）电源：工作电压：12V，工作电流：典型170mA（2）接口参数GPRS天线接口50/SMA（阴头）GPS天线接口3.3V,SMA（阴头）数据接口：标准RS232，可扩展RS485或者CAN总线接口（三者任选一）。数据物理接口：3PIN接口SIM卡：3V/5V，自动检测波特率：115200（3）GPS参数冷启动时间：29s，温启动：29s，辅助启动：1s热启动：1s，位精度：2.5MCEP,69,物联定位控制系统图,70,5.4无线传感器网络,在现实应用中，一个传感器是不能满足实际需要的，通常需要多个传感器共同采集数据，才能完成对研究对象的特征提取，为进一步工作奠定基础。多个传感器节点需要协同工作，形成了传感器网络。综合了传感器技术、微电子技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术，能够协作地实时监测、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，并对这些信息进行处理，获得详尽的信息，传送到用户。,71,无线传感器网络示意图,72,5.4.1概述,1.定义传感器网络是由一组传感器构成的有线或无线网络,其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖的地理区域中感知对象的信息,并发布给观察者。无线网络大规模、无线、自组织、多跳、无分区、无基础设施支持的网络、其中的节点是同构的、成本较低、体积较小、大部分节点不移动、被随意撒布在工作区域，要求网络系统有尽可能长的工作时间。,sensors,感知对象,观察者,73,2.无线传感网的特点,（1）共性：移动性、断接性、电源能力局限（2）通信能力有限：传感器网络的传感器的通信带宽窄而且经常变化，通信覆盖范围只有几十到几百米。传感器之间的通信断接频繁，经常导致通信失败。由于传感器网络更多地受到高山、建筑物、障碍物等地势地貌以及风雨雷电等自然环境的影响，传感器可能会长时间脱离网络，离线工作。如何在有限通信能力的条件下高质量地完成感知信息的处理与传输，是我们面临的挑战之一.,74,2.特点,（3）电源能量有限：传感器的电源能量极其有限，网络中的传感器由于电源能量的原因经常失效或废弃。电源能量约束是阻碍传感器网络应用的严重问题，商品化的无线发送接收器电源远远不能满足传感器网络的需要。传感器传输信息要比执行计算更消耗电能，传感器传输1位信息所需要的电能足以执行3000条计算指令。（4）计算能力有限：传感器网络中的传感器都具有嵌入式处理器和存储器。这些传感器都具有计算能力，可以完成一些信息处理工作。由于嵌入式处理器和存储器的能力和容量有限，传感器的计算能力十分有限。,75,2.特点,（5）传感器数量大、分布范围广：传感器网络中传感器节点密集、数量巨大，可能达到几百、几千万，甚至更多。此外，传感器网络可以分布在很广泛的地理区域。冗余性强，但维护起来很困难。（6）网络动态性强：传感器网络具有很强的动态性，网络中的传感器、感知对象和观察者这三要素都可能具有移动性，并且经常有新节点加入或已有节点失效。因此，网络的拓扑结构动态变化，传感器、感知对象和观察者三者之间的路径也随之变化。传感器网络必须具有可重构和自调整性。,76,2.特点,（7）感知数据流巨大：传感器网络中的每个传感器通常都产生较大的流式数据，并具有实时性。每个传感器具有有限的计算资源，难以处理巨大的实时数据流。我们需要研究强有力的分布式数据流管理、查询、分析和挖掘方法。,77,以数据为中心是传感器网络的基本思想：把传感器视为感知数据流或感知数据源，把传感器网络视为感知数据库，把数据管理和处理作为网络的应用目标。传感器网络的设计必须以感知数据管理和处理为中心，把数据库技术和网络技术紧密结合，从逻辑概念和软、硬件技术两个方面实现一个高性能的以数据为中心的网络系统，为用户或观察者提供一个有效的感知数据库管理和处理系统。例外能量消耗问题是物联网急需解决的重要问题。,78,3.WSN技术-WSN前景,无线传感器网络就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络。传感器网络将能扩展人们与现实世界进行远程交互的能力。无线传感器网络是一种全新的信息获取平台，能够实时监测和采集网络分布区域内的各种检测对象的信息，并将这些信息发送到网关节点，以实现复杂的指定范围内目标检测与跟踪，具有快速展开、抗毁性强等特点，有着广阔的应用前景。,79,WSN的应用现状,WSN,环境监测和预报,安全监测,空间探索,智能家居,复杂机械监控,军事应用,健康护理,建筑物状态监控,大型车间和仓库管理,城市交通,医疗,智能电网,80,5.4.2无线传感网络的结构组成,WSN通常分为物理层、MAC层、网络层、传输层，应用层。物理层定义WSN中的Sink,Node间的通信物理参数，使用哪个频段，使用何种信号调制解调方式等。MAC层定义各节点的初始化，通过收发beacon,request,associate等消息完成自身网络定义，同时定义的MAC帧的调试策略，避免多个收发节点间的通信冲突。在网络层，完成逻辑路由信息采集，使收发网络包裹能够按照不同策略到使用最优化路径到达目标节点。传输层提供包裹传输的可靠性，为应用层提供入口。应用层最终将收集后的节点信息整合处理，满足不同应用程序计算需要。,81,WSN体系结构,82,1.WSN相关标准,IEEE802.15该组织致力于无线个人网(WPAN)网络底层协议标准制定，其分表的IEEEStd802.15.4-2006详