项目4 认识物联网

素质目标

1.引导学生厚植爱校、爱专业的情怀,增强学生对本专业的信心。

2.通过补充讲解北斗定位系统的建设过程及战略意义、中国移动互联网的发展现状等,树立学生正确的社会主义核心价值观,增强学生的民族认同感和自豪感。体验感知“体验1”一位老人身体不太好,他的几个子女又经常出差。这种情况下,他戴了一块特制手表,他的子女可以通过各种电子工具,如手机、计算机看到他的身体状况,如心跳、血压、血糖等信息,这是如何做到的呢?

“感受”以后不仅仅是手机与计算机等通信设备可以互连,任何两样东西都可以互连。“体验2”今天上午有暴雨,小王今早上班时走得匆忙,窗户还开着,空调也忘关了,他在办公室用手机直接关闭了空调,并把窗户也关上了。当他下班时,他想到家后就洗一个热水澡,于是,他在回家的路上通过手机把热水器打开了。“感受”世界正在成为一个整体,万事万物都可以互相连接。探究学习实践活动关联拓展总结提高探究学习4.1.1物联网1.物联网概述物联网(InternetofThings)是“传感网”在国际上的通称,是传感网在概念上的一次拓展。通俗地讲,物联网就是万物都接入互联网,物体通过装入射频识别设备、红外感应器、GPS或其他方式进行连接,然后通过移动通信网络或其他方式接入互联网,最终形成智能网络,通过计算机或手机实现对物体的智能化管理和信息采集分析。4.1.1物联网作为下一代信息浪潮的新热点,国内外政府公司和研究机构对物联网投入了极大的关注,例如IBM公司提出“智慧地球”,日本和韩国分别提出了“U-Japan”和“U-Korea”战略,这都是从国家工业角度提出的重大信息发展战略。中国针对物联网到来的信息浪潮,提出了“感知中国”的发展战略。

2009年8月7日,国务院总理在视察中科院嘉兴无线传感网工程中心无锡研发分中心时,提出“在传感网发展中,要早一点谋划未来,早一点攻破核心技术”,并且明确要求尽快建立中国的传感信息中心,或者叫“感知中国”中心。移动、电信、联通三大运营商纷纷在无锡成立物联网研究中心,以无锡为首的国内大中城市也争相建设智能城市,争取成为感知中国示范城市。4.1.1物联网2.物联网体系架构4.1.2无线传感器网络1.无线传感器网络概述无线传感器网络是一项通过无线通信技术把数以万计的传感器节点以自由式进行组织与结合进而形成的网络形式。构成传感器节点的单元有数据采集单元、数据传输单元、数据处理单元以及能量供应单元。其中数据采集单元通常都是采集监测区域内的信息并加以转换,比如光强度、大气压力与湿度等;数据传输单元主要以无线通信和交流信息以及发送/接收那些采集进来的数据信息为主;数据处理单元通常处理的是全部节点的路由协议和管理任务以及定位装置等;能量供应单元为缩减传感器节点占据的面积,会选择微型电池的构成形式。4.1.2无线传感器网络无线传感器网络当中的节点分为两种,一种是汇聚节点,另一种是传感器节点。汇聚节点主要指的是网关能够在传感器节点当中将错误的报告数据剔除,并与相关的报告相结合,将数据加以融合,对发生的事件进行判断。汇聚节点与用户节点连接可借助广域网络或者卫星直接通信,并对收集到的数据进行处理。无线传感器网络实现了数据的采集、处理和传输三种功能。它与通信技术和计算机技术共同构成信息技术的三大支柱。无线传感器网络具有众多类型的传感器,可探测包括地震,电磁,温度,湿度,噪声,光强度,压力,土壤成分,移动物体的大小、速度和方向等周边环境中多种多样的现象。潜在的应用领域可以归纳为军事、航空、防爆、救灾、环境、医疗、保健、家居、工业、商业等。4.1.2无线传感器网络2.无线传感器网络特点组建方式自由网络拓扑结构的不确定性控制方式不集中安全性不高4.1.2无线传感器网络3.无线传感器网络的信息安全由于WSN使用无线通信,其通信链路不像有线网络一样可以做到私密可控,因此在设计传感器网络时,更要充分考虑信息安全问题。手机SIM卡等智能卡,利用公钥基础设施(PublicKeyInfrastructure,PKI)机制,基本满足了电信等行业对信息安全的需求。同样,亦可使用PKI来满足WSN在信息安全方面的需求。①数据机密性②数据完整性③数据新鲜性④可用性⑤鲁棒性⑥访问控制(1)安全需求4.1.2无线传感器网络根据网络层次的不同,可以将无线传感器网络容易受到的威胁分为四类:

①物理层:主要的攻击方法为拥塞攻击和物理破坏。②链路层:主要的攻击方法为碰撞攻击、耗尽攻击和非公平竞争。③网络层:主要的攻击方法为丢弃和贪婪破坏、方向误导攻击、黑洞攻击和汇聚节点攻击。④传输层:主要的攻击方法为泛洪攻击和同步破坏攻击。(2)威胁4.1.2无线传感器网络(3)关键技术混沌加密技术密钥管理协议数字水印认证技术防火墙技术4.1.2无线传感器网络无线传感器网络主要由三大部分组成,包括节点、传感网络和用户。其中,节点一般是通过一定方式将节点覆盖在一定的范围内,按照一定要求能够满足监测的范围;传感网络是最主要的部分,它是将所有的节点信息通过固定的渠道进行收集,然后对这些节点信息进行分析计算,将分析后的结果汇总到一个基站,最后通过卫星通信传输到指定的用户端,从而实现无线传感的要求。4.无线传感器网络组成结构4.1.2无线传感器网络5.应用范围无线传感器在电气自动化中的应用无线传感技术在定位中的应用无线传感技术在监测工作中的应用4.1.3ZigBee技术

ZigBee技术是一种应用于短距离和低速率下的无线通信技术,ZigBee过去又称为“HomeR-FLite”和“FireFly”技术,现在统一称为ZigBee技术。ZigBee主要用于在距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输,以及对典型的有周期性的数据、间歇性的数据和低反应时间的数据进行传输。4.1.3ZigBee技术1.技术说明

ZigBee这个名字的灵感来源于蜂群的交流方式。蜜蜂通过Z字形飞行来通知发现食物的位置、距离和方向等信息。ZigBee联盟便以此作为这个新一代无线通信技术的名称。

ZigBee是一个由可多达65535个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台,简单地说,ZigBee是一种高可靠的无线数传网络,类似于CDMA和GSM网络。ZigBee数传模块类似于移动网络基站。4.1.3ZigBee技术2.协议栈完整的ZigBee协议栈自下而上由应用/支持层、网络/安全层、数据链路层和物理层组成。以下为各层在ZigBee结构中的作用:物理层:作为ZigBee协议结构的最底层,为上一层数据链路层提供了最基础的服务,如数据的接口等。同时也起到了与现实(物理)世界交互的作用。数据链路层:负责不同设备之间无线数据链路的建立、维护、结束后确认数据的传送和接收。网络/安全层:保证了数据的传输和完整性,同时可对数据进行加密。应用/支持层:根据设计目的和需求使多个器件之间相互通信。4.1.3ZigBee技术3.技术特点(8)

免执照频段(3)低速率(1)低功耗(4)近距离(5)短时延(6)高容量(7)

高安全(2)低成本4.1.3ZigBee技术4.应用ZigBee无线通信技术凭借其一系列特征优势,在众多智能家居中得到广泛推广,而对于该项技术的应用,离不开网络技术的有力支持。(1)在智能家居领域中的实践应用随着仓储物流系统的推广,对于无线数据传输系统的应用需求呈现出不断攀升的趋势,于此同时,特别对无线通信技术提出了高效、低成本的要求,而,ZigBee无线通信技术凭借其安全可靠、多路径路由方式等特征,尤为适用于仓储物流系统中。(2)在仓储物流系统中的实践应用4.1.4M2M技术1.简介从广义上讲,M2M可代表机器对机器(MachinetoMachine)、人对机器(MantoMachine)、机器对人(MachinetoMan)、移动网络对机器(MobiletoMachine)之间的连接与通信,它涵盖了所有实现在人、机器、系统之间建立通信连接的技术和手段。M2M应用系统的构成包括智能化机器、M2M硬件、通信网络、中间件。4.1.4M2M技术2.应用系统构成智能化机器M2M硬件通信网络中间件4.1.4M2M技术3.M2M应用领域日常水、电和煤气计量仪表,可利用M2M器件实现自动抄表,并整合GPRS模块和CDMA模块,作为数据的远程传输通路,直接与银行服务商的计费系统联网,代替人力。(1)家庭应用领域目前,基于手机业务的电子支付系统已广泛应用,使用移动通信模块进行日常消费也是一种不错的选择。(2)零售和支付领域4.1.4M2M技术工业上,选择GPRS和CDMA监测模块日益流行,该组模块在远程测量、远程设备管理和遥控等有着显著的特点。(3)工业应用领域利用移动通信网络覆盖面广的特点,M2M可实现订单查询与管理、运输安排、交接与支付系统控制等功能,在提高服务速度、服务质量和服务灵活性方面具有重要作用。(4)物流运输行业通过M2M器件实现对患者的远程监护、远程检验、数据汇总,从而进行远程诊疗。(5)医疗行业4.1.5射频识别技术1.概述射频识别技术(RadioFrequencyIdentification,RFID),是自动识别技术的一种,通过无线射频方式进行非接触双向数据通信,利用无线射频方式对记录媒体(电子标签或射频卡)进行读写,从而达到识别目标和数据交换的目的,其被认为是21世纪最具发展潜力的信息技术之一。无线射频识别技术通过无线电波不接触、快速信息交换和存储技术以及结合数据访问技术,连接数据库系统,实现非接触式的双向通信,达到了识别的目的。在识别系统中,通过电磁波实现电子标签的读写与通信。根据通信距离,RFID可分为近场和远场,读/写设备和电子标签之间的数据交换方式也对应地被分为负载调制和反向散射调制。4.1.5射频识别技术2.工作原理

RFID技术的基本工作原理并不复杂,标签进入阅读器后,接收阅读器发出的射频信号,凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息(PassiveTag,无源标签或被动标签),或者由标签主动发送某一频率的信号(ActiveTag,有源标签或主动标签),阅读器读取信息并解码后,送至中央信息系统进行有关数据处理。以RFID卡片阅读器及电子标签之间的通信及能量感应方式来看RFID技术大致上可以分成:感应耦合及后向散射耦合两种。一般低频的RFID大都采用第一种方式,而较高频大多采用第二种方式。4.1.5射频识别技术3.组成部分阅读器

(Reader)电子标签

(Tag)数据库管理系统4.1.5射频识别技术4.分类(1)无源RFID在三类RFID产品中,无源RFID出现时间最早、最成熟,其应用也最为广泛。在无源RFID中,电子标签通过接收射频识别阅读器传输来的微波信号,以及通过电磁感应线圈获取能量来对自身短暂供电,从而完成此次信息交换。4.1.5射频识别技术(2)有源RFID有源RFID兴起的时间不长,但已在各个领域,尤其是在高速公路电子不停车收费系统中发挥着不可或缺的作用。有源RFID通过外接电源供电,主动向射频识别阅读器发送信号。其体积相对较大,但也因此拥有了较长的传输距离与较高的传输速度。4.1.5射频识别技术(3)半有源RFID无源RFID自身不供电,但有效识别距离太短。有源RFID识别距离足够长,但需外接电源,体积较大。而半有源RFID就是为解决这一矛盾而妥协的产物。半有源RFID又叫作低频激活触发技术。在通常情况下,半有源RFID产品处于休眠状态,仅对标签中保持数据的部分进行供电,因此耗电量较小,可维持较长时间。4.1.5射频识别技术5.特点简易性独一性高效性适用性4.1.5射频识别技术6.应用领域物流仓储交通身份识别防伪资产管理食品信息统计查阅应用安全控制4.1.6云计算技术1.概述云计算(CloudComputing)是分布式计算的一种,指的是通过网络“云”将巨大的数据计算处理程序分解成无数个小程序,然后,通过多部服务器组成的系统进行处理和分析这些小程序得到结果并返回给用户。云计算早期,就是简单的分布式计算,解决任务分发并进行计算结果的合并。因而云计算又称为网格计算。通过这项技术,可以在很短的时间内(几秒钟)完成对数以万计的数据的处理,从而达到强大的网络服务。现阶段所说的云服务已经不单单是一种分布式计算,而是分布式计算、效用计算、负载均衡、并行计算、网络存储、热备份冗杂和虚拟化等计算机技术混合演进并跃升的结果。4.1.6云计算技术2.特点(7)可扩展性(3)按需部署(1)虚拟化技术(4)灵活性高(5)可靠性高(6)性价比高(2)动态可扩展4.1.6云计算技术3.服务类型基础设施即服务是主要的服务类别之一,它向云计算提供商的个人或组织提供虚拟化计算资源,如虚拟机、存储、网络和操作系统。(1)基础设施即服务(IaaS)平台即服务是一种服务类别,为开发人员提供通过全球互联网构建应用程序和服务的平台。Paas为开发、测试和管理软件应用程序提供按需开发环境。(2)平台即服务(PaaS)软件即服务也是其服务的一类,通过互联网提供按需软件付费,云计算提供商托管和管理软件,并允许其用户连接到应用程序并通过全球互联网访问。(3)软件即服务(SaaS)4.1.6云计算技术4.实现关键技术(1)体系结构实现计算机云计算需要创造一定的环境与条件,尤其是体系结构必须具备以下关键特征。第一,要求系统必须智能化,具有自治能力,减少人工作业的前提下实现自动化处理平台智能响应要求,因此云系统应内嵌有自动化技术;第二,面对变化信号或需求,信号云系统要有敏捷的反应能力,所以对云计算的架构有一定的敏捷要求。与此同时,随着服务级别和增长速度的快速变化,云计算同样面临巨大挑战,而内嵌集群化技术与虚拟化技术能够应付此类变化。4.1.6云计算技术云计算平台的体系结构由用户界面、服务目录、管理系统、部署工具、监控和服务器集群组成:①用户界面:主要用于云用户传递信息,是双方互动的界面。②服务目录:顾名思义是提供用户选择的列表。③管理系统:指的是主要对应用价值较高的资源进行管理。④部署工具:能够根据用户请求对资源进行有效地部署与匹配。⑤监控:主要对云系统上的资源进行管理与控制并制定措施。⑥服务器集群:服务器集群包括虚拟服务器与物理服务器,隶属管理系统。4.1.6云计算技术(2)资源监控云系统上的资源数据十分庞大,同时资源信息更新速度快,要想获得精准、可靠的动态信息,则需要有效途径确保信息的快捷性。而云系统能够为动态信息进行有效部署,同时兼备资源监控功能,有利于对资源的负载、使用情况进行管理。其次,资源监控作为资源管理的“血液”,对整体系统性能起关键作用,一旦系统资源监管不到位,信息缺乏可靠性,那么其他子系统就会引用错误的信息,必然对系统资源的分配造成不利影响。因此贯彻落实资源监控工作刻不容缓。资源监控过程中,只要在各个云服务器上部署Agent代理程序便可进行配置与监管活动,比如通过一个监视服务器连接各个云资源服务器,然后以周期为单位将资源的使用情况发送至数据库,由监视服务器综合数据库有效信息对所有资源进行分析,评估资源的可用性,最大限度提高资源信息的有效性。4.1.6云计算技术(3)自动化部署科学进步的发展倾向于半自动化操作,实现了出厂即用或简易安装使用。而计算资源的可用状态也在发生转变,逐渐向自动化部署。对云资源进行自动化部署指的是基于脚本调节的基础上实现不同厂商对于设备工具的自动配置,以减少人机交互比例、提高应变效率,避免超负荷人工操作等现象的发生,最终推进智能部署进程。其于计算中表现为能够划分、部署与安装虚拟资源池中的资源为能够给用户提供各类应用于服务的过程,包括了存储、网络、软件以及硬件。系统资源的部署步骤较多,自动化部署主要是利用脚本调用来自动配置与部署各个厂商设备管理工具,保证在实际调用环节能够采取静默的方式来实现,避免了繁杂的人机交互,让部署过程不再依赖人工操作。4.1.6云计算技术5.实现形式软件即服务网络服务平台服务互联网整合商业服务平台管理服务提供商4.1.6云计算技术6.应用较为简单的云计算技术已经普遍服务于如今的互联网服务中,最为常见的就是网络搜索引擎和网络邮箱。大家最为熟悉的搜索引擎莫过于谷歌和百度,在任何时刻,只要用移动终端就可以在搜索引擎上搜索任何自己想要的资源,通过云端共享数据资源。而网络邮箱也是如此,在过去,寄写一封邮件是一件比较麻烦的事情,同时也是很慢的过程,而在云计算技术和网络技术的推动下,电子邮箱成为社会生活中的一部分,只要在网络环境下,就可以实现实时的邮件寄发。其实,云计算技术已经融入现今的社会生活。4.1.6云计算技术存储云,又称云存储,是在云计算技术上发展起来的一个新的存储技术。云存储是一个以数据存储和管理为核心的云计算系统。用户可以将本地的资源上传至云端,可以在任何地方连入互联网来获取云端的资源。(1)存储云医疗云,是指在云计算、移动技术、多媒体、5G通信、大数据以及物联网等新技术基础上,结合医疗技术,使用“云计算”来创建医疗健康服务云平台,实现了医疗资源的共享和医疗范围的扩大。因为云计算技术的运用与结合,医疗云提高了医疗机构的效率,方便居民就医。(2)医疗云4.1.6云计算技术金融云,是指利用云计算的模型,将信息、金融和服务等功能分散到庞大分支机构构成的互联网“云”中,旨在为银行、保险和基金等金融机构提供互联网处理和运行服务,同时共享互联网资源,从而解决现有问题并且达到高效、低成本的目标。(3)金融云教育云,实质上是指教育信息化的一种发展。教育云可以将所需要的任何教育硬件资源虚拟化,然后将其传入互联网,向教育机构和学生老师提供一个方便快捷的平台。现在流行的慕课就是教育云的一种应用。(4)教育云4.1.7LPWA网络接入技术(SigFox,LoRa,NB-IoT)

LPWA(LowPowerWideArea,低功耗广域网)是随着物联网的兴起而发展起来的通信技术。它解决了传统网络无法应对的一些物联网场景的通信问题。LPWA中,被人熟知的技术包括SigFox、LoRa、NB-IoT。4.1.7LPWA网络接入技术(SigFox,LoRa,NB-IoT)1.SigFox

SigFox通信网络由法国SigFox公司拥有,核心打造低功耗、低成本的无线物联网专用网络。SigFox网络利用了UNB技术,其传输功耗低且可以维持稳定数据连接。通常SigFox传输速率仅有100bit/s,网络拓扑是一个可扩展的、高容量的网络。构建SigFox的基础设施基于星型单元,简单且易于部署。SigFox无线链路使用免授权的Sub-G的ISM射频频段,频率根据国家法规而有所不同,在欧洲广泛使用868MHz,美国而是915MHz。4.1.7LPWA网络接入技术(SigFox,LoRa,NB-IoT)2.LoRa

LoRa是基于Semtech公司开发的一种低功耗局域网无线标准,其目的是解决功耗与传输难覆盖距离的矛盾问题。一般情况下,功耗低则传输距离近,功耗高则传输距离远。通过开发出LoRa技术,解决了在同样的功耗条件下比其他无线方式传播的距离更远的技术难题,实现了低功耗和远距离的统一。

LoRa实际上是物联网(IoT)的无线平台。Semtech的LoRa芯片组将传感器连接到云端,实现数据和分析的实时通信,从而提高效率和生产率。(1)定义4.1.7LPWA网络接入技术(SigFox,LoRa,NB-IoT)

LoRaWAN开放规范是基于SemtechLoRa设备的低功耗广域网(LPWAN)标准,利用工业、科学和医疗(ISM)频段未经许可的无线电频谱。LoRaAlliance(一个非营利协会和快速发展的技术联盟)推动了LoRaWAN标准的标准化和全球协调。

LoRaWAN标准为农村和室内使用情况中的实际问题提供了高效、灵活和经济的解决方案,在这些情况下,蜂窝、Wi-Fi和蓝牙低能(BLE)网络是无效的。

LoRa设备和LoRaWAN标准为物联网应用提供了引人注目的功能,包括远程、低功耗和安全数据传输。该技术被公共、私有或混合网络所利用,并提供比蜂窝网络更大的范围。部署可以轻松集成到现有基础设施中,并支持低成本电池供电的物联网应用。LoRa芯片组集成到由大型物联网解决方案提供商生态系统制造的设备中,并连接到全球网络。简单地说,LoRa将设备连接到云,为事物提供“声音”———使世界成为一个更美好的生活、工作和娱乐场所。(2)应用4.1.7LPWA网络接入技术(SigFox,LoRa,NB-IoT)3.NB-IoT

NB-IoT是目前LPWA领域最火的一项技术。NB-IoT是构建于蜂窝网络的窄带物联网,只消耗大约180kHz的带宽,可直接部署于GSM网络,UMTS网络或LTE网络,以降低部署成本,实现平滑升级。与上述两项技术不同,NB-IoT需要授权。NB-IoT具有覆盖广、链接多、速率低、成本低、功耗低、架构优的特点,广泛应用于多种垂直行业,如远程抄表、资产追踪、智能停车、智慧农业等。4.1.7LPWA网络接入技术(SigFox,LoRa,NB-IoT)(1)前景优势移动通信正在从人和人的连接,向人与物以及物与物的连接迈进,万物互联是必然趋势。然而4G网络在物与物连接上能力不足。事实上,相比蓝牙、ZigBee等短距离通信技术,移动蜂窝网络具备广覆盖、可移动以及大连接数等特性,能够带来更加丰富的应用场景,理应成为物联网的主要连接技术。作为LTE的演进型技术,5G除了具有高达10Gbit/s的峰值速率,还意味着基于蜂窝物联网的更多连接数,支持M2M连接以及更低时延,将助推高清视频、VoLTE以及物联网等应用快速普及。蜂窝物联网正在开启一个前所未有的广阔市场。对于电信运营商而言,车联网、智慧医疗、智能家居等物联网应用将产生连接,远远超过人与人之间的通信需求。4.1.7LPWA网络接入技术(SigFox,LoRa,NB-IoT)NB-IoT具备四大特点:更低的模块成本更低功耗具备支撑连接的能力广覆盖4.1.7LPWA网络接入技术(SigFox,LoRa,NB-IoT)(2)需求发展随着智能城市、大数据时代的来临,无线通信将实现万物连接。很多企业预计未来全球物联网连接数将是千亿级的时代。已经出现了大量物与物的连接,然而这些连接大多通过蓝牙、Wi-Fi等短距通信技术承载,而非运营商移动网络。为了满足不同物联网业务需求,根据物联网业务特征和移动通信网络特点,3GPP根据窄带业务应用场景开展了增强移动通信网络功能的技术研究以适应蓬勃发展的物联网业务需求。我们正进入万物互联(IoT)的时代,这对于整个移动通信产业来说是一个巨大的机会。无论是运营商大咖,还是设备商巨头,纷纷展示了完整的物联网解决方案和在不同垂直行业的应用。4.1.8总线通信(RS-485总线、ModBus通信协议、CAN总线协议)1.RS-485总线

RS-485总线是一个定义平衡数字多点系统中的驱动器和接收器的电气特性的标准,该标准由电信行业协会和电子工业联盟定义。RS-485采用半双工通信方式,支持多点数据通信。RS-485总线网络拓扑一般采用终端匹配的总线型结构,即采用一条总线将各个节点串接起来,不支持环型或星型网络。如果需要使用星型结构,就必须使用485中继器或者485集线器才可以。

RS-485采用平衡发送和差分接收,因此具有抑制共模干扰的能力。加上总线收发器具有高灵敏度,能检测低至200mV的电压,故传输信号能在千米以外得到恢复。有些RS-485收发器修改输入阻抗以便允许将多达8倍以上的节点数连接到相同总线。RS-485最常见的应用是在工业环境下可编程逻辑控制器内部之间的通信。4.1.8总线通信(RS-485总线、ModBus通信协议、CAN总线协议)(1)总线标准

RS-485采用平衡发送和差分接收方式实现通信:发送端将串行口的ttl电平信号转换成差分信号a、b两路输出,经过线缆传输之后在接收端将差分信号还原成ttl电平信号。由于传输线通常使用双绞线,又是差分传输,所以有强大的抗共模干扰的能力,总线收发器灵敏度很高,可以检测到低至200mV电压。故传输信号在千米之外都是可以恢复。RS-485最大的通信距离约为1219m,最大传输速率为10bit/s,传输速率与传输距离成反比,在10kbit/s的传输速率下,才可以达到最大的通信距离,如果需传输更长的距离,需要加485中继器。RS-485总线一般最大支持32个节点,如果使用特制的485芯片,可以达到128个或者256个节点,最大的可以支持到400个节点。4.1.8总线通信(RS-485总线、ModBus通信协议、CAN总线协议)(2)基本特性根据RS-485总线标准,RS-485总线为特性阻抗120Ω的半双工通信总线,其最大负载能力为32个有效负载(包括主控设备与被控设置)。当使用较细的通信电缆,或者在电磁干扰较强的环境使用RS-485总线产品,或者总线上连接有较多的设备时,最大传输距离相应缩短;反之,最大距离加长。主干网上的设备,如围墙机、管理机、主机等均分配一个ID号,即通信联络地址。主干网对讲线,一般都是用一芯线(地线除外),是一种半双工通信方式。视频用一根同轴电缆。如果要求有多对访客住户同时进行对讲(所谓多通道),则必须增加音频线和视频线。主机(副机)与分机一般不能直接连接,中间必须增加解码器,这有利于系统的稳定和增强抗干扰能力。主机(副机)与解码器均通过一个叫作网络连接器的设备在弱电井内连接,解码器与解码器之间的总线方式是星型方式。每个解码器也有一个ID号,是主机与之通信的联络地址。主机与解码器之间的连线,叫楼内总干线,所用电缆芯数因厂家不同而有所区别。4.1.8总线通信(RS-485总线、ModBus通信协议、CAN总线协议)RS-485总线运用存在的问题:阻抗不连续信号RS-485的总线结构及传输距离RS-485接地问题4.1.8总线通信(RS-485总线、ModBus通信协议、CAN总线协议)2.Modbus通信协议

Modbus是一种串行通信协议,是Modicon公司(现在的施耐德电气SchneiderElectric)于1979年为使用可编程逻辑控制器(Programmable

Logic

Vontroller

,PLC)通信而发表。Modbus已经成为工业领域通信协议的业界标准(Defacto),并且现在是工业电子设备之间常用的连接方式。Modbus比其他通信协议使用得更广泛的主要原因有:

①公开发表并且无版权要求。②易于部署和维护。③对供应商来说,修改移动本地的比特或字节没有很多限制。

Modbus允许多个(大约240个)设备连接在同一个网络上进行通信,举个例子,一个测量温度和湿度,并且将结果发送给计算机的装置。在数据采集与监视控制系统(SupervisoryControlAndDataAcquisition,SCADA)中,Modbus通常用来连接监控计算机和远程终端控制系统(EemoteTerminacUnit,RTU)。(1)简介4.1.8总线通信(RS-485总线、ModBus通信协议、CAN总线协议)

Modbus协议目前存在用于串口、以太网以及其他支持互联网协议的网络的版本。大多数Modbus设备通信通过串口EIA-485物理层进行。串行连接存在两个变种,它们在数值数据上表示存在不同和协议细节上略有不同。

ModbusRTU是一种紧凑的,采用二进制表示数据的方式;ModbusASCII是一种人类可读的,冗长的表示方式。这两个变种都使用串行通信(SerialCommunication)方式。RTU格式后续的命令/数据带有循环冗余校验的校验和,而ASCII格式采用纵向冗余校验的校验和。被配置为RTU变种的节点不会和设置为ASCII变种的节点通信,反之亦然。对于通过TCP/IP进连接的网络(例如以太网),存在多个Modbus/TCP变种,这种方式不需要校验和计算。以上三种通信协议在数据模型和功能调用上都是相同的,只有封装方式不同。(2)协议版本4.1.8总线通信(RS-485总线、ModBus通信协议、CAN总线协议)

Modbus协议是一个master/slave架构的协议。有一个节点是master节点,其他使用Modbus协议参与通信的节点是slave节点。每一个slave设备都有唯一的地址。在串行和MB+网络中,只有被指定为主节点的节点才可以启动一个命令(在以太网上,任何一个设备都能发送一个Modbus命令,但是通常也只有一个主节点设备启动指令)。一个ModBus命令包含了打算执行的设备的Modbus地址。所有设备都会收到命令,但只有指定位置的设备会执行及回应指令(地址0例外,指定地址0的指令是广播指令,所有收到指令的设备都会运行,不过不回应指令)。所有Modbus命令都包含了检查码,以确定到达的命令没有被破坏。基本的ModBus命令能指令一个RTU改变它的寄存器的某个值,控制或者读取一个I/O端口,以及指挥设备回送一个或者多个寄存器中的数据。有许多modems和网关支持Modbus协议,因为Modbus协议很简单而且容易复制,有使用有线、无线通信甚至短消息和GPRS的不同实现。不过设计者需要克服一些包括高延迟和时序的问题。(3)通信和设备4.1.8总线通信(RS-485总线、ModBus通信协议、CAN总线协议)3.CAN总线协议控制器局域网总线(ControllerAreaNetwork,CAN)是一种用于实时应用的串行通信协议总线,它可以使用双绞线来传输信号,是世界上应用最广泛的现场总线之一。CAN协议用于汽车中不同元件之间的通信,以此取代昂贵而笨重的配电线束。该协议的健壮性使其用途延伸到其他自动化和工业应用。CAN协议的特性包括完整性的串行数据通信、提供实时支持、传输速率高达1Mbit/s、同时具有11位的寻址以及检错能力。(1)简介4.1.8总线通信(RS-485总线、ModBus通信协议、CAN总线协议)

CAN总线使用串行数据传输方式,可以1Mbit/s的速率在40m的双绞线上运行,也可以使用光缆连接,而且在这种总线上总线协议支持多主控制器。CAN与I2C总线的许多细节很像,但也有一些明显的区别。当CAN总线上的一个节点(站)发送数据时,它以报文形式广播给网络中所有节点。对每个节点来说,无论数据是不是发给自己的,都对其进行接收。每组报文开头的11位字符为标识符,定义了报文的优先级,这种报文格式称为面向内容的编址方案。在同一系统中标识符是唯一的,不可能有两个站发送具有相同标识符的报文。当几个站同时竞争总线读取时,这种配置十分重要。(2)工作原理4.1.8总线通信(RS-485总线、ModBus通信协议、CAN总线协议)当一个站要向其他站发送数据时,该站的CPU将要发送的数据和自己的标识符传送给本站的CAN芯片,并处于准备状态;当它收到总线分配时,转为发送报文状态。CAN芯片将数据根据协议组织成一定的报文格式并发出,这时网上的其他站都处于接收状态。每个处于接收状态的站对接收到的报文进行检测,判断这些报文是不是发给自己的,以确定是否接收它。由于CAN总线是一种面向内容的编址方案,因此很容易建立高水准的控制系统并灵活地进行配置。我们可以很容易地在CAN总线中加进一些新站而无须在硬件或软件上进行修改。当所提供的新站是纯数据接收设备时,数据传输协议不要求独立的物理目的地址。它允许分布过程同步化,即总线上控制器需要测量数据时,可由网上获得,而无须每个控制器都有自己独立的传感器。4.1.8总线通信(RS-485总线、ModBus通信协议、CAN总线协议)(3)CAN总线特征①报文(Message)②信息路由(InformationRouting)③标识符(Identifier)④数据一致性⑤位传输速率⑥优先权⑦远程数据请求(RemoteDataRequest)⑧仲裁(Arbitration)⑨总线状态⑩故障界定(Confinement)4.1.8总线通信(RS-485总线、ModBus通信协议、CAN总线协议)

CAN总线的物理层是将ECU连接至总线的驱动电路。ECU的总数将受限于总线上的电气负荷。物理层定义了物理数据在总线上各节点间的传输过程,主要是连接介质、线路电气特性、数据的编码/解码、位定时和同步的实施标准。(4)协议内容4.1.8总线通信(RS-485总线、ModBus通信协议、CAN总线协议)①总线竞争的原则

BOSCHCAN基本上没有对物理层进行定义,但基于CAN的ISO标准对物理层进行了定义。设计一个CAN系统时,物理层具有很大的选择余地,但必须保证CAN协议中媒体访问层非破坏性位仲裁的要求,即出现总线竞争时,具有较高优先权的报文获取总线竞争的原则,所以要求物理层必须支持CAN总线中隐性位和显性位的状态特征。在没有发送显性位或空闲时,总线处于隐性状态;当有一个或多个节点发送显性位时,显性位覆盖隐性位,使总线处于显性状态。在此基础上,物理层主要取决于传输速度的要求。在CAN中,物理层从结构上可分为三层:分别是物理信号层(PhysicalLayerSignaling,PLS)、物理介质附件(PhysicalMediaAt-tachment,PMA)层和介质从属接口(MediaDependent、Interface,MDI)层。其中PLS连同数据链路层功能由CAN控制器完成,PMA层功能由CAN收发器完成,MDI层定义了电缆和连接器的特性。目前也有支持CAN的微处理器内部集成了CAN控制器和收发器电路,如MC68HC908GZl6。PMA和MDI两层有很多不同的国际、国家或行业标准,也可自行定义,比较流行的是ISO11898定义的高速CAN发送/接收器标准。4.1.8总线通信(RS-485总线、ModBus通信协议、CAN总线协议)②节点数量

CAN网络上的节点不分主从,任一节点均可在任意时刻主动地向网络上其他节点发送信息,通信方式灵活,利用这一特点可方便地构成多机备份系统,CAN只需通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式传送、接收数据,无须专门的“调度”。CAN的直接通信距离最远可达10km(速率在5kbit/s以下);通信速率最高可达1Mbit/s(此时通信距离最长为40m)。CAN上的节点数主要决定于总线驱动电路,目前可达110个;报文标识符可达2032种(CAN2.0A),而扩展标准(CAN2.0B)的报文标识符几乎不受限制。③CAN的数据链路层数据链路层是CAN的核心内容,其中逻辑链路控制(LogicalLinkControl,LLC)子层完成过滤、过载通知和管理恢复等功能,媒体访问控制(MediumAccessControl,MAC)子层完成数据打包/解包、帧编码、媒体访问管理、错误检测、错误信令、应答、串并转换等功能。这些功能都是围绕信息帧传送过程展开的。4.1.8总线通信(RS-485总线、ModBus通信协议、CAN总线协议)

CAN可应用于汽车制造、大型仪器设备、工业控制、智能家庭和生活小区管理以及机器人网络互联等领域。同时,由于CAN总线本身的特点,其应用范围目前已不再局限于汽车行业,而向自动控制、航空航天、航海、过程工业、机械工业、纺织机械、农用机械、机器人、数控机床、医疗器械及传感器等领域发展。CAN已经形成国际标准,并已被公认为最有前途的现场总线之一。(5)应用领域实践活动任务1ZigBee协议组网通信实验1.实验目的(1)了解ZigBee网络。(2)掌握ZigBee节点程序下载方式。(3)掌握如何组建ZigBee星型网络。任务1ZigBee协议组网通信实验2.实验意义通过实验了解ZigBee网络的特点,体会其组网及通信过程。任务1ZigBee协议组网通信实验3.实验环境计算机(内部安装IAR环境)一台、智能网关一个、ZigBee节点、ZigBee仿真器一套。任务1ZigBee协议组网通信实验4.实验原理每一个星型网络中只有一个协调器,当协调器被激活后,它就会建立一个自己的网络。其他位于协调器附近的ZigBee节点,如果与该协调器处于同一信道,则会自动加入该网络。任务1ZigBee协议组网通信实验5.实验步骤认识实验设备以及下载设备连接,连接线路如图4-2所示。(1)准备工作任务1ZigBee协议组网通信实验5.实验步骤①下载协调器协调器在本套智能家居系统中担任信息收集与传输的工作,它和每个ZigBee模块进行无线通信,并将信息传送给智能网关,同时也将网关的控制指令发送给各个模块。我们首先为一个ZigBee模块下载成协调器,具体步骤如下:步骤1打开“实验程序协调器\Projects\zstack\Samples\collectorSimpleApp1.25\CC2430DB\SimpleApp.eww”(2)ZigBee网络组建任务1ZigBee协议组网通信实验步骤2不同的实验小组选择自己所分配的信道。单击左侧的文件导航栏,找到tools文件夹,打开其中的文件f8wConfig.cfg,找到自己小组的信道,将行的注释去掉,并且确认其他各个信道代码均为注释状态。步骤3更改完信道之后,在菜单栏中选择“Project”/“RebuildAll|进行编译,编译完成后生成的.hex文件保存在”实验程序协调器\Projects\zstack\Samples\collectorSimpleApp1.25\SimpleCollectorEB\Exe“文件夹中。步骤4打开smartRF下载软件,将下载设备的各个线连接好,之后按一下下载器(也就是白色盒子)上面的黑色按钮,则下载界面中将会识别到要与下载器相连接的ZigBee模块芯片,对相关条件进行勾选。任务1ZigBee协议组网通信实验②下载其他ZigBee终端节点

ZigBee终端节点在上电后自动加入处于同一信道的ZigBee协调器所组建的ZigBee网络。我们首先将一个ZigBee模块烧写成ZigBee终端节点,以实验二的节点程序为例进行烧写,具体步骤如下:步骤1打开“实验程序实验二\Projects\zstack\Samples\collectorSimpleApp1.25\CC2430DB\SimpleApp.eww”。步骤2选择与之前烧写协调器时所用的同样的信道。步骤3编译程序生成.hex文件。步骤4将生成的实验二的.hex文件烧写到ZigBee节点中。任务1ZigBee协议组网通信实验③程序验证步骤1首先将ZigBee协调器和网关相连接,打开智能网关和ZigBee协调器开关,然后打开ZigBee节点4,等待几秒钟后观察节点上的4个指示灯,4个灯都亮时表示节点正在搜索网络,当两个LED灯熄灭时说明节点已经加入ZigBee协调器所搭建的网络。步骤2在智能网关中,找到“我的设备\NandFlash\WSN\智能网关.exe文件”,双击执行。进入“智能家居控制”软件,选择左侧节点4。单击LED3按钮,同时观察ZigBee节点4上4个LED灯的变化,如节点上的LED3闪烁,说明ZigBee节点接收到了网关所发出的控制信号。学生可以自己控制网关上其他3个LED按钮并观察效果。任务1ZigBee协议组网通信实验6.实验总结首先,在ZigBee无线局域网里,节点(无线模块)按照在网络里的功能来划分,有协调器、路由器、终端三大类。它们的硬件设计可以完全一样,即完全一样的模块,有时之所以不一样,是下载了不同功能版本的代码。而不管是协调器、路由器还是终端,必须在一个ZigBee无线局域网里。如果没有入网,那么充其量就是一个模块罢了。而对于无线局域网而言,任何一个网络,第一个节点一定是该网络的协调器,且网络里有且仅有一个协调器。而路由器和终端却可以有多个。(1)掌握ZigBee节点程序下载方式任务1ZigBee协议组网通信实验对于协调器、路由器、终端的简介如下:协调器(Co-ordinator),是启动和配置网络的一种设备,是网络的中心节点,一个ZigBee网络只允许有一个ZigBee协调器。路由器(Router),是一种支持关联的设备,能够将消息转发到其他设备。

ZigBee终端设备(EndDevice),执行具体功能的设备。

ZigBee网络组建以后,网络里的节点可以进行相互通信,数据通信的方式有四种,即单播、广播、组播、绑定。任务1ZigBee协议组网通信实验物联网网关,作为一个新的名词,在未来的物联网时代将会扮演非常重要的角色,它将成为连接感知网络与传统通信网络的纽带。作为网关设备,物联网网关可以实现感知网络与通信网络,以及不同类型感知网络之间的协议转换.既可以实现广域互联.也可以实现局域互联。此外,物联网网关还需要具备设备管理功能,运营商通过物联网网关设备可以管理底层的各感知节点,了解各节点的相关信息,并实现远程控制。(2)通过程序实现通过智能网关控制ZigBee节点任务1ZigBee协议组网通信实验星型拓扑是最简单的一种拓扑形式,它包含一个Co-ordinator(协调器)节点和一系列的EndDevice(终端设备)节点。EndDevice节点只能和Co-ordinator节点进行通信。如果需要在两个EndDevice节点之间进行通信,则必须通过Co-ordinator节点进行信息转发。这种拓扑形式的缺点是节点之间的数据路由只