中科大传感器技术与应用课件第12章 传感器网络

第12章传感器网络12.1传感器网络概述12.2传感器网络信息交换体系12.3OSI开放系统互连参考模型12.4传感器网络通信协议12.5实训12.1传感器网络概述12.1传感器网络概述通信技术和计算机技术的飞速发展，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发展，取而代之的是分布式数据采集系统组成的传感器网络，如图12-1所示。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12-1分布式传感器网络系统结构12.1.1传感器网络的作用传感器网络可以实施远程采集数据，并进行分类存储和应用。传感器网络上的多个用户可同时对同一过程进行监控。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。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。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。12.1.2传感器网络的结构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。传感器网络的结构形式多种多样，可以是如图12-1所示全部互连形的分布式传感器网络系统。也可以是如图12-2所示的多个传感器计算机工作站和一台服务器组成的主从结构传感器网络。网络形式可以是以太网或其它网络形式，总线连接可以是环形、星形、线形。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12-2主从结构传感器网络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12-3所示。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12-4所示。若将数量巨大的传感器加入互联网络，则可以将互联网延伸到更多的人类活动领域。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12-3传感器网络组成的智能传感器传感器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12-4数量巨大的传感器加入Internet互联网络目前，传感器网络建设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发展，传感器网络也正朝着开发无线传感器网络的方向发展。12.2传感器网络信息交换体系12.2传感器网络信息交换体系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行信息交换而达成共识的一套规则或约定。

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行可靠的信息交换，最重要的是选择和制定协议。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。12.3OSI开放系统互连参考模型12.3OSI开放系统互连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种各个企业和机构可接受的协议。其中最重要的是国际标准化组织（ISO）定义了一种开放系统互连参考模型，即OSI参考模型。12.3.1OSI参考模型的层次结构

OSI参考模型规定了一个网络系统的框架结构，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。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服务，并对上层屏蔽服务实现的细节。各层协议互相协作构成一个整体，称为协议簇或协议套。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规范操作后，进入光纤、电缆、电波等物理传输媒质，传输到对方。

OSI的七层模型和规范如图12-5所示：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12-5OSI的七层模型和规范

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服务数据单元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。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进行数据恢复，并去掉标头信息，交上一层实体。上一层实体根据本层标头信息（PCI），对协议数据单元PDU进行数据恢复，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。接收用户获得发送用户数据信息。12.3.2OSI参考模型各层规范的功能

1．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。2．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）数据比特流差错检测与控制；（4）数据比特流传输流量控制。3．网络层（1）通过路径选择将信息分包从最合适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）与其它网络连接的建立和管理。4．传输层（1）分割和重组报文，进行打包；（2）提供可靠的端到端的服务；（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服务。5．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。6．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）数据的安全与保密；（5）其它特殊服务。7．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行交互式联系。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结构。例如传感器网络通常提供第一层到第三层功能。12.4传感器网络通信协议12.4传感器网络通信协议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。12.4.1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。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。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行修正计算来获得精确值。（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。用于汽车传感器网络的汽车协议已经趋于规范化。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。1.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，

SAEJ1850协议定义了OSI模型中的应用层、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101位，帧内标头部分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。2.CAN协议

CAN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规则在1980年宣布，而CAN2.0（修订版）在1991年宣布。

CAN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系统的用户已在进行射频传送的研制。3.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。

4.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12-6所示。主要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、电源电路等几部分。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12-6航空发动机智能温度传感器显示器控制系统12.4.2工业网络协议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服务内容。图12-7为一个现场总线控制系统结构。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12-7现场总线控制系统1.CAN协议的工业应用

CAN协议通信网络由于更简单和更低成本而获得发展，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256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。3.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）TOPaz12.4.3办公室与楼宇自动化网络协议

如图12-8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。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。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12-8楼宇自动化网络系统12.4.4家庭自动化网络协议家庭的计算机控制是智能