第讲 物联网传输层技术

物 联 网 概 论第 3章 物 联 网 传 输 层 技 术 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（ ZigBee）（ WiFi）（ WiMAX）（ Bluetooth）长 距 离 无 线 通 信短 距 离 无 线 通 信三 网 融 合现 场 总 线 物 联 网 概 论 第 3章 物 联 网 传 输 层 v传 输 层 主 要 分 ： 有 线 通 信 无 线 通 信v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 。v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 v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 （ Field Bus， 也 包 括 PLC电力 线 载 波 等 技 术 ） 4 物 联 网 概 论 三 网 融 合v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 。v 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 三 网 融 合 基 本 概 述v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 三 网 融 合 结 合 点v 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 三 网 融 合 发 展v 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 。v 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 。v 2022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 。 v 8 物 联 网 概 论 三 网 融 合v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 。v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 （ Home Gateway） 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 现 场 总 线 FieldBus10 物 联 网 概 论 概 念vIEC61158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v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 。v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 。v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 。v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v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v 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 。v 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v 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 。v 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v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 。v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 ， 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v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 ” （ Open System Interconnection） 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v 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）v 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v 1985年 由 Honeywell和 Bailey等 大 公 司 发 起 ， 成 立 了 World FIP制 定 了 FIP协 议 。v 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 。v 后 来 美 国 仪 器 仪 表 学 会 也 制 定 了 现 场 总 线 标 准 IEC/ISA SP50。v 两 个 现 场 总 线 集 团 ： ISP集 团 、 WorldFIP集 团 。v 1994年 ， 两 大 集 团 宣 布 合 并 ， 融 合 成 现 场 总 线 基 金 会 （ Fieldbus Foundation） 简 称 FF。 22 物 联 网 概 论 现 场 总 线 组 织 物 联 网 概 论 现 场 总 线 标 准v制 定 现 场 总 线 标 准 的 国 际 标 准 化 组 织vIEC/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 。v2000年 初 宣 布 ， IEC现 场 总 线 国 际 标 准 子 集 有 八 种 ：v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v节 省 硬 件 数 量 与 投 资v节 省 安 装 费 用v节 省 维 护 开 销v用 户 具 有 高 度 的 系 统 集 成 主 动 权v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v环 形 拓 扑 结 构v星 形 拓 扑 结 构v总 线 型 拓 扑 结 构v树 型 拓 扑 结 构 26 物 联 网 概 论 现 场 总 线 的 分 类v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 ：v传 感 器 总 线 ： 信 息 量 小 、 响 应 快 、 位 传 输v设 备 总 线 ： 可 靠 性 高 、 响 应 快 、 字 节 传 输v控 制 总 线 ： 信 息 量 大 、 可 靠 性 高 、 信 息 传 输v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v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 CANvCAN（ Control Area Network， 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 。vCAN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 Lon WorksvLon Works（ Local Operating Network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 32000个 。网 络 的 传 输 介 质 可 以 是 双 绞 线 、 同 轴 电 缆 、 光 纤 、 射 频 、红 外 线 、 电 力 线 等 。vLon Works的 信 号 传 输 采 用 可 变 长 帧 结 构 。 每 帧 的 有 效 字节 可 由 0288个 。 Lon Works所 采 用 的 Lon Talk通 信 协议 被 封 装 在 称 之 为 Neuron的 神 经 元 芯 片 中 。 物 联 网 概 论 PROFIBUSvPROFIBUS是 (Process Field Bus的 缩 写 )。 它 是 德 国 国家 标 准 DIN 19245和 欧 洲 标 准 EN 50170所 规 定 的 现 场 总线 标 准 。 PROFIBUS由 三 个 兼 容 部 分 组 成 ， 即PROFIBUS DP、 PROFIBUS PA和 PROFIBUSFMS。 最 高 通 信 速 率 为 12Mbps（ 通 信 距 离 不 超 过 100m） ， 最 大 通 信 距 离 为 1200m（ 通 信 速 率 为 9.6kbps） 。 如果 采 用 中 继 器 可 延 长 至 10km ， 其 传 输 介 质 可 以 是 双 绞 线或 光 缆 。 每 个 网 络 可 挂 32个 节 点 ， 如 带 中 继 器 ， 最 多 可 挂127个 节 点 。vPROFIBUS采 用 定 长 或 可 变 长 帧 结 构 ， 定 长 帧 一 般 为 8字节 ， 可 变 长 帧 每 帧 的 有 效 字 节 数 为 l244个 。 近 年 来 ， 多家 公 司 联 合 开 发 PROFIBUS通 信 系 统 的 专 用 集 成 电 路 芯 片 物 联 网 概 论 Fieldbus Foundationv现 场 总 线 基 金 会 (Fieldbus Foundation, FF) 是 国 际 公 认的 、 惟 一 不 属 于 某 企 业 的 、 非 商 业 化 的 国 际 标 准 化 组 织 。其 宗 旨 是 制 定 单 一 的 国 际 现 场 总 线 标 准 。vFF总 线 以 OSI参 考 模 型 为 基 础 ， 取 其 物 理 层 、 链 路 层 和 应用 层 为 FF通 信 模 型 的 相 应 层 次 ， 并 在 此 基 础 上 增 加 了 用 户层 。 FF总 线 分 为 低 速 现 场 总 线 和 高 速 现 场 总 线 两 种 通 信 速率 。 低 速 现 场 总 线 H1的 传 输 速 率 为 31.25kbps， 高 速 现 场总 线 HSE的 传 输 速 率 为 100Mbps， H1支 持 总 线 供 电 和 本 质 安全 特 性 ， 最 大 通 信 距 离 为 1900m（ 如 果 加 中 继 器 可 延 长 至9500m， 最 多 可 直 接 连 接 32个 节 点 （ 非 总 线 供 电 ） 、 13个节 点 （ 总 线 供 电 ） 、 6个 节 点 （ 本 质 安 全 要 求 ） 。 物 联 网 概 论 v如 果 加 中 继 器 最 多 可 连 接 240个 节 点 。 通 信 介 质 为双 绞 线 、 光 缆 或 无 线 电 。vFF采 用 可 变 长 帧 结 构 ， 每 帧 的 有 效 字 节 数 为 0251个 。 目 前 已 经 有 Smar、 Fuji、 National、 Semiconductor、 Siemens、 Yokogawa等 12家 公司 可 以 提 供 FF的 通 信 芯 片 。v目 前 ， 全 世 界 已 有 120多 个 用 户 和 制 造 商 成 为 现 场总 线 基 金 会 的 成 员 。 基 金 会 董 事 会 囊 括 了 世 界 上最 主 要 的 自 动 化 设 备 供 应 商 。 基 金 会 成 员 所 生 产的 自 动 化 设 备 占 世 界 市 场 的 90 以 上 。 物 联 网 概 论 HARTv可 寻 址 远 程 传 感 器 数 据 通 路 （ Highway Addressable Remote Transducer） ， 最 早 由 Rosemount公 司 开 发 。 参 考了 ISO/OSI参 考 模 型 的 物 理 层 、 数 据 链 路 层 和 应 用 层 。 采用 基 于 Bell 202通 信 标 准 的 频 移 键 控 FSK技 术 。 通 信 速 率为 1200bps， 单 台 设 备 的 最 大 通 信 距 离 为 3000m， 多 台 设 备互 连 的 最 大 通 信 距 离 为 1500m ， 通 信 介 质 为 双 绞 线 ， 最 大节 点 数 为 15个 。vHART采 用 可 变 长 帧 结 构 ， 每 帧 最 长 为 25个 字 节 ， 寻 址 范 围为 0 15。 当 地 址 为 0时 ， 处 于 420mA与 数 字 通 信 兼 容 状 态。 而 当 地 址 为 l15时 ， 则 处 于 全 数 字 状 态 。 物 联 网 概 论 WorldFIPv世 界 工 厂 仪 表 协 议 World Factory Instrument Protocol的 缩 写 。 采 纳 了 IEC物 理 层 国 际 标 准 （ IEC6ll58 2） ， 是欧 洲 现 场 总 线 标 准 EN50170-3。vWorldFIP协 议 按 照 OSI参 考 模 型 定 义 了 物 理 层 、 数 据 链 路层 和 应 用 层 。 WorldFIP采 用 有 调 度 的 总 线 访 问 控 制 ， 通 信速 率 分 别 为 31.35kbps、 1Mbps、 2.5Mbps， 对 应 的 最 大 通信 距 离 分 别 为 5000m、 1000m、 500m ， 其 通 信 介 质 为 双 绞线 。 如 果 采 用 光 纤 ， 其 最 大 通 信 距 离 可 达 40km。 每 段 现 场总 线 的 最 大 节 点 数 为 32个 ， 使 用 分 线 盒 可 连 接 256个 节 点。 整 个 网 络 最 多 可 以 使 用 3个 中 继 器 ， 连 接 4个 网 段 。vWorldFIP采 用 可 变 长 帧 结 构 ， 每 帧 的 最 大 字 节 数 为 256个。 适 合 于 包 括 TCP IP在 内 的 各 种 类 型 的 协 议 数 据 单 元 。WorldFIP可 以 提 供 各 种 专 用 通 信 芯 片 。 现场总线的特点和应用范围 现 场 总 线 特 点 应 用Profibus-DP 传 输 速 率 9.6-12Kbps 支 持 Profibus-DP总 线 的 智 能 电 气 设 备 、 PLC等， 适 用 于 过 程 顺 序 控 制 和 过 程 参 数 的 监 控传 输 距 离 100 1200m传 输 介 质 双 绞 线 或 光 缆FF 传 输 速 率 31.25Kbps 现 场 总 线 仪 表 ， 执 行 机 构 等 过 程 参 数 的 监 控传 输 距 离 1900m传 输 介 质 双 绞 线 或 光 缆CAN 传 输 速 率 5 500Kbps 汽 车 内 部 的 电 子 装 置 控 制 ， 大 型 仪 表 的 数 据 采 集和 控 制传 输 距 离 40-500m传 输 介 质 两 芯 电 缆WorldFIP 传 输 速 率 31.25 2500Kbps 可 应 用 于 连 续 或 断 续 过 程 的 自 动 控 制传 输 距 离 500 5000m传 输 介 质 双 绞 线 或 光 缆DeviceNet 传 输 速 率 125、 250、 500Kbps 适 用 于 电 器 设 备 和 控 制 设 备 的 设 备 级 网 络 控 制 ，以 及 过 程 控 制 和 顺 序 控 制 设 备 等传 输 距 离 100 500m传 输 介 质 五 芯 电 缆Interbus 传 输 速 率 500K 12Mbps 车 间 设 备 和 PLC网 络 控 制传 输 距 离 100m传 输 介 质 同 轴 电 缆 或 者 光 缆ControlNet 传 输 速 率 5Mbps 车 间 级 网 络 控 制 和 PLC网 络 控 制传 输 距 离 100 400m传 输 介 质 双 绞 线LonWorks 传 输 速 率 78 1250Kbps 由 于 智 能 神 经 元 节 点 技 术 和 电 力 载 波 技 术 ， 可 广泛 应 用 于 电 力 系 统 和 楼 宇 自 动 化传 输 距 离 130 2700m传 输 介 质 双 绞 线 或 电 力 线 8种现场总线的特点和应用范围 物 联 网 概 论 现 场 总 线 应 用v现 场 总 线 技 术 的 应 用 领 域 十 分 广 泛 ， 凡 属 设 备 间 需 要 数 据通 信 的 场 合 都 需 要 它 连 续 、 离 散 制 造 业 ， 如 电 力 、 石 化 、 冶 金 、 纺 织 、 造纸 ， 过 程 自 动 化 仪 表 ； 火 车 、 汽 车 、 轮 船 、 机 器 人 、数 控 机 床 ； 智 能 传 感 器 楼 宇 自 控 、 仓 储 ； 智 能 交 通 、 环 境 监 测 （ 大 气 、 水 污 染 监 测 网 络 ） 农 、 林 、 水 利 、 养 殖 等v其 技 术 与 产 品 在 工 业 控 制 计 算 机 、 测 控 板 卡 、 仪 器 仪 表 、系 统 集 成 、 应 用 系 统 等 领 域 都 有 良 好 的 发 展 前 景 物 联 网 概 论 403.3 协 议 与 标 准3.2 无 线 通 信 传 输 层 3.1 有 线 通 信 传 输 层（ ZigBee）（ WiFi）（ WiMAX）（ Bluetooth）数 据 标 准长 距 离 无 线 通 信短 距 离 无 线 通 信三 网 融 合现 场 总 线 物 联 网 概 论 3.2 无 线 通 信 传 输 层v无 线 通 信 也 可 分 为 长 距 离 的 无 线 广 域 网 （ WWAN） 中 、 短 距 离 的 无 线 局 域 网 （ WLAN） 超 短 距 离 的 WPAN（ 无 线 个 人 网 ， Wireless Personal Area Networks）v传 感 网 主 要 由 WLAN或 WPAN技 术 作 为 支 撑 ，结 合 传 感 器 。 “传 感 器 ”和 “传 感 网 ”二 合 一 的RFID的 传 输 部 分 也 是 属 于 WPAN或 WLAN。 41 物 联 网 概 论 长 距 离 无 线 通 信v无 线 通 信 发 展 ： 1G： 1995年 问 世 的 第 一 代 模 拟 制 式 手 机 只 能 进 行 语 音 通 话 ； 2G： 1996到 1997年 出 现 的 第 二 代 GSM、 TDMA等 数 字 制 式 手 机 便 增 加了 接 收 数 据 的 功 能 ， 如 接 受 电 子 邮 件 或 网 页 ； 2.5G： 基 于 2G与 3G之 间 的 过 渡 类 型 。 比 2G在 速 度 、 带 宽 上 有 所 提高 。 可 使 现 有 GSM网 络 轻 易 地 实 现 与 高 速 数 据 分 组 的 简 便 接 入 。 3G： 第 三 代 与 前 两 代 的 主 要 区 别 是 在 传 输 声 音 和 数 据 的 速 度 上 的提 升 ， 它 能 够 在 全 球 范 围 内 更 好 地 实 现 无 缝 漫 游 ， 并 处 理 图 像 、音 乐 、 视 频 流 等 多 种 媒 体 形 式 ， 提 供 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 。 42 物 联 网 概 论 长 距 离 无 线 通 信vGSM：v全 名 为 ： Global System for Mobile Communications， 中 文 为 全 球 移 动 通 讯 系 统 ，俗 称 全 球 通 ， 是 一 种 起 源 于 欧 洲 的 移 动 通 信 技术 标 准 ， 是 第 二 代 移 动 通 信 技 术 ， 其 开 发 目 的 是让 全 球 各 地 可 以 共 同 使 用 一 个 移 动 电 话 网 络 标 准 ，让 用 户 使 用 一 部 手 机 就 能 行 遍 全 球 。 我 国 于 20世纪 90年 代 初 引 进 采 用 此 项 技 术 标 准 ， 此 前 一 直 是采 用 蜂 窝 模 拟 移 动 技 术 ， 即 第 一 代 GSM技 术（ 2022年 12月 31日 我 国 关 闭 了 模 拟 移 动 网络 ） 。 目 前 ， 中 国 移 动 、 中 国 联 通 各 拥 有 一 个GSM网 ， 为 世 界 最 大 的 移 动 通 信 网 络 。 GSM系统 包 括 GSM 900： 900MHz、 GSM1800：1800MHz 及 GSM1900： 1900MHz等 几 个 频 段 。 GSM（ 全 球 移 动 通 信 系 统 ） 是 一 种 广 泛应 用 于 欧 洲 及 世 界 其 他 地 方 的 数 字 移 动 电 话 系 统 。GSM使 用 的 是 时 分 多 址 的 变 体 ， 并 且 它 是 目 前 三种 数 字 无 线 电 话 技 术 （ TDMA、 GSM和 CDMA）中 使 用 最 为 广 泛 的 一 种 。 GSM将 资 料 数 字 化 ， 并将 数 据 进 行 压 缩 ， 然 后 与 其 它 的 两 个 用 户 数 据 流一 起 从 信 道 发 送 出 去 ， 另 外 的 两 个 用 户 数 据 流 都有 各 自 的 时 隙 。 。 GSM实 际 上 是 欧 洲 的 无 线 电 话标 准 ， 据 GSM MoU联 合 委 员 会 报 道 ， GSM在全 球 有 12亿 的 用 户 ， 并 且 用 户 遍 布 120多 个 国 家 。因 为 许 多 GSM网 络 操 作 员 与 其 他 国 外 操 作 员 有 漫游 协 议 ， 因 此 当 用 户 到 其 他 国 家 之 后 ， 仍 然 可 以继 续 使 用 他 们 的 移 动 电 话 。43 物 联 网 概 论 长 距 离 无 线 通 信vCDMA： 是 码 分 多 址 的 英 文 缩 写 (Code Division Multiple Access)， 它 是 在 数 字 技 术 的 分 支 -扩 频 通 信 技 术 上 发展 起 来 的 一 种 崭 新 而 成 熟 的 无 线 通 信 技 术 。 CDMA技 术的 原 理 是 基 于 扩 频 技 术 ， 即 将 需 传 送 的 具 有 一 定 信 号带 宽 信 息 数 据 ， 用 一 个 带 宽 远 大 于 信 号 带 宽 的 高 速 伪随 机 码 进 行 调 制 ， 使 原 数 据 信 号 的 带 宽 被 扩 展 ， 再 经载 波 调 制 并 发 送 出 去 。 接 收 端 使 用 完 全 相 同 的 伪 随 机码 ， 与 接 收 的 带 宽 信 号 作 相 关 处 理 ， 把 宽 带 信 号 换 成原 信 息 数 据 的 窄 带 信 号 即 解 扩 ， 以 实 现 信 息 通 信 。 44 物 联 网 概 论 长 距 离 无 线 通 信vTD-SCDMA： 全 称 TimeDivision-SynchronousCDMA， 该 标 准 是 由 我 国 大 唐 电 信公 司 提 出 的 3G标 准 。 该 标 准 将 智 能 无 线 、 同 步 CDMA和 软 件 无 线 电等 当 今 国 际 领 先 技 术 融 于 其 中 。 由 于 中 国 国 内 庞 大 的 市 场 ， 该 标准 受 到 各 大 主 要 电 信 设 备 厂 商 的 重 视 ， 全 球 一 半 以 上 的 设 备 厂 商都 宣 布 可 以 支 持 TD-SCDMA标 准 ， 对 于 中 国 通 信 事 业 实 为 一 大 机 遇 。 由 于 3G商 用 需 要 相 当 浩 大 的 工 程 ， 所 牵 扯 的 层 面 多 且 复 杂 ， 要 从目 前 的 2G迈 向 3G不 可 能 一 下 就 衔 接 得 上 ， 因 而 2.5G的 手 机 就 应 运而 生 ， 目 前 已 经 进 行 商 业 应 用 的 2.5G移 动 通 信 技 术 可 以 认 为 是 从2G迈 向 3G的 衔 接 性 技 术 ， 同 时 也 就 衍 生 了 HSCSD、 WAP、 EDGE、 蓝牙 (Bluetoot)、 EPOC等 技 术 都 是 2.5G技 术 。 45 物 联 网 概 论 长 距 离 无 线 通 信vWCDMA： 即 WidebandCDMA， 意 为 宽 频 分 码 多 重 存 取 ， 是 由 GSM网发 展 出 来 的 3G技 术 规 范 ， 其 支 持 者 主 要 是 以 GSM系 统 为主 的 欧 洲 厂 商 ， 包 括 欧 美 的 爱 立 信 、 诺 基 亚 、 朗 讯 、北 电 以 及 日 本 的 NTT、 富 士 通 、 夏 普 等 厂 商 。 这 套 系 统能 够 架 设 在 现 有 的 GSM网 络 上 ， 对 于 系 统 提 供 商 而 言 可以 较 方 便 地 过 渡 ， 而 GSM系 统 相 当 普 及 的 亚 洲 对 这 套 新技 术 的 接 受 度 会 比 较 高 。 因 此 ， W-CDMA具 有 先 天 的 市场 优 势 。 目 前 W-CDMA手 机 已 有 多 种 产 品 面 世 ， 但 国 内还 没 有 完 善 的 3G网 络 可 以 应 用 。 46 物 联 网 概 论 长 距 离 无 线 通 信vGPRS： 是 通 用 分 组 无 线 业 务 (General Packet Radio Service)的 简 称 ， 它 是 GSM移 动 电 话 用 户 可 用 的 一 种 移 动 数 据 业 务 。 它 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 。 GPRS(General Packet Radio Service)是 一 种 以 全 球 手 机 系 统 （ GSM） 为 基 础 的 数 据 传 输 技 术 ，可 说 是 GSM的 延 续 。 GPRS和 以 往 连 续 在 频 道 传 输 的 方 式 不 同 ， 是 以 封 包（ Packet） 式 来 传 输 ， 因 此 使 用 者 所 负 担 的 费 用 是 以 其 传 输 资 料 单 位 计算 ， 并 非 使 用 其 整 个 频 道 ， 理 论 上 较 为 便 宜 。 GPRS的 传 输 速 率 可 提 升 至56甚 至 114Kbps。 而 且 ， 因 为 不 再 需 要 现 行 无 线 应 用 所 需 要 的 中 介 转 换 器 ， 所 以 连 接 及 传 输 都 会 更 方 便 容 易 。 如 此 ， 使 用 者 既 可 联 机 上 网 ， 参 加 视讯 会 议 等 互 动 传 播 ， 而 且 在 同 一 个 视 讯 网 络 上 （ VRN） 的 使 用 者 ， 甚 至 可以 无 需 通 过 拨 号 上 网 ， 而 持 续 与 网 络 连 接47 物 联 网 概 论 短 距 离 无 线 通 信v蓝 牙 ： 蓝 牙 是 一 种 支 持 设 备 短 距 离 通 信 （ 一 般 是 10m之 内 ） 的 无 线 电 技 术 。 能 在 包 括 移 动电 话 、 PDA、 无 线 耳 机 、 笔 记 本 电 脑 、 相 关 外 设 等 众 多 设 备 之 间 进 行 无 线 信 息 交 换 。蓝 牙 的 标 准 是 IEEE802.15， 工 作 在 2.4GHz 频 带 ， 带 宽 为 1Mb/s。 “ 蓝 牙 ” （ Bluetooth） 原 是 一 位 在 10世 纪 统 一 丹 麦 的 国 王 ， 他 将 当 时 的 瑞 典 、 芬兰 与 丹 麦 统 一 起 来 。 用 他 的 名 字 来 命 名 这 种 新 的 技 术 标 准 ， 含 有 将 四 分 五 裂 的 局面 统 一 起 来 的 意 思 。 蓝 牙 技 术 使 用 高 速 跳 频 （ FH， Frequency Hopping） 和 时 分 多址 （ TDMA， Time DivesionMuli access） 等 先 进 技 术 ， 在 近 距 离 内 最 廉 价 地 将 几台 数 字 化 设 备 （ 各 种 移 动 设 备 、 固 定 通 信 设 备 、 计 算 机 及 其 终 端 设 备 、 各 种 数 字数 据 系 统 ， 如 数 字 照 相 机 、 数 字 摄 像 机 等 ， 甚 至 各 种 家 用 电 器 、 自 动 化 设 备 ） 呈网 状 链 接 起 来 。 蓝 牙 技 术 将 是 网 络 中 各 种 外 围 设 备 接 口 的 统 一 桥 梁 ， 它 消 除 了 设备 之 间 的 连 线 ， 取 而 代 之 以 无 线 连 接 。 蓝 牙 是 一 种 短 距 的 无 线 通 讯 技 术 ， 电 子 装 置 彼 此 可 以 透 过 蓝 牙 而 连 接 起 来 ， 省 去了 传 统 的 电 线 。 透 过 芯 片 上 的 无 线 接 收 器 ， 配 有 蓝 牙 技 术 的 电 子 产 品 能 够 在 十 公尺 的 距 离 内 彼 此 相 通 ， 传 输 速 度 可 以 达 到 每 秒 钟 1兆 字 节 。 以 往 红 外 线 接 口 的 传 输技 术 需 要 电 子 装 置 在 视 线 之 内 的 距 离 ， 而 现 在 有 了 蓝 牙 技 术 ， 这 样 的 麻 烦 也 可 以免 除 了 。 48 物 联 网 概 论 短 距 离 无 线 通 信vWiFi： 俗 称 无 线 宽 带 ， IEEE 802.11b 的 别 称 。 是 由 一 个 名 为 “ 无 线 以太 网 相 容 联 盟 ” （ Wireless Ethernet Compatibility Alliance, WECA） 的 组 织 所 发 布 的 业 界 术 语 ， 中 文 译 为 “ 无 线 相 容 认 证 ” 。它 是 一 种 短 程 无 线 传 输 技 术 ， 能 够 在 数 百 英 尺 范 围 内 支 持 互 联 网接 入 的 无 线 电 信 号 。 随 著 技 术 的 发 展 ， 以 及 IEEE 802.11a 及 IEEE 802.11g等 标 准 的 出 现 ， 现 在 IEEE 802.11 这 个 标 准 已 被 统 称 作Wi-Fi。 从 应 用 层 面 来 说 ， 要 使 用 Wi-Fi， 用 户 首 先 要 有 Wi-Fi 兼容 的 用 户 端 装 置 。 Wi-Fi (Wireless Fidelity)， 无 线 保 真 技 术 与 蓝 牙 技 术 一 样 ， 同属 于 在 办 公 室 和 家 庭 中 使 用 的 短 距 离 无 线 技 术 。 该 技 术 使 用 的 是2.4GHz附 近 的 频 段 ， 该 频 段 目 前 尚 属 没 用 许 可 的 无 线 频 段 。 其 目前 可 使 用 的 标 准 有 两 个 ， 分 别 是 IEEE802.11a和 IEEE802.11b。 该 技 术 由 于 有 着 自 身 的 优 点 ， 因 此 受 到 厂 商 的 青 睐 。 49 物 联 网 概 论 短 距 离 无 线 通 信vWiMAX： 全 称 为 Worldwide Interoperability for Microwave Access,即全 球 微 波 互 联 接 入 。 WiMAX的 另 一 个 名 字 是 802.16。 WiMAX是 一 项新 兴 的 宽 带 无 线 接 入 技 术 ， 能 提 供 面 向 互 联 网 的 高 速 连 接 ， 数 据传 输 距 离 最 远 可 达 50km。 WiMAX还 具 有 QoS保 障 、 传 输 速 率 高 、 业务 丰 富 多 样 等 优 点 。 WiMAX的 技 术 起 点 较 高 ， 采 用 了 代 表 未 来 通 信技 术 发 展 方 向 的 OFDM/OFDMA、 AAS、 MIMO等 先 进 技 术 ， 随 着 技 术 标准 的 发 展 ， WiMAX将 逐 步 实 现 宽 带 业 务 的 移 动 化 ， 而 3G则 将 实 现 移动 业 务 的 宽 带 化 ， 两 种 网 络 的 融 合 程 度 将 会 越 来 越 高 。 WiMAX(全球 微 波 互 联 接 入 )不 仅 在 北 美 、 欧 洲 迅 猛 发 展 ， 而 且 这 股 热 浪 已 经推 进 到 亚 洲 。 WiMAX又 称 为 802 16无 线 城 域 网 ， 是 又 一 种 为 企 业和 家 庭 用 户 提 供 “ 最 后 一 英 里 ” 的 宽 带 无 线 连 接 方 案 。 因 在 数 据通 信 领 域 的 高 覆 盖 范 围 (可 以 覆 盖 25 30英 里 的 范 围 ),以 及 对 3G可 能 构 成 的 威 胁 ， 使 WiMAX在 最 近 一 段 时 间 备 受 业 界 关 注 。 50 物 联 网 概 论 短 距 离 无 线 通 信vZigBee：vZigBee这 个 名 字 来 源 于 蜂 群 的 通 信 方 式 ： 蜜 蜂之 间 通 过 跳 Zigzag形 状 的 舞 蹈 来 交 互 消 息 ， 以便 共 享 食 物 源 的 方 向 、 位 置 和 距 离 等 信 息 。 与 其它 无 线 通 信 协 议 相 比 ， ZigBee无 线 协 议 复 杂 性低 、 对 资 源 要 求 少 。 51 52 主流WLAN和WPAN协议的特点和用途 计 算 机 文 化 基 础 实 验 教 程