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无线传感器网络技术原理及应用ppt课件第10章
为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
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10.3 网关的特点与功能
网关是一种不同的网络协议相互转换的设备，但是在 设计无线传感器网络网关时，必须要考虑传感器网络的特 点，所以在设计无线传感器网络网关时，必须考虑其特殊 的特点和功能。本节将介绍广义网关和无线传感器网络网 关的特点和功能。
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10.3.1 网关的特点 广义上的网关有以下两个特点： 连接不同协议的网络。在一个大型的计算机网络中，
当类型不同而协议又差别很大时，可以利用网关实现多个 物理上或逻辑上独立的网络间的连接。由于协议转换的复 杂性，一般只进行一对一的转换或者少数集中应用协议的 转换。
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图10- 1 专用网关示意图
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图10-4 局域网与外部数据转换
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无线传感器网络PPT课件
• 数据链路层（MAC层协议）
信号的传输要靠信道，因此信道也就成为了一种宝贵的资源。 怎样合理有效的分配信道，就是数据链路层中的MAC子层要解 决的问题了
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网络层（路由）
• 网络层（路由）
两个基本功能：确定最佳路径和通过网络传输信息 1 泛洪式路由 2 SPIN（SPIN是一组基于协商并且具有能量自适应功能的协 议） 3 LEACH（LEACH是一种分层网络协议，它以循环的方式随机选择簇首节
三、无线传感器网络关键技 术
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3.1 无线传感器网络MAC协议
• 所谓的MAC协议，就是通过一组规则和过程来更有效、有序和公平地使用共享介质。它实现两大基本功能 目标：在密集散布的传感器现场能够有助于建立起一个基本网络基础设施所需的数据通信链路；协调共享 介质的访问
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第21页/共36页
管理平台
• 管理平台对整个网络进行检测、管理，它通常为运行有网络管理软件的PC机或者手持终端设备
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4、2无线传感器网络硬件平台
• 目前传感器节点种类繁多，很多科研机构都开放自己的硬件平台，但是这些硬件平台之间主要区别在于所 采用的处理器、无线通信方式、传感器配置不同。下面具体介绍几家公司的硬件平台。
•
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图1 无线传感器网络体系结构图
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无线传感器通信协议系统结构
• 物理层技术 为数据流传输所需的物理连接的建立、维护和释放提供的机械的、电气的、功能和规程性的模块就叫做
物理层 在物理层面上，无线传感器网络遵从的主要是标准（Zigbee）
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数据链路层（MAC层协议）
• Intel 公司的intel mote2 • Chipcon 公司的cc2420ZDK • Ember公司的em250 Development kit • Freescale公司的 mc13191 • 中科院的minigains系列
信号的传输要靠信道，因此信道也就成为了一种宝贵的资源。 怎样合理有效的分配信道，就是数据链路层中的MAC子层要解 决的问题了
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网络层（路由）
• 网络层（路由）
两个基本功能：确定最佳路径和通过网络传输信息 1 泛洪式路由 2 SPIN（SPIN是一组基于协商并且具有能量自适应功能的协 议） 3 LEACH（LEACH是一种分层网络协议，它以循环的方式随机选择簇首节
三、无线传感器网络关键技 术
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3.1 无线传感器网络MAC协议
• 所谓的MAC协议，就是通过一组规则和过程来更有效、有序和公平地使用共享介质。它实现两大基本功能 目标：在密集散布的传感器现场能够有助于建立起一个基本网络基础设施所需的数据通信链路；协调共享 介质的访问
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管理平台
• 管理平台对整个网络进行检测、管理，它通常为运行有网络管理软件的PC机或者手持终端设备
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4、2无线传感器网络硬件平台
• 目前传感器节点种类繁多，很多科研机构都开放自己的硬件平台，但是这些硬件平台之间主要区别在于所 采用的处理器、无线通信方式、传感器配置不同。下面具体介绍几家公司的硬件平台。
•
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图1 无线传感器网络体系结构图
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无线传感器通信协议系统结构
• 物理层技术 为数据流传输所需的物理连接的建立、维护和释放提供的机械的、电气的、功能和规程性的模块就叫做
物理层 在物理层面上，无线传感器网络遵从的主要是标准（Zigbee）
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数据链路层（MAC层协议）
• Intel 公司的intel mote2 • Chipcon 公司的cc2420ZDK • Ember公司的em250 Development kit • Freescale公司的 mc13191 • 中科院的minigains系列
无线传感器网络原理及应用第4章定位技术ppt课件
(
x1
(
x1
x)2 x)2
( y1
(y2
y)2 y)2
ρ12 ρ22
(xn x)2 ( yn y)2 ρn2
(4-3)
资金是运动的价值，资金的价值是随 时间变 化而变 化的， 是时间 的函数 ，随时 间的推 移而增 值，其 增值的 这部分 资金就 是原有 资金的 时间价 值
X(ATA)1ATb
资金是运动的价值，资金的价值是随 时间变 化而变 化的， 是时间 的函数 ，随时 间的推 移而增 值，其 增值的 这部分 资金就 是原有 资金的 时间价 值
第4章 定位技术
4.1.2 定位算法分类 在传感器网络中，根据定位过程中是否测量实际节点间
的距离，把定位算法分为基于距离的(range-based)定位算法 和与距离无关的(range-free)定位算法，前者需要测量相邻节 点间的绝对距离或方位，并利用节点间的实际距离来计算未 知节点的位置；后者无需测量节点间的绝对距离或方位，而 是利用节点间估计的距离计算节点位置。
资金是运动的价值，资金的价值是随 时间变 化而变 化的， 是时间 的函数 ，随时 间的推 移而增 值，其 增值的 这部分 资金就 是原有 资金的 时间价 值
第4章 定位技术
4.1 定位技术简介
4.1.1 定位技术的概念、常见算法和分类 1. 无线传感器网络定位技术概念 在传感器网络节点定位技术中，根据节点是否已知自身
标为(x，y)。对于节点A、C和∠ADC，确定圆心为O1(xO1， yO1)、半径为r1的圆，，则
(xO1 x1)2 (yO1 y1)2 r1
(xO1 x2)2 (yO1 y2)2
r1
(x1
x3)2
(y1
无线传感器网络技术原理及应用第6章ppt课件
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3. MC1322X系列 MC13224是MC1322X系列的典型代表，是飞思卡尔公 司研发的第三代Zigbee解决方案。它集成了完整低功耗 2.4GHz无线电收发器，基于32位ARM7核的MCU，是高密 度低元件数IEEE802.15.4综合解决方案，能实现点对点连 接和完整的Zigbee网状网络。 MC13224支持国际802.15.4标准以及ZigBee、 ZigBeePRO和ZigBeeRF4CE标准，提供了优秀的接收器灵 敏度和健壮的抗干扰性，具有多种供电模式，以及一套常 用的外设集(包括2个高速UART、12位ADC和64个通用 GPIO、4个定时器、I2C等)。
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2) 时钟和电源管理 数字内核和外设由一个1.8V低差稳压器供电。另外， CC253X系列芯片包括一个电源管理功能，可以实现使用不 同供电模式，用于延长电池的寿命，有利于低功耗运行。 3) 外设 CC253X系列芯片有许多不同的外设，允许应用程序设 计者开发先进的应用。这些外设包括调试接口、I/O控制器、 两个8位的定时器、一个16位的定时器、一个MAC定时器、 ADC和AES协处理器、看门狗电路、两个串口和USB(仅限 于CC2531)。
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6.2 应用系统组成
Zigbee是一种短距离的无线通信技术，其应用系统由 硬件和软件组成。本节将详细讲解比较常见的Zigbee芯片 及Zigbee协议栈。
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第8章无线传感器网络newPPT课件
应用相关 ：由于应用环境区别很大，传感网路
由机制由应用确定
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设计无线传感器网络路由机制的要求
(1) 能量高效 (2) 可扩展性 (3) 鲁棒性：路由机制有一定的容错能力。 (4) 快速收敛性 ：路由表更新，并将分组
发送到新的接口所用的时间。
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路由协议分类
根据不同应用对传感器网络各种特性的敏感度不同，可以将 路由协议分为四种类型：
(1)能量感知路由协议。早期传感网络路由协议仅考虑能量 因素，如能量路由算法和能量多路径路由算法。
(2)基于查询的路由协议。实时监测应用中，以数据查询为 主，通信流量主要是查询节点和传感器节点之间的命令 和数据传输，同时传感器节点通常进行数据融合。
(3)地理位置路由协议。目标跟踪应用中，需要知道节点的 地理位置，以此作为路由依据。
通常采用微型电池。
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3.无线传感器网络的协议体系
❖ 图a是早期协议栈模型，与互联网五层协议栈 对应
❖ 图b是细化后的协议栈模型
时间同步和定位子层既要依赖于数据传输通道进 行协作定位和时间同步协商，又要为其他各层提 供信息支持，如基于时分复用的MAC协议，基于 地理位置的路由协议等。
b右边诸多机制一部分融入到协议中，另一部分
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MAC协议分类标准:
❖ 缺乏统一的分类标准，采用以下几种： 采用分布式控制还是集中控制 使用单一共享信道还是多个信道 采用固定分配信道方式还是随机访问信道方式
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采用第三种标准的MAC协议分类:
(1) 采用无线信道的时分复用方式，给每个传感器节点分配固 定的无线信道使用时段，从而避免节点之间的相互干扰。 包括基于分簇网络的MAC协议、DEANA协议、基于周期性 调度的协议、TRAMA协议、DMAC协议等。
无线传感器网络技术原理及应用课件第7章
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7.2 RFID标准
RFID标准化的目的在于，通过制定、发布和实施标准， 解决编码、通信、空中接口和数据共享等问题，最大程度地 促进了RFID技术与相关系统的应用。RFID标准的主要内容 包括以下几个方面：
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技术：包含的层面很多，主要是接口和通信技术，如空 中接口、防碰撞方法、中间件技术和通信协议等。
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图7-1 RFID应用系统组成
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7.1.2 分类 RFID的分类多种多样，根据不同的标准和要求以及分类
的依据不同，主要可以分为以下几种。 1. 按供电方式分类 根据标签的供电方式可以将RFID系统分为有源、无源和
半有源系统。 有源的RFID与无源的RFID系统主要是指标签的工作电
源是否由内部电池供给。有源电子标签又称为主动标签，标 签的工作电源完全由内部电池供给，同时标签电池的能量供 应部分转换为电子标签与读写器通信所需的射频能量。
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7.1.1 组成 RFID应用系统由读写器、标签和高层等部分组成，如图
7-1所示。 读写器和标签可以构成一个简单的应用系统，例如公交
车上的消费系统。复杂的应用需要一个读写器同时读取n个 标签。更复杂的应用系统需要解决读写器的高层处理问题。
射频识别技术的核心在标签上，读写器是根据标签的性 能而设计的。虽然在RFID系统中标签的价格和性能比读写器 低，但通常情况下，在应用中标签的数量是很大的，尤其是 在物流应用中，标签的应用量不仅大而且可能一次性使用， 而读写器的数量相对要少并且可以重复使用。
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解调器：去除载波，取出调制信号。 电压调节器：把由读写器送来的射频信号转换为直流电 源，并经过大电容存储能量，再通过稳压电路来提供稳定的 电源。 逻辑控制单元：译码读写器送来的信号，并依据要求返 回数据给阅读器。 存储单元：用于系统运行及存放识别数据。
无线传感器网络的理论及应用PPT教学课件
2020/12/11
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以数据为中心
在无线传感器网络中，人们通常只关心某 个区域内某个观测指标的数值，而不会去 具体关心单个节点的观测数据。 用户使用传感器网络查询事件时，直接将 所关心的事件通告给网络，而不是通告给 某个确定编号的节点。网络在获得指定事 件的信息后汇报给用户。
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网络的通信保密和安全性十分重要，信道 加密、抗干扰、用户认证和其他安全措施 都需要特别考虑。
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无线传感器网络的特征
深入研究表明，无线传感器网络有着与无 线自组网络明显不同的技术要求和应用目 标。无线自组网络以传输数据为目的，致 力于在不依赖于任何基础设施的前提下为 用户提供高质量的数据传输服务；而无线 传感器网络以数据为中心，将能源的高效 使用作为首要设计目标。
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无线传感器网络的体系结构概述
应用服务接口
网络管理接口
安
全
/
拓 扑 控
服 务 质 量
移 动
/ 能
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无线传感器网络的特征
作为Internet在无线和移动范畴的扩展和延伸，无线自组网络 （Ad-hoc Network）由若干采用无线通信的节点动态地形成一个 多跳的移动性对等网络，从而不依赖于任何基础措施。
无线传感器网络与 无线自组网络的共 同特点：
分布式 自组织 拓扑变化 多跳路由 安全性差
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多跳路由
由于节点发射功率限制，节点的覆盖范围 有限，通常只能与它的邻居节点通信。
多跳路由是由普通网络节点协作完成，没 有专门的路由设备。每个节点既可以是信 息的发起者，也可以是转发者。
无线传感器网络技术原理及应用ppt课件第0章
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无线传感器网络网关节点是无线传感器网络的控制中
心，能够主动扫描其覆盖范围内的所有传感器节点，管理 整个无线监测网络完整的路由表，接收来自其他节点的数
据，并对数据进行校正、融合等处理，通过GPRS或者以太
网等网络基础设施发送到远程监控中心。同时对于监控中 心所发出的指令给予相应的处理。网关节点通常连接两个 或多个相互独立的网络，需要在传输层以上对不同的协议 进行转换，因此对中央控制器的数据传输和运算能力有较 高的要求。
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图10-6 网关协议转化过程
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小结
通过本章的学习，学生应该能够掌握：
网关又称网间连接器，协议转换器，是多个网络间提 供数据转换服务的计算机系统或设备。 协议网关在不同协议的网络区域作协议转化。 应用网关是在应用层连接两部分应用程序的网关，是 在不同数据格式间翻译数据的系统。 安全网关类似于防火墙，网关可以是本地的，也可以 是远程的。
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图10- 1 专用网关示意图
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2. 两层协议网关
两层协议网关提供局域网到局域网的转换。在使用不 同帧类型或时钟频率的局域网间的互连可能就需要这种转
换。
所有的IEEE802标准都共享公共介质访问层，但是不同 的标准之间的帧结构可能不同，例如：IEEE802.3标准和 IEEE802.5标准。如所示。不同标准间帧结构的不同导致两 种协议之间不能直接通信。
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1. 专用网关
专用网关能够在传统的大型机系统和迅速发展的分布 式系统间建立桥梁。典型的专用网关把基于PC的客户端连
到局域网边缘的转换器。该转换器通过X.25网络提供对大
型机系统的访问。专用网关示意图如所示。 专用网关示意图演示了从PC客户端到网关的过程，网 关将IP数据通过X.25广域网传送给大型机系统。这些网关 通常需要安装在连接到局域网的计算机上的单功能的电路 板中，这使其价格低，并且较容易升级。
无线传感器网络技术与应用课件
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1、基于距离的定位
基于距离的定位机制（range-based）是通过测量相邻节点 间的实际距离或方位进行定位的。分为三个阶段
1）测距阶段。首先未知节点通过测量接收到信标节点发出 信号的某些参数，如强度、到达时间、达到角度等，计算 出未知节点到信标节点之间的距离，这个测量出来的距离 可能是未知节点到信标节点的直线距离，也可能是二者之 间的近似直线距离。
48
2、入侵检测技术 入侵检测可以被定义为识别出正在发生的入侵 企图或已经发生的入侵活动过程 分类 基于误用的检测 基于异常的检测 基于规范的检测
49
入侵检测框架
50
国内和国际有多项标准与无线传感器网络具有关联 性，其中明确提出其研究对象为无线传感器网络标 准的组织包括国内WGSN标准工作组和国际ISO/IEC JTC1 WG7工作组
39
3、查询处理技术 动态数据查询：数据仅在一个小的时间窗内有效 历史数据查询：对检测到的历史数据进行检测、 分析走势等，此类查询通常认为每个数据都是同 等重要的，是不可缺少的
40
四、目标跟踪技术 目标跟踪是指为了维持对目标当前状态的估计， 同时也是对传感器接收的量测进行处理的过程 基本原理：当有目标进入监测区域时，由于目标 的辐射特性（通常是红外辐射特征）、声传播特 征和目标运动过程中产生的地面震动特征，传感 器会探测到相应的信号
3
二、无线传感器网络的应用领域 军事 农业 医疗 建筑工程与建筑物 智能建筑与市政建设管理
4
三、无线传感器网络的特点 体积小、电源能力有限 计算和存储能力有限 分布式、多跳自组织 通信半径小、带宽低 动态性强 以数据为中心
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四、无线传感器网络的关键技术 网络拓扑控制 网络协议 时间同步 定位技术 数据管理 网络安全
1、基于距离的定位
基于距离的定位机制（range-based）是通过测量相邻节点 间的实际距离或方位进行定位的。分为三个阶段
1）测距阶段。首先未知节点通过测量接收到信标节点发出 信号的某些参数，如强度、到达时间、达到角度等，计算 出未知节点到信标节点之间的距离，这个测量出来的距离 可能是未知节点到信标节点的直线距离，也可能是二者之 间的近似直线距离。
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2、入侵检测技术 入侵检测可以被定义为识别出正在发生的入侵 企图或已经发生的入侵活动过程 分类 基于误用的检测 基于异常的检测 基于规范的检测
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入侵检测框架
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国内和国际有多项标准与无线传感器网络具有关联 性，其中明确提出其研究对象为无线传感器网络标 准的组织包括国内WGSN标准工作组和国际ISO/IEC JTC1 WG7工作组
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3、查询处理技术 动态数据查询：数据仅在一个小的时间窗内有效 历史数据查询：对检测到的历史数据进行检测、 分析走势等，此类查询通常认为每个数据都是同 等重要的，是不可缺少的
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四、目标跟踪技术 目标跟踪是指为了维持对目标当前状态的估计， 同时也是对传感器接收的量测进行处理的过程 基本原理：当有目标进入监测区域时，由于目标 的辐射特性（通常是红外辐射特征）、声传播特 征和目标运动过程中产生的地面震动特征，传感 器会探测到相应的信号
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二、无线传感器网络的应用领域 军事 农业 医疗 建筑工程与建筑物 智能建筑与市政建设管理
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三、无线传感器网络的特点 体积小、电源能力有限 计算和存储能力有限 分布式、多跳自组织 通信半径小、带宽低 动态性强 以数据为中心
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四、无线传感器网络的关键技术 网络拓扑控制 网络协议 时间同步 定位技术 数据管理 网络安全
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第一款芯片的主要技术指标
▪ SOC 双模式音视频实时编码芯片
支持 AVS-P2，AVS-S/H.264 双视频编码标准 嵌入式MIPS24Kec微处理器 4路视/音频输入 支持4*CIF、D1+CIF 支持USB、Ethernet 等外围接口 低延时特性，编码延迟小于< 5ms 最高可以到32路的G.729AB的音频编码 G.722 音频编码（可选）G.729AB 音频解码。G.722 音频解码
于芯片验证阶段，预计2010年2月完成芯片前端设计验证工作， 交付给后端。
➢ 应用产品
高清IP摄像机；多通道网络视频服务器；DVR市场；无线HDMI
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第三款芯片设计和技术指标
▪ 高清数字电视芯片
支持 AVS-P2，AVS-S/H.264 双视频编解码标准 最高支持1080p高清实时编解码，可以支持8路D1的实时编解码 双微处理器核SOC架构 具有HDMI,USB，PCIE，Ethernet，SATA外围接口 目前状态：算法设计正在进行，芯片设计工作预计2010年1月
工信部和国家发改委已明文把“基于AVS标准的图像监控用编码芯片的研发和产业化” 和“高清AVS编解码芯片的产业化”列入国家重点扶持的项目之一。这正是唐桥正在进 行的项目。
温总理今年8月7日提出的“感知中国”，构建智能交通、公共安全、平安家居等“物 联网”时，均需要机器视觉与听觉系统作为技术支撑实现互联互通。
开始，于2010年7月完成芯片的设计验证工作，交付后端。
➢ 应用产品
高清数字电视，高清会议视频系统，DVR系统，无线HDMI
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芯片功能演示系统
I2S to SPDIF RS485
音频输入/输出口 视频输出口
RS232
音频输入口
10/100M 以太网
USB2.0
GPIO
视频扩展输入口
（可选）
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第一款芯片的主要技术技术指标
视频遮挡和遮挡报警 视频移动侦测 视频丢失报警
➢ 应用产品
视频监控, IP摄像机等
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第二款芯片设计和技术指标
▪ 高清SOC 双模实时编码芯片
支持 AVS-P2，AVS-S/H.264 双视频编码标准 最高支持1080p高清实时编码，支持8路D1的实时编码 具有USB，PCIE，Ethernet，SATA外围接口 目前状态：高清视频算法已完成，芯片代码基本完成，目前处
核心部分：唐桥的音视频编码芯片 Picasso； 音视频接口：支援丰富的音视频接口：4路（或更多）模拟视频及音频 输入、输出接口，VGA输入接口，I2S/SPDIF音频接口； 数据传输接口：用于码流、控制指令的传输，及系统调试，包括： 10/100M以太网接口； USB2.0（OTG）接口； I2C接口； UART（RS232，RS485）接口等。 存储单元： 包括用于SOC系统及视频接口单元的DDR内存； 存储程序及用户数据的Flash，EPROM等器件。 其它单元： WDT，RTC，GPIO 等。
唐桥自主研发的第一款芯片TQ-1000AH已在9月份成功流片，已由工信部信息产品司牵 头定于11月10日在北京举行唐桥芯片介绍会。第一款芯片有望在视频监控领域的网络 摄像机中得以广泛的应用，从而迅速抢占这一正在快速增长的市场份额。
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项目概况和公司简介
▪ 唐桥项目进展概况
➢ 现在唐桥已经进入对支持高清AVS视频编解码（CODEC）的 下一代芯片的设计工作，第二代芯片预计2010年2月采用 65nm工艺在台积电(TSMC)流片,应用高清视频监控领域开发平台介绍： Linux 操作系统：提供高效，实时软件运行，易于移植的用户开放式开 发环境；
丰富的接口驱动：程序主要包括视频编解码器，音频编解码器，DMA， USB，Ethernet，I2S等多种设备；
器驱动； 7. Bootloader，系统启动程序； 8. Linux操作系统平台； 9. 时间戳及音视频同步； 10. 以太网驱动及码流网络传输。
1. 网络接收； 2. AVS，H.264视
频解码； 3. 音视频播放。
视频重建图像
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芯片功能演示系统原理框图
芯片功能演示系统
硬件平台介绍：
➢ 唐桥已经加入AVS产业联盟，项目已得到AVS专家组的高度 评价。公司的第一代编码芯片同时支持我国自主知识产权 的音视频AVS标准和国际音视频H.264标准，为我国首创， 已经引起了业界的高度重视，唐桥芯片的成功问世，将成 为我国音视频产业标准得以推广的起动器和加速器。
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项目概况和公司简介
▪ 唐桥优势
➢ 拥有先进视频压缩算法并申请了多项专利，在SOC芯片 架构和音视频系统设计方面拥有关键技术及专利。
➢ 核心技术人员均在美国硅谷工作多年，是多媒体设计 领域的业界资深人员,管理团队拥有丰富的国内外工作 经验。
➢ 广泛的产学研科技合作,与北京大学多媒体研究所建立 了合作关系。
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模拟视频输入口 音频输入口
“Picasso芯片” DDR2 存储器
I2C 直流电输入口
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芯片功能演示系统
音视频源
Picasso验证平台
网口输出
音视频输出计算机
1路到4路 视频
1路到8路 音频
1. 基于MIPS的SOC平台； 2. BT656输入视频接口，I2S音频接口； 3. AVS，H.264，ASIC视频编码； 4. 音频编码：G711，G722 & G729； 5. Flash，SPI，UART，外围设备驱动； 6. 内部模块，如DDR2，DMA，中断控制
内容提要 ▪ 项目概况和公司简介 ▪ 芯片的技术指标 ▪ 芯片功能演示 ▪ 芯片的应用和市场
镇江唐桥微电子有限公司
项目概况和公司简介
唐桥微电子是由镇江政府和新区支持的多媒体SOC芯片设计公司。唐桥微电子成立于 2008年3月，注册资本2560万元，现有员工28名，芯片研发中心设立在北京。
公司从事研发、生产和销售基于AVS标准的SOC集成芯片并提供系统解决方案 。AVS标 准是具有中国自主知识产权的下一代数字音视频标准。