物联网传输层技术

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第3章 物联网传输层
传输层主要分： 有线通信 无线通信 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。 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。
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3.1 有线通信传输层
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）
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3.1.1 三网融合
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。 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。
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OSI 参考模型
现场总线系统是企业的底层网络
NT 服务器
企业管理层 （数据网络） 局域网 Internet
过程监控层 （数据网络） 监控工作站 现场总线接口 现场控制层 （控制网络） 其它工作站
现场总线网段
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调节阀
差压变送器
差压变送器 差压变送器
温度变送器
发展历史
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） 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 1985年由Honeywell和Bailey等大公司发起， 成立了World FIP制定了FIP协议。 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。 后来美国仪器仪表学会也制定了现场总线标准IEC/ISA SP50。 两个现场总线集团：ISP集团、WorldFIP集团。 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。
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3.1.1 三网融合——发展
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。 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。 2010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。 8
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3.1.2 现场总线FieldBus
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概念
IEC61158标准定义,现场总线是指安装在制造或 过程区域的现场装臵与控制室内的自动控制装 臵之间数字式、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，传输其位臵状态 、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；
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教学内容
3.1 有线通信传输层
3.1.1 三网融合 3.1.2 现场总线
3.2 无线通信传输层
3.2.1 长距离无线通信 3.2.2 短距离无线通信 3.3 协议与标准 3.3.1 3.3.2 3.3.3 3.3.4 IEEE 802.15.4（ZigBee） IEEE 802.11b（WiFi） IEEE 802.16（WiMAX） ISO （Bluetooth）
Fra Baidu bibliotek
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现场总线与其他通信技术的区别
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。
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，实时性强，可靠性高，安全性好，适应工业应用 环境。 计算机网络是一种实时性不高、高速信息网络。
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现场总线协议参考模型
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。
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现场总线标准
制定现场总线标准的国际标准化组织 IEC ISO IEC/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。 2000年初宣布，IEC现场总线国际标准子集有八种： IEC 61158； ControlNet； Profibus； P-Net； High Speed Ethernet；Newcomer SwiftNet； WorldFIP； Interbus-S 最早成为国际标准的是CAN，它属于ISO标准：ISO11898
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快速实时响应能力的要求 • 传输速率 节省硬件数量与投资 不高于1Mbps • 响应时间 • 硬件严格筛选； 节省安装费用 为0.01－0.5s • 软件简单易用； 节省维护开销 • 具有处理 • 在线快速排除故障； 随机事件的能 • 独立的局部数据库； 用户具有高度的系统集成主动权 力 • 容错技术和冗余技术
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常用现场总线
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。
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CAN
CAN（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。 CAN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。
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技术特点
③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。 ④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。
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3.1.1 三网融合
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。 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。
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3.1.1 三网融合——结合点
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。
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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
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产生的背景
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。 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。 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。 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。
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现场总线组织
现场总线基金会（Fieldbus Foundation） LonMark协会, Profibus协会， 工业以太网协会IEA（ Industrial Ethernet Association）， 工业自动化开放网络联盟IAONA（ Industrial Automation Open Network Alliance） Society of Automotive Engineers（SAE）
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减少了接线与安装
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现场总线控制系统 FCS
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。
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技术特点
①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。 ②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
技术优点
系统的实时性与可靠性
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网络拓扑结构
环形拓扑结构 星形拓扑结构 总线型拓扑结构 树型拓扑结构
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现场总线的分类
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：
传感器总线：信息量小、响应快、位传输 设备总线：可靠性高、响应快、字节传输 控制总线：信息量大、可靠性高、信息传输 信息总线：信息量大、集成度高、文件传输
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3.1.1 三网融合——基本概述
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。