物联网导论(第5章)短距离通信技术与信息融合.pptx

第5章 短距离通信技术与信息 融合 • 掌握数据终端间的通信及接口特性，了解 常用的RS232C、485、USB和CAN工业总 线等串行通信接口，掌握蓝牙、红外及超 宽带通信技术的基本概念和通信原理 • 物联网与信息融合具有非常密切的关系， 本章还应掌握信息融合基本概念与原理， 了解信息融合数据、传感器管理和无线传 感器网络的数据融合相关的概念和原理 本章学习目标 • 数据终端间的通信及接口特性 • RS232C、485、USB和CAN工业总线等串 行通信接口 • 蓝牙、红外及超宽带通信技术 • 信息融合基本概念与原理 • 无线传感器网络的数据融合 知识点 • 短距离汇聚通信系统可分为有线和无线通 信系统两类 • 有线和无线通信系统主要是采用各种短距 离有线及无线通信技术来完成感知控制终 端与汇集设备之间的数据传输的 • 常用的短距离有线通信技术为各种串行通 信、各种总线通信等；常用的短距离无线 通信为红外、蓝牙、无线局域网、超带宽 无线通信技术、无线传感网络等 短距离汇聚通信 5.1 短距离有线通信技术 • 物联网感知控制设备（以下简称为物联网 终端）和汇聚设备均可看成两个对等通信 的数据终端设备。

数据终端间通信时需要 通过数据通信设备对数据信息进行某种变 换和处理才能适合有线或无线信道的传 输 5. 1.1 数据终端间的通信及接口特性 • 数据终端设备(DTE, Data Terminal Equipment) 是指物联网终端或物联网中的计算机设备、以及 其他数据终端设备 • 数据通信设备(DCE, Data Communication Equipment)可以是调制解调器(Modem)、线路 适配器、信号变换器等 • 对于不同的通信线路，为了使不同厂家的产品能 够互联，DTE与DCE在插接方式、引脚分配、电 气性能及应答关系上均应符合统一的标准及规 范 DTE与DCE • 国际电报咨询委员会(CCITT)、国际标准化组织 (ISO)和美国电子工业协会(Electronic Industries Association，EIA)为各种数据通信系统提供了开放互 联的系统标准，它包括了机械性能、电气特性、功能特 性、过程特性4个方面 • EIA RS-232C接口是美国电子工业协会于1969年颁布 的一个使用串行二进制方式的DTE与DCE间的接口标 准RS是Recommended Standard的缩写，232是标 准的标记号码。

由于该接口标准推出较早，并对各种特 性都做了明确的规定，因此成为了一种非常通用的串行 通信接口，目前几乎所有的计算机和数据通信都兼容该 标准 各种数据通信系统提供了 开放互联的系统标准 • RS-232C接口标准是一种非常广泛使用的标准， 它广泛应用在数据通信、自动化、仪器仪表等领 域，也是物联网中常用的一种接口及通信方式 RS-232C不但可以与诸如Modem等DCE配合来 完成远程数据通信，而且还完成近距离本地通 信 • RS-232C接口标准规定了最大传输距离为15m， 最高传输速率不高于20bit/s为了解决传输距离 及传输速率不够远和高的问题，EIA在RS-232C的 基础上，制订了更高性能的串行通信标准 1 RS-232C接口 • RS-422A标准是一种以平衡方式传输的标准平衡方式是 指双端发送和双端接收，因此传输信号须采用两条线路， 发送端和接收端分别采用平衡发送器和差动接收器 • RS-423A标准是非平衡方式传输的，即以单线来传输信号 ，规定信号的参考电平为地该标准规定电路中只允许有 1个单端发送器，但可以有多个接收器因此，允许在发 送器和接收器间有一个电位差标准规定逻辑“1”的电 平必须超过4V，但不能超过6V；逻辑“0”的电平必须低 于-4V，但不能低于-6V。

RS-423A标准由于采用了差动 接收，提高了抗共模干扰能力，因此与RS-232C相比，传 输距离较远、传输速率较快当传输距离为90m时，最大 传输速率为100kbit/s；若传输速率为1kbit/s时，传输距 离可达1200m 2 RS-422A、RS-423及RS-485接口 • RS-485接口标准是一种平衡传输方式的串行通信接口标 准，是一个多发送器的标准，它允许一个发送器驱动多个 可以是被动发送器、接收器或收发器组合单元的负载设 备RS-485采用共线电路结构，即在一对平衡传输线的 两端配置终端电阻，其发送器、接收器、以及组合收发单 元可以挂在平衡传输线上的任何位置，实现在数据传输中 多个驱动器和接收器共用同一传输线的多路传输 • RS-485接口标准的抗干扰能力强、传输速率高、传输距 离远采用双绞线，不用调制解调器等通信设备的情况下 ，当传输速率为100kbit/s时，传输距离可达1200m；在 9600bit/s时，传输距离可达15km在传输距离为15m 时，它的最大传输速率可达10Mbit/s （3）RS-485 • 通用串行总线(Universal Serial Bus，USB) 是一种串行技术规范，其主要目的是简化 计算机与外围设备的连接过程，目前已广 泛应用到了计算机、通信、自动化、仪器 仪表等多个领域，也同时成为物联网中应 用最广泛的串行通信技术之一。

5.1.2 USB串行总线 • 使用方便：USB的方便性体现在可自动设置、连 接便捷、无需外部电源、接口通用等方面 • USB的传输速率快：USB支撑3种信道速率，即 1.5Mbit/s的低速、12Mbit/s的全速，以及 480Mbit/s以上的高速目前计算机的USB接口 均能支撑这三种速率 • 功耗低、性能稳定： 当USB外设处于待机状态时 ，它会自动启动省电模式来降低功耗当激活时 ，会自动恢复原来状态，因此USB外设的功耗较 低 • 操作系统的支持性与灵活性 USB特点 • USB和IEEE-1394的应用场合是有所区别的USB 适合使用在键盘、鼠标、扫描仪、移动硬盘及打 印机等中低速的设备上，而IEEE-1394则非常适 合于视频或其他高速系统的连接，以及没有主机 的场合 • USB 1.x的传输速率为12Mbit/s，USB 2.0的传输 速率可达480Mbit/sIEEE-1394的传输速率为 400Mbit/s，比USB 1.1快30倍以上，IEEE- 1394.b的传输速率可达3.2Gbit/s以上，比 USB2.0快6倍以上 USB与IEEE-1394 • 目前，常用的现场总线主要有以下几种类 型：基金会现场总线(Foundation Field bus，FF)、ProfiBus、CAN、DeviceNet 、HART等。

其中CAN(Controller Area Network)现场总线，即控制器局域网，因 其具有高性能、高可靠性以及独特的设计 而越来越受到关注，被公认为几种最有前 途的现场总线之一 5.1.3 CAN工业总线 • CAN现场总线是在上世纪八十年代初，德国BOSCH公司 为实现现代汽车生产中众多的汽车内部测量与执行部件之 间的数据通信而开发的一种串行数据通信协议它是一种 多主总线，具有很高的可靠性，支持分布式控制和实时控 制 • CAN总线在国外已有很多方面的应用，CAN总线已被广 泛地应用于汽车、火车、轮船、机器人、智能楼宇、机械 制造、数控机床、各种机械设备、交通管理、传感器、自 动化仪表等领域同时也成为了物联网中广泛应用的感知 控制层的通信总线 • CAN总线属于总线式串行通信网络，与一般的通信总线相 比，它的数据通信具有突出的性能、可靠性、实时性和灵 活性其传输速率最高可以达到1Mbit/s(40m)，直接传 输距离最远可以达到10km(传输速率在5kbit/s以下) 5.2 近距离无线通信技术 在物联网中，经常需要和物理空间较小范围的感知层物联 网终端进行灵活的接入，实现感知控制层与网络传输层的通 信。

这就需要采用一种非接触式的近距离无线通信来承载信 息的传输，目前能完成这样功能的无线通信技术主要有蓝牙 (Bluetooth Technology)、红外技术(Infrared)、超宽带无线 技术(Ultra-Wideband， UWB)、WI-FI技术(Wireless Fidelity, WI-FI)以及无线传感网络(Wireless Sensor Network)这些近距离通信的技术广泛应用在智能电网的数 据采集与抄表、智能交通与汽车、物流与追踪、智能家居、 金融与服务、智慧农业、医疗健康、工业自动化与控制、环 境监测等物联网所涉及的各个领域，并且成为了物联网的基 础与核心技术之一 • 蓝牙技术具有功耗低、通信速率高、传输 距离短、工作频段不受限制、可靠性高、 通信距离短、可灵活组网、自动搜索、成 本低廉和技术成熟、应用范围广等特点 5.2.2 蓝牙技术 • 蓝牙技术具有功耗低的特点由于蓝牙在的链路 管理器中有功耗管理功能，可以根据工作状况对 功耗进行有效的管理在不通信时，系统自动进 入休眠模式，来降低功耗典型的蓝牙通信峰值 电流一般不超过30mA，低功耗蓝牙峰值电流不 超过15mA。

蓝牙的三种类型的功耗分别为，远 距离蓝牙发射功率为100mw (20 dBm)，典型蓝 牙发射功率为2.5mw(4dBm)，低功耗蓝牙的发射 功率为1mw(0dBm) （1）功耗低 • 作为一种短距离无线通信技术，蓝牙具有通信速 率高的特点低功耗的蓝牙，其空中的传输速率 可达1MbPs，实际有效数据传输速率可达 200KbpS以上；高速蓝牙空中的传输速率可达 3MbPs，实际有效数据传输速率可达2.1MbPS 可见，不论低功耗蓝牙、还是高速蓝牙均可实现 语音的实时通信，高速蓝牙还可实现视频传输 （2）通信速率高 • 蓝牙工作在2.4 GHz的ISM波段，而全球大多数国 家的ISM频段范围是在2.4~ 2.4835 GHz，该波 段是一种无需许可的工业、科技、医学无线电波 段，可以在此波段内可以免费使用无线电频段资 源因此，它的工作频段不受限制 （3）工作频段不受限制 • 蓝牙采用跳频扩普技术，可以降低受同频的干扰 影响，还由于载波频率的不停跳变，使监听设备 很难达到载波同步，而无法侦听另外，蓝牙还 结合多种纠错技术，提高了数据传输的可靠性 高 • 蓝牙网络提供了三种安全模式：模式一，无加密 ；模式二，应用层加密；模式三，链路层加密。

对于最高级别的模式三，它由四个要素组成，即 48bit的设备地址BD_ADDR、128bit的蓝牙链路 密钥、8~128bit的不定长加密密钥、128bit的随 机数RAND同时，蓝牙协议有一套完整的密钥 生成机制，确保数据安全 （4）可靠性高 • 蓝牙通信典型的通信距离为10m但它是 一种通信距离随功率而变的通信技术有 100mW，25mW 和 1mW三个典型的发 射功率当发射功率为100mW时，其传输 距离为100m；2.5mW时，为10m；1mW 时，则为10cm非常适合不同应用场合的 短距离无线通信，尤其适用于物联网的传 感器的数据采集 （4）通信距离短 • 蓝牙系统支持两种通信模式，即点对点和点对多点的通 信模式可形成了两种网络拓扑结构：微微网(Piconet) 和散射网络(scatternet)在一个 Piconet 中，只有一 个主单元(Mater)，最多支持七个从单元(slave)与 Master建立通信Master靠4不同的跳频序列来识别每 一个slave，并与之通信若干个Piconet 形成了一个散 射网络，如果一个蓝牙设备单元在一个Piconet中，一 个Master，而在另一个Pico net中可能就是一个slave 。

几个Piconet可以连接在一起，依靠跳频顺序识别每 个Piconet同一Piconet的所有用户都与这个跳频顺序 向步其拓扑结构可以被描述为“多Piconet”结构 在一个“多Pico。