電子教案《物聯(lián)網(wǎng)工程導論》單元四任務二智能電網(wǎng)遠程抄表系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的選型課件

1、任務二 智能電網(wǎng)遠程抄表系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的選型單元四 認識物聯(lián)網(wǎng)典型行業(yè)應用-智能電網(wǎng)遠程抄表系統(tǒng)引導案例智能電網(wǎng)引導案例 智能電網(wǎng)常用的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有哪些。討 論智能電網(wǎng)1目標與任務任務評價知識準備任務實施234目錄PART.1目標與任務任務目標知識目標1、掌握典型短距離無線傳輸技術(shù)的外特性2、掌握典型長距離無線傳輸技術(shù)的外特性能力目標1、能分辨典型的無線傳輸技術(shù) 2、可根據(jù)簡單的應用進行無線傳輸技術(shù)選型素質(zhì)目標1、培養(yǎng)良好的工作作風 2、培養(yǎng)描述工作問題、確定工作目標的能力 3、培養(yǎng)書面表達觀點的能力 4、培養(yǎng)團隊意思和團隊協(xié)作的能力任務描述重慶市某村現(xiàn)在響應國家的號召，積極建設(shè)智能電網(wǎng)遠程抄表系

2、統(tǒng)，該村位于郊區(qū)，住戶大約有三百戶，各住戶之間有一定距離，但是據(jù)當?shù)仉姽し磻?，最遠的兩戶人家相距也在兩百米以內(nèi)，村內(nèi)有一定面積的樹林分布，地勢也有較小的起伏，該村的基本情況如下圖。 建設(shè)智能電網(wǎng)遠程抄表系統(tǒng)需要在該村建設(shè)一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，請根據(jù)該村的實際情況選擇合適的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，并對比該無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和其它的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在該村這樣的場景下的優(yōu)缺點。PART.2知識準備4.5 典型短距離無線傳輸技術(shù) 從信息傳輸方式上看，可以分為有線傳輸和無線傳輸。兩種通信方式對物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)來說處于同等重要、互相補充的作用。（1）有線通信網(wǎng)絡(luò)可分為：長距離（WAN）的廣域網(wǎng)絡(luò)（包括PSTN、ADSL和HFC數(shù)字電

3、視Cable等）和短距離的現(xiàn)場總線（Field Bus，也包括PLC電力線載波等技術(shù)）?，F(xiàn)有的電信網(wǎng)、有線電視網(wǎng)和計算機網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務可以利用的中、長距離有線網(wǎng)絡(luò)。（2）無線通信網(wǎng)絡(luò)也可分為：長距離的無線廣域網(wǎng)（WWAN），中、短距離的無線局域網(wǎng)（WLAN），超短距離的無線個域網(wǎng)（WPAN）。如今，無線通信逐步體現(xiàn)出其技術(shù)優(yōu)勢。4.5.1 Wi-Fi技術(shù)4.5 典型短距離無線傳輸技術(shù) 常用的短距離無線傳輸技術(shù)主要有Wi-Fi技術(shù)、藍牙技術(shù)、ZigBee技術(shù)以及新興的LPWAN技術(shù)。Wi-Fi實際上是制定IEEE 802.11無線網(wǎng)絡(luò)的組織，并非無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，但是后來人們逐漸習慣用Wi-Fi來稱

4、呼IEEE 802.11協(xié)議。由于Wi-Fi無線接入的高速傳輸優(yōu)勢，在一定條件下可以作為對3G/4G等移動通信網(wǎng)絡(luò)的補充。而且，基于Wi-Fi標準的WLAN網(wǎng)絡(luò)相對于基于3G/4G標準的移動通信網(wǎng)絡(luò)成本低廉。4.5.1 Wi-Fi技術(shù)4.5 典型短距離無線傳輸技術(shù) IEEE802.11不同標準及參數(shù)Wi-Fi技術(shù)具有如下特點：更寬的帶寬功耗較低，健康安全覆蓋范圍廣無需布線Wi-Fi技術(shù)的發(fā)展趨勢： 吞吐量越來越大 將廣泛應用于物聯(lián)網(wǎng)市場 將更為常見4.5.1 Wi-Fi技術(shù)4.5 典型短距離無線傳輸技術(shù) 典型 Wi-Fi應用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及組成典型Wi-Fi應用系統(tǒng)1）站點（STA） 就是使用Wi

5、-Fi信號的終端設(shè)備，如手機、筆記本電腦等。2）無線介質(zhì)（WM）空氣，它是無線電波和紅外線傳播的良好介質(zhì)。3）接入點（AP）路由器就是日常生活中經(jīng)常接觸到的接入點4）分布式系統(tǒng)（DS）4.5.1 Wi-Fi技術(shù)4.5 典型短距離無線傳輸技術(shù) Wi-Fi的組網(wǎng)方式 目前常用的組網(wǎng)方式有點對點模式、基礎(chǔ)架構(gòu)模式、多接入點模式、無線網(wǎng)橋模式和無線中繼器模式五種；它們是根據(jù)無線接入點的功用不同來進行劃分的。點對點模式基礎(chǔ)架構(gòu)模式多接入點模式無線網(wǎng)橋模式無線中繼器模式4.5.2 藍牙技術(shù)4.5 典型短距離無線傳輸技術(shù) 藍牙這個名稱來自于第十世紀的一位丹麥國王哈拉爾藍牙王（Harald Blatand），

6、Blatand 在英文里的解釋為 Bluetooth（藍牙）。藍牙技術(shù)是無線數(shù)據(jù)與語音通信的一種開放性全球規(guī)范，它以低成本的近距離無線連接為基礎(chǔ)，為固定與移動設(shè)備通信環(huán)境建立一個特別連接的短程無線傳輸技術(shù)。藍牙技術(shù)工作在2.4GHz ISM頻段，其數(shù)據(jù)速率為1Mb/s，采用跳頻和擴頻技術(shù)。藍牙技術(shù)具備以下的六大技術(shù)特性：低成本低功耗語音數(shù)據(jù)同傳抗干擾能力強藍牙模塊體積小傳輸安全可靠4.5.2 藍牙技術(shù)4.5 典型短距離無線傳輸技術(shù) 典型應用隨著技術(shù)的發(fā)展成熟，藍牙的應用也將越來越廣泛：電腦外設(shè)的無線連接藍牙影音播放設(shè)備藍牙電子錢包藍牙手表、藍牙手環(huán)4.5.3 ZigBee技術(shù)4.5 典型短距離

7、無線傳輸技術(shù) ZigBee是一種成本和功耗都很低的低速率短距離無線接入技術(shù)。它是一種與藍牙相類似的新興的短距離無線技術(shù)（典型通信距離75m，并可通過增加功率放大模塊的方式提高通信距離），主要用于傳感控制應用。具有如下特點：數(shù)據(jù)傳輸速率低功耗低數(shù)據(jù)傳輸可靠網(wǎng)絡(luò)容量大自動動態(tài)組網(wǎng)、自主路由兼容性安全性實現(xiàn)成本低4.5.3 ZigBee技術(shù)4.5 典型短距離無線傳輸技術(shù) 典型應用ZigBee聯(lián)盟預言在未來的四到五年，每個家庭將擁有50 個ZigBee器件，最后將達到每個家庭150 個。其應用領(lǐng)域主要包括：帶負載管理功能的自動抄表系統(tǒng)；智能交通、油氣生產(chǎn)遙測遙控通信系統(tǒng)；監(jiān)控照明、HV AC和寫字樓安

8、全;農(nóng)田耕作、環(huán)境監(jiān)測、水利水文監(jiān)測無線通信；工業(yè)制造、過程控制遙測遙控；對病患、設(shè)備及設(shè)施進行醫(yī)療和健康監(jiān)控；家庭監(jiān)控、HV AC、安防報警系統(tǒng)運用；軍事應用，包括戰(zhàn)場監(jiān)視和機器人控制；汽車應用，配合傳感器網(wǎng)絡(luò)報告汽車所有系統(tǒng)的狀態(tài)；4.5.3 ZigBee技術(shù)4.5 典型短距離無線傳輸技術(shù) 典型ZigBee應用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)典型的ZigBee應用系統(tǒng)一般由一個協(xié)調(diào)節(jié)點（Coordinator）、多個路由節(jié)點（Router）和多個終端節(jié)點（End-device）組成。協(xié)調(diào)節(jié)點包含所有的網(wǎng)絡(luò)信息，它主要用于發(fā)動網(wǎng)絡(luò)信標、建立一個網(wǎng)絡(luò)、管理網(wǎng)絡(luò)節(jié)點、存儲網(wǎng)絡(luò)節(jié)點信息、尋找一對節(jié)點間的路由信息并且不斷的

9、接收信息。路由節(jié)點的功能包括允許其它設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)、信息轉(zhuǎn)發(fā)、輔助子樹下終端的通信等。終端節(jié)點是具體執(zhí)行的數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)脑O(shè)備，它不能轉(zhuǎn)發(fā)其它節(jié)點的消息。ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)可以分為星型、樹型和網(wǎng)狀網(wǎng)三種。星型樹型網(wǎng)狀4.5 典型短距離無線傳輸技術(shù) 技術(shù)協(xié)議標準技術(shù)指標應用領(lǐng)域優(yōu)點缺點藍牙IEEE802.15.1IEEE802.15.1a一般傳輸距離為10cm10m，采用2.4GHz ISM頻段，數(shù)據(jù)傳輸速率為1Mbit/s，語音編碼為CVSD無線辦公環(huán)境、汽車工業(yè)、信息家電、醫(yī)療設(shè)備以及學校教育和工廠自動控制具有很強的移植性、應用范圍廣泛，應用了全球統(tǒng)一的頻率設(shè)定成本昂貴，安全不高ZigBe

10、eIEEE 802.15.4使用2.4GHz頻段，采用調(diào)頻技術(shù)，基本速率是250kbit/s,當降低到28kbit/s時，傳輸范圍可擴大到134mPC外設(shè)、消費類電子設(shè)備、家庭內(nèi)智能控制、玩具、醫(yī)護、工控等非常廣闊的領(lǐng)域成本低，功耗小，網(wǎng)絡(luò)容量大，頻段靈活，保密性高，不需要頻段申請傳輸速率低，有效范圍小Wi-FiIEEE802.11b/a/g工作頻率2.4GHz，傳輸頻率為11Mbit/s，電波覆蓋范圍為100m家庭無線網(wǎng)絡(luò)以及不便安裝電纜的建筑物或場所可大幅度減少企業(yè)的成本，傳輸速度非常高設(shè)計復雜，設(shè)置繁瑣Wi-Fi、藍牙、ZigBee三種短距離無線通信技術(shù)對比4.6 典型長距離無線傳輸技術(shù)

11、 4.6.1 移動通信技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)代意義上的移動通信系統(tǒng)起源于20世紀20年代，距今已有90余年的歷史、短短的一個世紀里移動通信技術(shù)經(jīng)歷了從1G到4G，正在向5G的發(fā)展變化。移動通信技術(shù)演進圖4.6 典型長距離無線傳輸技術(shù) 4.6.2 3G第三代移動通信技術(shù)（3G，3rd-generation）是指支持高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆涓C移動通訊技術(shù)。目前3G存在四種標準：CDMA2000（美國版）、WCDMA（歐洲版）、TD-SCDMA（中國版）、WiMAX。國際電信聯(lián)盟（ITU）在2000年5月確定WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA三大主流無線接口標準，寫入3G技術(shù)指導性文件2000年國際移動通

12、訊計劃（簡稱IMT-2000）；2007年，WiMAX亦被接受為3G標準。3G在無線技術(shù)上的創(chuàng)新主要表現(xiàn)在以下幾方面：1）采用高頻段頻譜資源。2）采用寬帶射頻信道，支持高速率業(yè)務。3）現(xiàn)多業(yè)務、多速率傳送。4）快速功率控制5）采用自適應天線及軟件無線電技術(shù)。3G的應用領(lǐng)域：1）寬帶上網(wǎng)2）手機辦公3）視頻通話4）手機電視4.6 典型長距離無線傳輸技術(shù) 4.6.3 4G第四代移動通信技術(shù)可稱為廣帶接入和分布網(wǎng)絡(luò)，具有非對稱超過2Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸能力，對全速移動用戶能提供巧150Mb/s的高質(zhì)量影像服務，將首次實現(xiàn)三維圖像的高質(zhì)量傳輸。它包括廣帶無線固定接入、廣帶無線局域網(wǎng)、移動廣帶系統(tǒng)和互操作

13、的廣播網(wǎng)絡(luò)(基于地面和衛(wèi)星系統(tǒng))，集成不同模式的無線通信，移動用戶可以自由地從一個標準漫游到另一個標準。目前4G標準分為兩類，分別為LTE FDD（頻分雙工）和LTE TDD（時分雙工），兩大標準都是基于LTE的不同分支，相似度超過90%。特點：1）完善終端服務功能2）滿足用戶的需求智能化設(shè)計3）具有較強信號功能4）傳輸快速應用領(lǐng)域：1）云計算2）視頻直播3）遠程醫(yī)療4.6 典型長距離無線傳輸技術(shù) 4.6.4 5G2016年10月和11月，國際無線標準化機構(gòu)3GPP的RAN1（無線物理層）會議決定5G中長碼編碼方案采用美國高通主推的LDPC(低密度奇偶校檢碼)方案，而短碼編碼方案采用我國華為主

14、推的PolarCode（極化碼）方案。從目前的研究來看5G網(wǎng)絡(luò)的延時縮短了很多，其傳輸?shù)乃俣缺?G提高了數(shù)十倍，其網(wǎng)絡(luò)連接能夠滿足千億量級。5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)特征4.6 典型長距離無線傳輸技術(shù) 4.6.5 LPWAN技術(shù)低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)（LPWAN）技術(shù)是一種新興的革命性的物聯(lián)網(wǎng)接入技術(shù)，它針對物聯(lián)網(wǎng)應用中的M2M（機器到機器）通信場景進行優(yōu)化設(shè)計，具有遠距離、低功耗、低運維成本等特點。目前LPWAN技術(shù)尚未形成統(tǒng)一的標準，可分為兩類：一類是工作于未授權(quán)頻譜的LoRa、SigFox等技術(shù)；另一類是工作于授權(quán)頻譜下，3GPP支持的2/3/4G蜂窩通信技術(shù)，比如LTE-M、EC-GSM、NB-IoT等。

15、1）LoRaLoRa無線技術(shù)是目前應用最為廣泛的LPWAN網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之一，由SemTech公司推出。到目前為止LoRa主要的應用領(lǐng)域有數(shù)據(jù)透傳和LoRa 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議應用。相對于SigFox，LoRa產(chǎn)業(yè)鏈較為成熟、商業(yè)化應用較早。2）SigFox是商用化速度較快的LPWAN網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之一，由法國物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)服務商SigFox公司推出。3）NB-IoTNB-IoT（Narrow Band Internet of Things) 是基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)之一，它在蜂窩網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上進行構(gòu)建。PART.3任務實施任務實施技術(shù)選型：智能電網(wǎng)遠程抄表系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)重慶市某村現(xiàn)在響應國家的號召，積極建設(shè)智能電網(wǎng)遠程抄表系統(tǒng)，該村位于郊區(qū)，住戶大約有三百戶，各住戶之間有一定距離，但是據(jù)當?shù)仉姽し磻?，最遠的兩戶人家相距也在兩百米以內(nèi)，村內(nèi)有一定面積的樹林分布，地勢也有較小的起伏；建設(shè)智能電網(wǎng)遠程抄表系統(tǒng)需要在該村建設(shè)一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，請根據(jù)該村的實際情況選擇合適的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，并對比該無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和其它的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在該村應用的優(yōu)缺點。（1）任務內(nèi)容要求：查閱智能電網(wǎng)遠程抄表系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相關(guān)資料，包含技術(shù)特點、技術(shù)應用場景、主要功能等；根據(jù)智能電網(wǎng)遠程抄表系統(tǒng)的要求