第7章 传感器网络（课件）- 《传感器与检测技术》同步教学（西安交通大学出版社）

传感器与检测技术 第7章 传感器网络 有线传感器网络 无线传感器网络 7.1 7.2 工业以太网的概念 1. 工业以太网络 7.1.1 工业以太网通俗地讲就是应用于工业的以太网。以太网是目前计算机局域网最常见的通信协议标准网络，但它是为办公自动化的应用而设计的，并没有考虑到工业现场环境的需求，如高温、低温、防尘、防潮、电磁干扰等，即以太网不能直接应用于恶劣的工业现场，工业以太网便应运而生。 7.1 有线传感器网络 1 2 3 4 5 以太网是全开放、全数字化的网络 以太网能实现工业控制网络与企业信息网络的无缝连接 软硬件成本低廉 可持续发展潜力大 通信速率高 工业以太网技术的优势： 7.1 有线传感器网络 4 常见的工业以太网设备 2. 1）工业以太网集线器 集线器被用来连接各种基于以太网的设备，如个人计算机、可编程控制器等。集线器接收到来自某一端口的消息，然后将消息广播到其他所有的端口。在消息传递方面，集线器是低速低效的，而且可能会出现消息冲突，但集线器的使用非常简单，可以即插即用，没有冗余功能。 7.1 有线传感器网络 2）工业以太网非管理型交换机 非管理型交换机能实现消息从一个端口到另一个端口的路由功能，能自动探测每台网络设备的网络速度，相对集线器更加智能化。另外，它具有一种称为MAC地址表的功能，能识别和记忆网络中的设备。这种智能避免了消息冲突，提高了传输性能，相对集线器是一次巨大的改进。然而，非管理型交换机不能实现任何形式的通信检测和冗余配置功能。 7.1 有线传感器网络 3）工业以太网管理型交换机 相对集线器和非管理型交换机，管理型交换机拥有更多更复杂的功能，价格也高出许多。它可以自动与网络设备交互，用户也可以手动配置每个端口的网速和流量控制。一些以前的设备可能无法使用自动交互功能，因此手动配置功能是必不可少的。 7.1 有线传感器网络 绝大多数管理型交换机通常也提供一些高级功能，如用于远程监视和配置的SNMP(简单网络管理协议)，用于诊断的端口映射，用于网络设备成组的VLAN(虚拟局域网)，用于确保优先级消息通过的优先级排列功能等。利用管理型交换机可以组建冗余网络。使用环形拓扑结构，管理型交换机可以组成环形网络。每台管理型交换机能自动判断最优传输路径和备用路径，当优先传输路径中断时自动阻断(block)备用路径。 7.1 有线传感器网络 4）工业以太网管理型冗余交换机 高级的管理型冗余交换机提供了一些特殊的功能，特别是针对有稳定性、安全性方面严格要求的冗余系统进行了设计上的优化。构建冗余网络的主要方式有以下几种：生成树协议(spanning tree protocol，STP)、快速生成树协议(rapid spanning tree protocol，RSTP)、环网冗余RapidRingTM及Trunking。 7.1 有线传感器网络 现场总线的定义 1. 现场总线 7.1.2 从名词定义来讲，现场总线是用于现场电器、现场仪表及现场设备与控制室主机系统之间的一种开放的、全数字化、双向、多站的通信系统。而现场总线标准规定某个控制系统中一定数量的现场设备之间如何交换数据。数据的传输介质可以是同轴电缆、双绞线、光缆，或是无线方式，如红外线、无线电、电力载波等。 7.1 有线传感器网络 通俗地讲，现场总线是用在现场的总线技术。传统控制系统的接线方式是一种并联接线方式，用PLC控制各个电气元件，每一个元件对应有一个I/O口，两者之间需用两根线进行连接，作为控制和电源。当PLC所控制的电气元件数量达到数十个甚至数百个时，整个系统的接线就显得十分复杂，容易出错，施工和维护都十分不便。为此，人们考虑怎样把那么多的导线合并到一起，用一根总线来连接所有设备，所有的数据和信号都在这根线上流通，同时设备之间的控制和通信可任意设置。因而这根线就称为总线，就如计算机内部的总线概念一样。由于控制对象都在工业现场，不同于计算机通常用于室内，所以这种总线被称为现场的总线，简称现场总线。 7.1 有线传感器网络 图7.1.1 现场总线结构示意图 现场总线的结构和技术特点 2. 7.1 有线传感器网络 1）布线简单 现场总线的最大革命是布线方式的革命，最小化的布线方式和最大化的网络拓扑使得系统的接线成本与维护成本大大降低。由于采用串行方式，所以大多数现场总线采用双绞线，还有直接在两根信号线上加载电源的总线形式。这样，采用现场总线类型的设备和系统给人明显的感觉就是简单直观。 7.1 有线传感器网络 2）开放性 一个总线必须具有开放性，这指两个方面：一