物联网接入技术详解-物联网组成原理

1.现场总线技术

（1）现场总线概述

现场总线技术是20世纪80年代中期在国际上发展起来的一种崭新的工业控制技术。现场总线控制系统（Field-bus Control System，FCS）的出现引起了传统的可编程序逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）和分布式控制系统（Distributed Control System，DCS）基本结构的革命性变化。FCS技术极大地简化了传统控制系统烦琐且技术含量较低的布线工作量，使其系统检测和控制单元的分布更趋合理。更重要的是，从原来的面向设备选择控制和通信设备转变成为基于网络选择设备。尤其是20世纪90年代FCS技术逐渐进入中国以来，结合互联网和内联网（Intranet）的迅猛发展，FCS技术越来越显示出传统控制系统无可替代的优越性。FCS技术已成为工业控制领域中的一个热点。

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、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电线电缆、光缆、电话线、无线电等。

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，从PLC控制各个电器元件，对应每一个元件有一个I/O口，两者之间需用两根线进行连接，作为控制和/或电源。当PLC所控制的电器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，容易搞错，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，用一根导线来连接所有设备，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。因而这根线自然而然地称为了总线，就如计算机内部的总线概念一样。由于控制对象都在工矿现场，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。

（2）现场总线的特点

现场总线技术实际上是采用串行数据传输和连接方式代替传统的并联信号传输和连接方式的方法。它依次实现了控制层和现场总线设备层之间的数据传输，同时在保证传输实时性的情况下实现信息的可靠性和开放性。一般的现场总线具有以下几个特点：

1）布线简单。这是大多现场总线共有的特性，现场总线的最大突破是布线方式，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和维护成本大大降低。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。

2）开放性。一个总线必须具有开放性，这指两个方面：一方面能与不同的控制系统相连接，也就是应用的开放性；另一方面就是通信规约的开放，也就是开发的开放性。只有具备了开放性，才能使得现场总线既具备传统总线的低成本，又能适合先进控制的网络化和系统化要求。

3）实时性。总线的实时性要求是为了适应现场控制和现场采集的特点。一般的现场总线都要求在保证数据可靠性和完整性的条件下具备较高的传输速率和传输效率。总线的传输速度要求越快越好，速度越快，表示系统的响应时间就越短。但是实时性不能仅靠提高传输速率来解决，传输的效率也很重要。传输效率主要是由有效用户数据在传输帧中所占的比率及成功传输帧在所有传输帧中所占的比率决定的。

4）可靠性。一般总线都具备一定的抗干扰能力，当系统发生故障时具备一定的诊断能力，以最大限度的保护网络，又能同时较快地查找和更换故障节点。总线故障诊断能力的大小是由总线所采用的传输的物理媒介和传输的软件协议决定的，所以不同的总线具有不同的诊断能力和处理能力。

（3）现场总线的应用领域

控制系统是有不同的层次的，图4-1所示为控制系统的金字塔结构。

图4-1　控制系统的金字塔结构

对应不同的系统层次，现场总线有着不同的应用范围。图4-2所示为几种主要现场总线的应用范围。纵坐标由下往上表示设备由简单到复杂，即由简单传感器、复杂传感器、小型PLC或工业控制机到工作站、中型PLC再到大型PLC、DCS监控机等，数据通信量由小到大，设备功能也由简单到复杂。横坐标表示通信数据传输的方式，从左到右，依次为二进制的位传输、8位及8位以上的字传输、128位及以上的帧传输，以及更大数据量传输的文件传输。

图4-2　几种主要现场总线的应用范围

在发达国家，现场总线技术从20世纪80年代开始出现并逐步推广，现在已经被工业控制领域广泛应用。2002年欧洲有40%的自动化工程项目采用了FCS，到2005年达65%～70%。在国内，现场总线首先用在外国公司在华投资的生产线，如几乎所有外资汽车生产企业都有使用现场总线的生产线。啤酒罐装、烟草加工、机械装配、产品包装等生产线也大量使用现场总线。一些市政工程也开始使用现场总线。我国在20世纪90年代中后期引入现场总线，至今在技术概念上已被广泛接受，用户群和使用面迅速增加和扩大，许多自动化项目把现场总线控制作为方案之一，还有不少本土化的现场总线产品出现，并迅速产业化。

目前，现场总线技术的应用主要集中在冶金、电力、水处理、乳品饮料、烟草、水泥、石化、矿山及OEM用户等各个行业，同时还有道路无人监控、楼宇自动化、智能家居等新技术领域。

2.蓝牙技术

（1）蓝牙技术概述

蓝牙是一种支持设备短距离通信（一般10m内）的无线电技术，能在包括移动电话、PDA、无线耳机、笔记本式计算机、相关外设等众多设备之间实现无线信息交换。利用蓝牙技术，能够有效简化移动通信终端设备之间的通信，也能够成功简化设备与因特网之间的通信，从而使数据传输变得更加迅速高效，为无线通信拓宽道路。蓝牙采用分散式网络结构及快跳频和短包技术，支持点对点及点对多点通信，工作在全球通用的2.4GHz ISM频段。其数据速率为1Mbit/s，采用时分双工传输方案实现全双工传输。图4-3所示为蓝牙标志与蓝牙耳机。

图4-3　蓝牙标志与蓝牙耳机

蓝牙技术是一个开放性、短距离无线通信的标准，可以用来在较短距离内取代目前多种电缆连接方案，通过统一的短距离无线链路在各种数字设备之间实现方便快捷、灵活安全、低成本、小功耗的语音和数据通信。

（2）蓝牙技术系统参数和技术指标

蓝牙技术产品采用低能耗无线电通信技术来实现语音、数据和视频传输，其传输速率最高为1Mbit/s，以时分方式进行全双工通信，通信距离为10m左右，配置功率放大器可以使通信距离进一步增加。蓝牙的系统参数与技术指标见表4-1。

表4-1　蓝牙的系统参数与技术指标

（续）

蓝牙产品采用跳频技术，能够抗信号衰落；采用快跳频和短分组技术，能够有效地减少同频干扰，提高通信的安全性；采用前向纠错编码技术，以便在远距离通信时减少随机噪声的干扰；采用2.4GHz的ISM频段，以省去申请专用许可证的麻烦；采用FM方式，使设备变得更为简单、可靠；蓝牙技术产品1个跳频频率发送1个同步分组，每个分组占用1个时隙，也可以增至5个时隙；蓝牙技术支持1个异步数据通道，或者3个并发的同步语音通道，或者1个同时传送异步数据和同步语音的通道。蓝牙的每一个语音通道支持64Kbit/s的同步语音，异步通道支持的最大速率为721Kbit/s、反向应答速率为57.6Kbit/s的非对称连接，或者432.6Kbit/s的对称连接。

蓝牙技术产品与因特网之间的通信，使得家庭和办公室的设备不需要电缆也能够实现互通互联，大大提高办公和通信效率。

（3）蓝牙技术的特点

蓝牙技术提供低成本、近距离的无线通信，构成固定与移动设备通信环境中的个人网络，使得近距离内各种设备能够实现无缝资源共享。图4-4所示为蓝牙模块。显然，这种通信技术与传统的通信模式有明显的区别，它的初衷是希望以相同成本和安全性实现一般电缆的功能，从而使移动用户摆脱电缆束缚。这决定了蓝牙技术具备以下技术特性：

图4-4　蓝牙模块

①能传送语音和数据；

②全球范围适用，适用频段无须申请；

③低成本、低功耗和低辐射；

④安全性、抗干扰性和稳定性强；

⑤可以建立临时性的对等连接，支持点对多点的通信方式。

（4）蓝牙技术的应用

蓝牙定义了几种基本的应用模型，主要包括文件传输、互联网网桥、局域网接入、三合一电话和终端耳机等。

从目前的蓝牙产品来看，蓝牙主要应用在手机、PDA、耳机、数字照相机、数字摄像机、汽车套件等。另外，蓝牙系统还可以嵌入微波炉、洗衣机、电冰箱、空调机等传统家用电器。随着蓝牙技术的成熟，它也得到越来越广泛的应用。

在蓝牙支持的车载电话上，各大汽车制造商们已经在车上安装了车载免提电话系统，与带有蓝牙功能的移动电话一同工作，可以保持移动电话和PC的无线连接。汽车后视镜也能利用蓝牙技术，韩国LG公司曾经展示了一款支持蓝牙的汽车后视镜，这款汽车后视镜能够通过蓝牙和手机连接，在来电的时候将在镜面中间显示来电号码。

蓝牙技术在汽车防盗上发挥着重要作用，市面上已经有了各种各样的汽车防盗的蓝牙设备，英国一家公司推出了采用蓝牙技术的汽车防盗产品。根据介绍，这套名为Auto-txt的系统可以把用户的蓝牙手机（或者其他蓝牙设备）当作汽车的第二把锁。如果蓝牙手机不在车里，一旦汽车启动，系统就会认定汽车被盗，从而开启报警装置。

在构造家庭网络方面，把家庭内部的所有信息设备相互之间连成网络，是未来信息社会发展的必然趋势。信息同步是蓝牙产品的核心应用，个人信息管理的同步、在PDA之间或PDA和移动电话之间交换名片，或是办公计算机和家用计算机之间交换数据，对某些用户来说变得越来越重要。

3.Wi-Fi技术

（1）Wi-Fi概述

Wi-Fi（Wireless Fidelity，又称IEEE 802.11b标准）最大优点就是传输速度较高，可以达到11Mbit/s，另外它的有效距离也很长，同时也与已有的各种IEEE 802.11DSSS设备兼容。迅驰技术就是基于该标准的，无线上网已经成为现实。(www.xing528.com)

IEEE 802.11b无线网络规范是IEEE 802.11a网络规范的变种，最高带宽为11Mbit/s。在信号较弱或有干扰的情况下，其带宽可调整为5.5Mbit/ps、2Mbit/s和1Mbit/s，带宽的自动调整，有效地保障了网络的稳定性和可靠性。其主要特性为速度快、可靠性高，在开放性区域通信距离可达305m，在封闭性区域通信距离为76～122m，方便与现有的有线以太网络整合，组网的成本更低。

（2）Wi-Fi无线网络结构

Wi-Fi无线网络拓扑结构主要有两种，即ad-hoc和Infrastructure。

“ad-hoc”是一种对等的网络结构，各计算机只需接上相应的无线网卡，或者具有Wi-Fi模块的手机等便携终端即可实现相互连接、资源共享，无须中间作用的接入点（Access Point，AP）。ad-hoc网络拓扑结构如图4-5所示。

“Infrastructure”则是一种整合有线与无线局域网络架构的应用模式，通过此种网络结构，同样可实现网络资源的共享，此应用需通过接入点。这种网络结构是应用最广的一种，类似以太网中的“星形”结构，起中间网桥作用的无线接入点就相当于有线网络中的集线器或者交换机。Infrastructure网络拓扑结构如图4-6所示。

图4-5　ad-hoc网络拓扑结构

图4-6　Infrastructure网络拓扑结构

（3）Wi-Fi的优点

Wi-Fi技术与蓝牙技术一样，同属于在办公室和家庭中使用的短距离无线技术。该技术使用的是2.4GHz附近的频段，该频段目前尚属没用许可的无线频段。其目前可使用的标准有两个，分别是IEEE 802.11a和IEEE 802.11b。该技术由于有着自身的优点，因此受到政府企业的青睐。

Wi-Fi技术突出的优势如下：

1）无线电波的覆盖范围广，基于蓝牙技术的电波覆盖范围非常小，半径大约只有50ft^[1]（约为15m），而Wi-Fi的半径则可达300ft（约为100m），对办公室自不用说，就是整栋大楼也可使用。最近，由美国Vivato公司推出的一款新型交换机。据悉，该款产品能够把目前Wi-Fi无线网络300ft的通信距离扩大到4mile^[2]，约6.5km。

2）虽然由Wi-Fi技术传输的无线通信质量不是很好，数据安全性能比蓝牙差一些，传输质量也有待改进，但传输速度非常快，可以达到11Mbit/s，符合个人和社会信息化的需求。

3）进入该领域的门槛比较低。只要在机场、车站、咖啡店、图书馆等人员较密集的地方设置“热点”，并通过高速线路将互联网接入上述场所。这样，由于“热点”所发射出的电波可以达到距接入点半径数十米至数百米的地方，用户只要将支持无线LAN的笔记本式计算机或PDA拿到该区域内，即可高速接入互联网。因此不用耗费资金来进行网络布线，从而节省了大量的成本。

（4）Wi-Fi的应用

在通信行业的激烈竞争中，宽带接入是各运营商竞争的焦点。目前，各大运营商开始着手打造Wi-Fi网络，为用户提供宽带接入业务。各运营商从现有资源出发，结合Wi-Fi的技术优势，大幅度降低投资成本，快速抢占市场。虽然在已经大量商用的支持IEEE 802.llb标准的产品中，还存在一些问题，如安全问题、漫游问题，并且业务模式上当前还只能支持单一的数据业务等，但着眼于互通性及未来的发展和赢利，大家都把Wi-Fi看作是提升宽带、ADSL、LAN用户价值、提供差异化服务的有效手段，也是未来3G数据业务的有力补充。Wi-Fi当前主要面对个人、家庭/企业及行业用户，提供家庭/企业服务、公众区/会展区服务。从覆盖区域来看，可重点应用于以下区域：

①有线资源成本太高或布线困难的区域；

②酒店、机场、医院、茶楼等人员流动频繁的地方；

③校园、办公室、会议室等人员聚集的地方；

④展览馆、体育馆、新闻中心等信息需求量大的地方。

（5）Wi-Fi的技术发展

Wi-Fi技术的商用目前碰到了许多困难。一方面是受制于Wi-Fi技术自身的限制，如漫游性、安全性和如何计费等都还没有得到妥善的解决；另一方面，由于Wi-Fi的赢利模式不明确，如果将Wi-Fi作为单一网络来经营，商业用户的不足会使网络建设的投资收益比较低，因此也影响了电信运营商的积极性。

虽然，Wi-Fi技术的商用遇到一些问题，但这种先进的技术也不可能包办所有功能的通信系统。可以说，只有各种接入手段相互补充使用才能带来经济性、可靠性和有效性。因而，它可以在特定的区域和范围内发挥对3G的重要补充作用，Wi-Fi技术与3G技术相结合将具有广阔的发展前景。

4.电力线通信技术

（1）电力线通信（Power Line Communication，PLC）概述

电力线通信技术是指利用电力线传输数据和语音信号的一种通信方式。电力线通信并不是新技术，已经有几十年发展历史，在中高压输电网（35kV以上输电网）上通过电线载波机利用较低的频率（9～490kHz）传送数据或语音，这是电力线通信技术应用的主要形式之一。在低压（220V）领域，PLC技术首先用于负荷控制、远程抄表和家居自动化，其传输速率一般为200bit/s或更低，称为低速PLC。近几年国内外开展利用低压电力线传输速率在1Mbit/s以上的电力线信技术称之为高速PLC。

目前，高速PLC传输速率高达45Mbit/s，而且能同时传输数据、语音、视频和电力，有可能带来“四网合一”的新趋势。图4-7所示为典型的PLC系统应用示意图。在配电变压器低压出线端安装PLC主站，将电力线高频信号和传统的光缆等宽带信号进行互相转换。PLC主站的一侧通过电容或电感耦合器连接电力电缆，注入和提取高频PLC信号；另一侧通过传统通信方式，如光纤、CATV、ADSL等，连接至互联网。在用户侧，用户的计算机通过以太网接口或USB接口与PLC调制解调器相连，普通话机通过RJ11接口连至PLC调制解调器，而PLC调制解调器直接插入墙上插座。如果PLC高频信号衰减较大或干扰较大，可以在适当的地点加装中继器以放大信号。

PLC利用输电线路作为信号的传输媒介，人们利用电力线可以传输电话、电报、数据和远方保护信号等。由于电力线机械强度高、可靠性好，不需要线路的基础建设投资和日常的维护费用，因此PLC具有较高的经济性和可靠性，在电力系统的调度通信、生产指挥、行政业务通信及各种信息传输方面发挥了重要作用。随着电力部门逐步实现调度自动化和管理现代化，PLC日益受到重视。而且随着家庭自动化和智能大楼概念的出现，PLC能方便地为各种设备（如警报系统的传感器）提供通信链路。近年来低压PLC作为“最后一公里”的一种解决方案也已经取得成功，特别是在小区内采用低压网作为局域网的接入方案已经投入使用。因此，PLC由于经济、可靠性方面的优势，而逐渐受到人们的重视。

（2）PLC的关键技术

目前，国际上高速电力线通信采用的调制技术主要有扩展频谱类和OFDM调制技术。其中，OFDM以它独特的优点在宽带、高速电力线通信中成为最有吸引力的技术，它成功地解决了电力线通信技术中的大部分问题。

OFDM技术，是一种并行数据传输系统，可以在同一电力线不同带宽的信道上传输数据。这些数据可以相互重叠、彼此正交，重叠越大，分成的信道数也就越多。所有信道加在一起就可以获得较高的数据速率和更有效的频谱利用率。

OFDM系统的调制和解调过程等效于离散傅里叶逆变换和离散傅里叶变换处理。其核心技术是离散傅里叶变换，若采用数字信号处理技术和快速傅里叶变换算法，无须束状滤波器组，实现比较简单，最新技术已经实现了高达200Mbit/s的通信带宽。

图4-7　典型的PLC系统应用示意图

（3）PLC的特点

1）高压电力线路载波路由合理，通道建设投资相对较低。高压电力线路的路由走向沿着终端站到枢纽站，再到调度所，正是电力调度通信所要求的合理路由，并且载波通道建设无须考虑线路投资，因此当之无愧成为电力通信的基本通信方式。电力线载波通道往往先于变电站完成建设，对于新建电站的通信开通十分有利。

2）传输频带受限，传输容量相对较小。在当今通信业务已大大开拓的情况下，载波通道的信道容量已成为其进一步应用的“瓶颈”。尽管在载波频谱的分配上研究了随机插空法、分小区法、分组分段法、频率阻塞法及地图色法和计算机频率分配软件，并且规定不同电压等级的电力线路之间不得搭建高频桥路，使载波频率尽量得以重复使用，但还是不能满足需要。近来光纤通信的发展和全数字电力线载波机的出现，稍微缓解了载波频谱的紧张程度。

3）可靠性要求高。电力线载波机要求具有较高的可靠性：一个是在电力系统中传输重要调度信息的需要；另一个是电压隔离的人身安全需要。为此，电力线载波机在出厂前必须进行高温老化处理，最终检验必须包含安全性检验项目。为此，国家质检总局从20世纪80年代开始即对电力线载波机（类）产品实行了强制性生产许可证管理。目前，管理的范围已包括各种电压等级的载波机、继电保护收发信机、载波数据传输装置（如配网自动化和抄表系统的载波部分）和电力线上网调制解调器。目前，大多数高压及中压电力线载波机生产企业已按照生产许可证的要求建立了较为完善的质量体系。

4）线路噪声大。电力线路作为通信媒介带来的噪声干扰远比电信线路大得多，如图4-8所示。在高压电力线路上，游离放电电晕、绝缘子污闪放电、开关操作等产生的噪声比较大，尤其是突发噪声具有较高的电平。

图4-8　水平排列电力线通道噪声干扰波形

5）对外界的干扰。由于高压电力线载波频段限制在40～500kHz，只要控制载波机的谐波和交调干扰发射功率足够小，即可避免对外界的干扰。值得研究的是，在220 V线路上的扩频电线上网装置的干扰问题，这类装置为了实现高速数据通信，往往占用频带达30MHz甚至更多。据国外报道，当电力线数据通信使用2～30MHz的频带传输数据时，将对该频段的短波无线电广播等产生影响。目前，我国还没有建立这方面的标准，应当将这种干扰限制在何种程度还需要进一步研究。

6）网络应用要求更高。现代通信对电力线载波的要求也更侧重网络方面，需要将原先仅限通道的概念扩展为网络概念。以往的电力线载波机主要靠自动盘和转接口实现小范围的联网。而将载波机与调度机协同考虑，实现载波机协同变电站调度机的组网应用，以及适当设置能够与通信网监测系统接口的数据采集变送器，应当是近几年考虑的问题。在开始阶段，电力线载波在中、低压线路上的应用就是建立在网络应用的基础之上的。

（4）PLC的发展展望

传统的PLC主要利用高压输电线路作为高频信号的传输通道，仅局限于传输语音、运动控制信号等，应用范围窄、传输速率较低，不能满足宽带化发展的要求。目前，PLC正在向大容量、高速率方向发展，同时转向采用低压配电网进行载波通信，实现家庭用户利用电力线打电话、上网等多种业务。例如，美国、日本、以色列等国家正在开展低压配电网通信的研究和试验。由美国3Com公司、美国英特尔公司、美国思科公司和日本松下公司等13家公司联合组建使用电力线作为传送媒介的家庭网络推进团体———家庭插电联盟（Home-plug Powerline Alliance），已经提出家庭插座（Home Plug）计划，旨在推动以电力线为传输媒介的数字化家庭。我国也正在进行利用电力线上网的试验研究。可以预见，在将来人们可以使用电力线实现计算机联网及互联网接入、小区安全监控、智能自动抄表、家庭智能网络管理等业务，以低压电力线为传输媒介的载波通信技术必将得到更为广泛的关注和研究。未来的PLC应该能实现通信业务的综合化、传输能力的宽带化和网络管理的智能化，并能实现与远程网的无缝连接。

目前，还存在以下几方面的问题有待进一步研究：

1）硬件平台，主要包括通信方式的合理选择、通信网络结构的优化选择等。扩频方式、OFDM技术和多维网格编码方式各有优点，哪一种适合低压网还有待研究，或者也可以采用软件无线电的思想为这三种方式提供一个统一的平台。电力网结构非常复杂，网络拓扑千变万化，如何优化通信网结构也是值得研究的问题。

2）软件平台，主要包括进一步研究PLC通信理论，改进信号处理技术和编码技术以适应PLC特殊的环境。除了研究适合电力线通信的调制技术、编码技术外，还需要研究自适应信道均衡、回波抵消技术、自适应增益调整等。这些技术对于低压PLC保障通信尤为重要。

3）网络管理问题，除了上网、打电话外，低压电力线还可以完成远程自动读出水、电、气表数据；永久在线连接，构建的防火、防盗、防有毒气体泄漏等的保安监控系统；构建的医疗急救系统等。因此，利用电力线可以传输数据、语音、视频和电力，实现“四网合一”，也就是说家中的任何电器都可以接入到网络中，和骨干网连接。但是，如何实现四种网络的无缝连接及由此带来的非常复杂、庞大的网络管理问题，需要进一步的研究。