吳功宜_物聯(lián)網(wǎng)工程導(dǎo)論_第3章：傳感器資料

1、1吳功宜 吳英 編著(binzh) 物聯(lián)網(wǎng)(lin wn)工程導(dǎo)論共四十頁第3章 傳感器、傳感網(wǎng)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wnglu)技術(shù)的發(fā)展2共四十頁第 3章知識點(diǎn)結(jié)構(gòu)3共四十頁3.1 傳感器概述3.1.1 感知(gnzh)能力與傳感器的發(fā)展1. 人的感知能力眼、耳、鼻、舌、皮膚是人類感知外部物理世界的重要感官隨著(su zhe)人類對外部世界的改造，對未知領(lǐng)域與空間的拓展，人類需要的信息來源、種類、數(shù)量、精度不斷增加，對信息獲取的手段也提出了更高的要求，而傳感器是能夠滿足人類對各種信息感知需求的主要工具4共四十頁2傳感器的基本概念傳感器（sensor）是由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成(z chn)的一

2、種檢測裝置，能感受到被測量，并能將檢測和感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號（電壓、電流、頻率或相位）輸出，以滿足感知信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制的要求。傳感器結(jié)構(gòu)與工作原理示意圖5共四十頁3.1.2 傳感器的分類(fn li)傳感器分類的基本方法：根據(jù)(gnj)傳感器功能分類根據(jù)傳感器工作原理分類根據(jù)傳感器感知的對象分類根據(jù)傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域分類6共四十頁常用(chn yn)物理傳感器與化學(xué)傳感器7共四十頁3.1.3 物理(wl)傳感器1. 物理傳感器物理傳感器的原理(yunl)是利用力、熱、聲、光、電、磁、射線等物理效應(yīng)，將被測信號量的微小變化轉(zhuǎn)換成電信號物理傳感器可以進(jìn)一步分

3、為：力傳感器、熱傳感器、聲傳感器、光傳感器、電傳感器、磁傳感器與射線傳感器等7類8共四十頁（1）力傳感器力傳感器是能感受(gnshu)外力并將其轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的傳感器。力傳感器的種類繁多，常用的力與壓力傳感器有電阻應(yīng)變式、半導(dǎo)體應(yīng)變式、壓阻式、電感式、電容式、諧振式壓力傳感器，以及光纖壓力傳感器等用金屬應(yīng)變絲作為敏感元件的壓力傳感器原理示意圖9共四十頁不同(b tn)用途的 力傳感器10共四十頁（2）溫度傳感器（3）聲傳感器11共四十頁（4）光傳感器圖像(t xin)傳感器光纖傳感器12共四十頁分布式光纖傳感系統(tǒng)分布式光纖傳感系統(tǒng)利用光纖作為傳感敏感元件和傳輸信號介質(zhì)，探測出沿著光纖不同位

4、置的溫度和應(yīng)變的變化，實(shí)現(xiàn)分布、自動、實(shí)時、連續(xù)、精確的測量。分布式光纖傳感系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域包括： 智能電網(wǎng)的電力電纜表面溫度檢測、事故點(diǎn)定位 發(fā)電廠和變電站的溫度監(jiān)測、故障點(diǎn)檢測和報警 水庫大壩、河堤安全與滲漏監(jiān)測 橋梁與高層建筑結(jié)構(gòu)安全性監(jiān)測 公路、地鐵、隧道地質(zhì)狀況(zhungkung)的監(jiān)測分布光纖溫度傳感系統(tǒng)可以在易燃、易爆的環(huán)境下同時測量上萬個點(diǎn)，可以對每個溫度測量點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時測量與定位13共四十頁（5）電傳感器電傳感器可以(ky)分為：電阻式、電容式、電感式傳感器電阻式傳感器利用變阻器將非電量轉(zhuǎn)換成電阻信號的原理制成的。電阻式傳感器主要用于位移、壓力、應(yīng)變、力矩、氣流流速、液面與液體流

5、量等參數(shù)的測量電容式是利用改變電容器的幾何尺寸或介質(zhì)參數(shù)，來使電容量變化的原理制成的。電容式傳感器主要用于壓力、位移、液面、厚度、水分含量等參數(shù)的測量電感式是利用改變電感磁路的幾何尺寸或磁體位置，來使電感或互感量變化的原理制成的，主要用于壓力、位移、力、振動、加速度等參數(shù)的測量。14共四十頁（6）磁傳感器磁傳感器是最古老的傳感器，指南針是磁傳感器的最早的一種應(yīng)用磁傳感器將磁信號轉(zhuǎn)化成為電信號輸出磁電式傳感器目前已經(jīng)被高性能磁敏感(mngn)材料的新型磁傳感器所替代15共四十頁（7）射線傳感器射線傳感器是將射線強(qiáng)度轉(zhuǎn)換出可輸出的電信號的傳感器射線傳感器可以分為：X射線傳感器、射線傳感器、射線傳感

6、器、輻射劑量傳感器射線傳感器已經(jīng)在環(huán)境保護(hù)(hunjng boh)、醫(yī)療衛(wèi)生、科學(xué)研究與安全保護(hù)領(lǐng)域廣泛使用16共四十頁3.1.4 化學(xué)(huxu)傳感器化學(xué)傳感器可以將化學(xué)吸附、電化學(xué)反應(yīng)過程中被測信號的微小變化轉(zhuǎn)換成電信號的一類傳感器按傳感方式的不同，可分為： 接觸式化學(xué)傳感器 非接觸式化學(xué)傳感器按結(jié)構(gòu)形式的不同，可以分為： 分離型化學(xué)傳感器 組裝一體化化學(xué)傳感器按檢測對象的不同，可以分為： 氣體(qt)傳感器 離子傳感器 濕度傳感器 17共四十頁3.1.5 生物(shngw)傳感器生物傳感器是由生物敏感元件和信號傳導(dǎo)器組成生物敏感元件可以是生物體、組織、細(xì)胞、酶、核酸或有機(jī)物分子不同的生

7、物元件對于光強(qiáng)度、熱量、聲強(qiáng)度、壓力有不同的感應(yīng)(gnyng)特性18生物傳感器的分類共四十頁3.1.6 傳感器性能指標(biāo)線性度靈敏度分辨率遲滯(chzh)重復(fù)性漂移(pio y)測量范圍精度19共四十頁3.2 智能(zh nn)傳感器與無線傳感器的發(fā)展3.2.1 智能傳感器的發(fā)展智能傳感器的特點(diǎn)：自學(xué)習(xí)、自診斷與自補(bǔ)償能力復(fù)合感知能力靈活的通信能力智能傳感器的發(fā)展為傳感器技術(shù)的研究(ynji)提出了很多富有挑戰(zhàn)性的課題20共四十頁3.2.2 微機(jī)電系統(tǒng)對智能傳感器發(fā)展(fzhn)的影響微機(jī)電系統(tǒng)的基本概念微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）是指集微型機(jī)構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號處理和控制電路，直至接

8、口、通信和電源等于一體的微型器件或系統(tǒng)MEMS為傳感器微型化、智能化與網(wǎng)絡(luò)化的實(shí)現(xiàn)提供了技術(shù)支持，也為智能傳感器應(yīng)用與產(chǎn)業(yè)發(fā)展拓展了新的空間MEMS是在微電子技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的多學(xué)科交叉的新興學(xué)科，它以微電子及機(jī)械加工技術(shù)為依托，研究(ynji)涉及微電子學(xué)、機(jī)械學(xué)、力學(xué)、自動控制科學(xué)、材料科學(xué)等多個學(xué)科21共四十頁用MEMS技術(shù)制造(zhzo)的微型傳感器22共四十頁3.2.3 無線傳感器的研究(ynji)UGS的無線傳感器外形(wi xn)與應(yīng)用23共四十頁3.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wnglu)3.3.1 從無線分組網(wǎng)到無線自組網(wǎng)1. 無線分組網(wǎng)的研究IEEE將無線自組網(wǎng)定義為一種特殊的自

9、組織、對等式、多跳、無線移動網(wǎng)絡(luò)（MANET），它是在無線分組網(wǎng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的無線自組網(wǎng)有多個英文名稱，如Ad hoc network 、Self-organizing network、Infrastructureless network 與Multi-hop network1991年5月，IEEE正式采用“Ad hoc網(wǎng)絡(luò)”術(shù)語Ad hoc在英語中的含義是“for the specific purpose only”，即“專門為某個特定目的、即興的、事先未準(zhǔn)備(zhnbi)的”意思24共四十頁2. 無線自組網(wǎng)的基本概念A(yù)d hoc網(wǎng)絡(luò) 物理(wl)結(jié)構(gòu)與 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)25共四十頁Ad hoc

10、網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn):自組織與獨(dú)立(dl)組網(wǎng)無中心多跳路由動態(tài)拓?fù)錈o線傳輸?shù)木窒夼c節(jié)點(diǎn)能量的限制性網(wǎng)絡(luò)生存時間的限制Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的主要應(yīng)用領(lǐng)域:軍事領(lǐng)域民用領(lǐng)域26共四十頁3.3.2 從無線自組網(wǎng)到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wnglu)1. LWIM 與WINS無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wnglu)的研究LWIM 與WINS無線傳感器節(jié)點(diǎn)27共四十頁2. 智能塵埃項目的研究智能塵埃(Smart Dust)項目研究的目標(biāo)是通過MEMS技術(shù)，實(shí)現(xiàn)傳感、計算與通信能力的集成，用智能傳感器技術(shù)去增強(qiáng)微型機(jī)器人的環(huán)境感知(gnzh)與智慧處理能力各種智能塵埃節(jié)點(diǎn)28共四十頁無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(jsh)發(fā)展的過程29共四十頁3.

11、3.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)(tdin)與結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn):網(wǎng)絡(luò)規(guī)模自組織網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(jigu)的動態(tài)變化以數(shù)據(jù)為中心30共四十頁無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)(ji din)類型:傳感器節(jié)點(diǎn)匯聚節(jié)點(diǎn)管理節(jié)點(diǎn)31共四十頁電源能量對無線傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計的限制無線傳感器節(jié)點(diǎn)通常是一個微型的嵌入式系統(tǒng)，它的處理能力、存儲能力和通信能力相對(xingdu)較弱，通過自身攜帶的能量有限的電池（鈕扣電池或干電池）供電匯聚節(jié)點(diǎn)既可以是一個具有增強(qiáng)功能的傳感器節(jié)點(diǎn)，有足夠的能量提供給更多的內(nèi)存與計算資源，也可以是沒有監(jiān)測功能僅帶有無線通信接口的特殊網(wǎng)關(guān)設(shè)備32共四十頁基于(jy)功能的無線傳感

12、器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型33共四十頁3.3.4 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wnglu)關(guān)鍵技術(shù)研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wnglu)研究的主要內(nèi)容34共四十頁3.3.5 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議(xiy)與標(biāo)準(zhǔn)*1. 無線局域網(wǎng)與IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)802.11協(xié)議(xiy)層次結(jié)構(gòu)模型35共四十頁802.11節(jié)點(diǎn)(ji din)發(fā)送數(shù)據(jù)幀過程36共四十頁2. 藍(lán)牙技術(shù)(jsh)與協(xié)議藍(lán)牙（Bluetooth）一種用于將計算機(jī)與通信設(shè)備、附加部件和外部設(shè)備，通過短距離的、低功耗的、低成本的無線信道連接的無線標(biāo)準(zhǔn)37共四十頁3. 無線個人區(qū)域網(wǎng)與IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)LR-WPAN是指在一個個人操作空間內(nèi)，將使

13、用相同無線信道，將個人計算機(jī)、鍵盤、鼠標(biāo)、智能手機(jī)、打印機(jī)、投影儀，以及各種PDA設(shè)備互聯(lián)起來的無線個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)LR-WPAN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞譃閮煞N類型：星型與點(diǎn)-點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)IEEE 802.15.4是為近距離、低速無線個人區(qū)域網(wǎng)LR-WPAN 制定(zhdng)的一種通信標(biāo)準(zhǔn)38共四十頁4. ZigBee技術(shù)與協(xié)議ZigBee是一種面向自動控制的低速、低功耗、低價格的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)ZigBee適應(yīng)于數(shù)據(jù)采集與控制的點(diǎn)多、數(shù)據(jù)傳輸量不大、覆蓋面廣、造價低的應(yīng)用領(lǐng)域，在家庭網(wǎng)絡(luò)、安全監(jiān)控、醫(yī)療保健、工業(yè)控制、無線定位(dngwi)等方面展現(xiàn)重要的應(yīng)用前景39共四十頁內(nèi)容摘要1。常用物理傳感器與化學(xué)傳感器。力傳感器是能感受外力并將其轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的傳感器。發(fā)電廠和變電站的溫度監(jiān)測、故障點(diǎn)檢測和報警。分布光纖溫度傳感系統(tǒng)可以在易燃、易爆的環(huán)境下同時測量上萬個點(diǎn)，可以對每個溫