物聯網概論-第5章 傳感器與無線傳感網

物聯網概論TheIntroductionoftheInternetofThings第5章傳感器與無線傳感網5.1傳感器概述5.2傳感器的工作原理與選擇原則5.3無線傳感器網絡5.1傳感器概述5.1.1傳感器的概念5.1.2傳感器的作用5.1.3傳感器的分類5.1.4傳感器的一般特性5.1.5傳感器的應用 5.1.6傳感器的發(fā)展趨勢

在物聯網的感知層中，信息的獲取與數據的采集主要采用自動識別技術和傳感器技術。

傳感器技術和自動識別技術完全不同，傳感器是一種能把物理量或化學量轉變成便于利用的電信號的器件，可以感知周圍的溫度、速度、電磁輻射或氣體成分等，主要用來采集傳感器周圍的各種信息。5.1.1傳感器的概念

傳感器最早來自“感覺”一詞。人用眼睛看，可以感覺到物體的開關、大小和顏色；用耳朵聽，可以感覺到聲音；用鼻子嗅，可以感覺氣味。這種視覺、聽覺、味覺和觸覺是人感覺外界刺激所必須具備的感官，它們就是天然的傳感器。 然而單靠人自身的感覺器官來研究自然現象和自然規(guī)律是遠遠不夠的。5.1.1傳感器的概念

目前，人類已進入了科學技術空前發(fā)展的信息社會時代。在這個瞬息萬變的信息社會里，傳感器為人類敏感地檢測出形形色色的有用信息，充當著電子計算機、智能機器人、自動化設備、自動控制裝置的“感覺器官”。如果沒有傳感器將各種各樣的形態(tài)各異的信息轉換為能夠直接檢測的信息，現代科學技術將是無法發(fā)展的。顯而易見，傳感器在現代科學技術領域占有極其重要的地位。5.1.1傳感器的概念

社會進步到今天，人們周圍使用著各種各樣的傳感器，如：

電冰箱、微波爐、空調機；

電視機；

錄像機和攝像機；

液化氣灶；

汽車5.1.1傳感器的概念

社會進步到今天，人們周圍使用著各種各樣的傳感器，如：

電冰箱、微波爐、空調機有溫度傳感器；

電視機有紅外傳感器；

錄像機和攝像機有濕度傳感器、光傳感器；

液化氣灶有氣體傳感器；

汽車有速度、壓力、濕度、流量、氧氣等多種傳感器。5.1.1傳感器的概念

通常傳感器又稱為變換器、轉換器、檢測器、敏感元件、換能器和一次儀表等。這些不同的提法，反映了在不同的技術領域中，只是根據器件用途對同一類型的器件使用不同的技術術語而已。

如從儀器儀表學科的角度強調，它是一種感受信號的裝置，所以稱為“傳感器”；從電子學的角度，則強調它是能感受信號的電子元件，稱為“敏感元件”，如熱敏元件、磁敏元件、光敏元件及氣敏元件等；在超聲波技術中，則強調的是能量轉換，稱為“換能器”，如壓電式換能器。在過程控制中稱為變速器，在射線檢測中稱為發(fā)送器、接收器或探頭。

這些不同的名稱在大多數情況下并不矛盾，譬如，熱敏電阻既可以稱為“溫度傳感器”，也可以稱為“熱敏元件”。5.1.1傳感器的概念5.1.1傳感器的概念

國家標準《傳感器通用術語》中定義傳感器為：“能感受（或響應）規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉換成可用信號的輸出器件或裝置”。

這里所謂的“可用信號”是指便于處理、傳輸的信號，一般為電信號，如電壓、電流、電阻、電容、頻率等。

本教材中的定義：傳感器（Sensor；MeasuringElement；Transducer）是一種以一定的精確度把“被測量”轉換為與之有確定對應關系的、便于應用的某種物理量的測量裝置，能完成檢測任務；

它的輸入量是某一被測量，可能是物理量，也可能是化學量、生物量等；它的輸出量是某種物理量，這種量要便于傳輸、轉換、處理、顯示等，這種量可以是氣、光、電量，但主要是電量；輸入與輸出的轉換規(guī)律已知，轉換精度要滿足測控系統的應用要求。5.1.1傳感器的概念傳感器一般由敏感元件、轉換元件和變換電路3部分組成。5.1.1傳感器的概念圖5.1傳感器的一般組成由半導體材料組成的傳感器基本是把敏感元件和轉換元件合二為一。

傳感器已經滲透到各個領域，現在從基礎學科的研究到自動化工業(yè)生產，幾乎每一個項目都離不開各種各樣的傳感器。 許多基礎學科的研究，最大的障礙之一就是對象信息獲取的困難，而一些新機理，高靈敏度的傳感器的出現往往會導致該領域該學科內技術的突破。

傳感器在自動化生產中地位更為突出。各種傳感器可以監(jiān)視和控制生產過程中的各種參數，從而使設備工作在最佳狀態(tài)，是產品達到最好的質量等等。沒有傳感器，就不能實現自動化。

5.1.2傳感器的作用5.1.2傳感器的作用

在物聯網中，傳感器是整個物聯網中需求量最大和最為基礎的環(huán)節(jié)之一。物聯網的概念傳到我國以后，我國提出了感知中國的發(fā)展目標，在物聯網中人們?yōu)榱烁兄饨绛h(huán)境，同樣必須借助于傳感器的幫助。1.按工作/變換原理分類5.1.3傳感器的分類 現有傳感器的測量原理都是基于物理、化學和生物等各種效應和定律，這種分類方法便于從原理上認識輸入與輸出之間的變換關系，有利于專業(yè)人員從原理、設計及應用上作歸納性的分析與研究。1.按工作/變換原理分類5.1.3傳感器的分類變

換

原

理傳感器舉例變換電阻電位器式、應變式、壓阻式、光敏式、熱敏式變換磁阻電感式、差動變壓器式、渦流式變換電容電容式、濕敏式變換諧振頻率振動膜式變換電荷壓電式變換電勢霍爾式、感應式、熱電偶式表5.2傳感器按工作原理分類表

2.

按用途分類

溫度、濕度、壓力、煙霧、水位、速度、加速度、射線輻射、能耗傳感器等。3.按輸出信號分類

按信號的不同輸出方式，傳感器可以分為模擬傳感器、數字傳感器、開關傳感器等。5.1.3傳感器的分類4.按材料分類

在外界因素的作用下，所有材料都會做出相應的、具有特征性的反應，可以用作傳感器的敏感元件。可按材料的類別分類（金屬、聚合物、陶瓷、混合物傳感器），也可按材料的物理性質分類（絕緣體、半導體、導體、磁性材料傳感器）。按照材料的晶體結構可分為單晶、多晶和非晶體材料傳感器。

5.按工藝分類集成傳感器-薄膜傳感器厚膜傳感器-陶瓷傳感器

5.1.3傳感器的分類6.按能量轉換的方式分類 1）能量轉換型：傳感器將一種能量直接轉換成另一種能量，直接由被測對象輸入的能量使其工作。如熱電偶、光電池等，這種類型傳感器又稱為有源傳感器。 2）能量控制型：傳感器不能轉換能量形式，只能由被測量的變化控制外部供給能量的變化，即從外部獲得能量使其工作。例如電阻式、電感式等傳感器，這種類型的傳感器必須由外部提供激勵源（電源等），因此又稱為無源傳感器。5.1.3傳感器的分類靜態(tài)特性動態(tài)特性5.1.4傳感器的一般特性

傳感器要感受被測非電量的變化，并將其不失真地變換成相應的電量，這取決于傳感器的基本特征。傳感器可以看成是二端口網絡，傳感器的基本特性可以用二端口網絡的輸入-輸出特性來表示。動態(tài)特性5.1.4傳感器的一般特性 動態(tài)特性是指當被測量的值隨時間變化時，傳感器的輸出量隨時間變化的特性。這時輸入量和輸出量都是與時間有關的函數。實際中，傳感器的動態(tài)特性常用它對標準輸入信號的響應來表示。標準輸入信號動態(tài)特性單位階躍階躍響應或瞬態(tài)響應正弦信號頻率響應或穩(wěn)態(tài)響應靜態(tài)特性5.1.4傳感器的一般特性線性度靈敏度遲滯重復性漂移絕緣電阻傳感器輸出與輸入之間的實際關系偏離擬合直線的程度，線性度說明的是傳感器的非線性程度。靜態(tài)特性是指當被測量的值處于穩(wěn)定狀態(tài)時，傳感器的輸出量與輸入量之間所具有的相互關系。這時輸入量和輸出量都和時間無關，所以它們之間的關系，即傳感器的靜態(tài)特性可以用一個不含時間變量的方程來表示。5.1.4傳感器的一般特性

圖5.2直線擬合的方法靜態(tài)特性5.1.4傳感器的一般特性線性度靈敏度遲滯重復性漂移絕緣電阻傳感器輸出量的變化量△y與對應的輸入變化量△x之比靈敏度是輸出輸入特性曲線的斜率靈敏度的量綱是輸出與輸入的量綱之比，位移傳感器200mV/mm輸入輸出量綱相同時，靈敏度為放大倍數靜態(tài)特性5.1.4傳感器的一般特性線性度靈敏度遲滯重復性漂移絕緣電阻遲滯：傳感器在輸入量由小到大（正行程）和輸入量由大到小（反行程）變化時，輸出-輸入特性曲線不重合的現象。遲滯差值：對于同一大小的輸入信號，正反行程輸出信號的差值。靜態(tài)特性5.1.4傳感器的一般特性線性度靈敏度遲滯重復性漂移絕緣電阻傳感器在相同測量方法、相同測量儀器、相同觀測者、相同使用條件、相同地點、在短時期內輸入量按同一方向做全程連續(xù)多次變化時，特性曲線不一致的程度。靜態(tài)特性5.1.4傳感器的一般特性線性度靈敏度遲滯重復性漂移絕緣電阻外部干擾信號摻雜進傳感器，經放大后成了主要信號，這是傳感器所傳送的信號發(fā)生了改變，即產生漂移。主要包括零點漂移和靈敏度漂移，又各分為時間漂移和溫度漂移。靜態(tài)特性5.1.4傳感器的一般特性線性度靈敏度遲滯重復性漂移絕緣電阻絕緣電阻：在室溫條件下施加規(guī)定的直流電壓時，從傳感器的規(guī)定部分之間測得的電阻值。絕緣電阻的大小會影響傳感器的各項性能，當絕緣電阻低于某個值時，傳感器將無法正常工作。傳感器常用的特性參數見教材P108

隨著電子計算機、生產自動化、現代信息、軍事、交通、化學、環(huán)保、能源、海洋開發(fā)、遙感、宇航等科學技術的發(fā)展，對傳感器的需求量與日俱增，其應用已滲入到國民經濟的各個部門以及人們的日常生活之中?？梢哉f，從太空到海洋，從各種復雜的工程系統到人們日常生活的衣食住行，都離不開各種各樣的傳感器，傳感技術對國民經濟的發(fā)展日益起著巨大的作用。5.1.5傳感器的應用傳感器應用現狀

據統計，傳感器應用增長最快的是汽車領域，其次是過程控制領域和通信領域。

一些傳感器已經比較成熟，市場規(guī)模較大，比如壓力傳感器、溫度傳感器、流量傳感器、水平傳感器等。

傳感器的主要增長來自于無線傳感器、微機電系統（MicroElectro-MechanicalSystems，MEMS）傳感器、生物傳感器等新興傳感器。5.1.5傳感器的應用傳感器應用現狀1．傳感器在汽車領域的應用 現代汽車越來越多的部件采用傳感器進行控制。傳感器把汽車運行中的各種信息（溫度，車速、發(fā)動機運轉情況等）轉化成電量傳輸給計算機，從而控制發(fā)動機處于最佳的工作狀態(tài)。 5.1.5傳感器的應用傳感器應用舉例1．傳感器在汽車領域的應用

傳感器在汽車上的應用已不只局限于對行駛速度、行駛距離、發(fā)動機旋轉速度以及燃料剩余量等有關參數的測量。由于汽車交通事故的不斷增多和汽車對環(huán)境的危害，傳感器在一些新的設施，如汽車安全氣囊系統、防盜裝置、防滑控制系統、防抱死裝置、電子變速控制裝置、排氣循環(huán)裝置、電子燃料噴射裝置及汽車“黑匣子”等都得到了實際應用。可以預測，隨著汽車電子技術和汽車安全技術的發(fā)展，傳感器在汽車領域的應用將會更為廣泛。5.1.5傳感器的應用傳感器應用舉例2．傳感器在工業(yè)檢測和自動控制系統中的應用

在石油、化工、電力、鋼鐵、機械等加工工業(yè)中，傳感器在各自的工作崗位上擔負著相當于人們感覺器官的作用，它們每時每刻地按需要完成對各種信息的檢測，再把大量測得的信息通過自動控制、計算機處理等進行反饋，用以進行生產過程、質量、工藝管理與安全方面的控制。5.1.5傳感器的應用傳感器應用舉例3．傳感器在家用電器領域的應用

傳感器已在現代家用電器中得到普遍應用，譬如，在電子爐灶、自動電飯鍋、吸塵器、空調器、電子熱水器、熱風取暖器、風干器、報警器、電熨斗、電風扇、游戲機、電子驅蚊器、洗衣機、洗碗機、照像機、電冰箱、彩色電視機、錄像機、錄音機、收音機、電唱機及家庭影院等方面都得到了廣泛應用。5.1.5傳感器的應用傳感器應用舉例4．傳感器在機器人上的應用

傳感器在機器人的控制中起到非常重要的作用。機器人中使用的傳感器相當于人類的五官，具有知覺功能和反應能力，可以感知各種想象，并傳給計算機，由計算機控制其完成各種動作。

5.1.5傳感器的應用傳感器應用舉例5．傳感器在醫(yī)療及人體醫(yī)學上的應用

應用醫(yī)用傳感器可以對人體的表面和內部溫度、血壓及腔內壓力、血液及呼吸流量、腫瘤、血液的分析、脈波及心音、心腦電波等進行高準確度的診斷。5.1.5傳感器的應用傳感器應用舉例6．傳感器在環(huán)境保護領域的應用

環(huán)球的大氣污染、水質污濁及噪聲已嚴重地破壞了地球的生態(tài)平衡和我們賴以生存的環(huán)境，這一現狀已引起了世界各國的重視。為保護環(huán)境，利用傳感器制成的各種環(huán)境監(jiān)測儀器正在發(fā)揮著積極的作用。5.1.5傳感器的應用傳感器應用舉例7．傳感器在航空航天領域的應用

為了解飛機或火箭的飛行軌跡，并把它們控制在預定的軌道上，就要使用傳感器進行速度、加速度和飛行距離的測量。

要了解飛行器飛行的方向，就必須掌握它的飛行姿態(tài)，飛行姿態(tài)可以使用紅外水平線傳感器陀螺儀、陽光傳感器、星光傳感器及地磁傳感器等進行測量。

5.1.5傳感器的應用傳感器應用舉例8．傳感器在橋梁監(jiān)控系統中的應用

5.1.5傳感器的應用傳感器應用舉例 通過傳感器收集橋梁運行過程中的各項數據，實時評價橋梁結構的健康狀況。

通過數據線的連接，傳感器被布置在了橋體突出部位、橋體側面和橋體下方等一些容易變形和受損的地方，可以實時監(jiān)測橋梁的位移、加速度、彈性形變等各種數據。橋梁身上有任何損耗，都能通過傳感器“把脈”，發(fā)布“病癥”，工作人員只要打開電腦就可以知道什么位置，哪個部件出了毛病，然后“對癥下藥”。整座立交橋上將分布有成百上千個傳感器，橋梁的使用變化情況將在傳感器的感知下一目了然。1．基礎、應用兩頭依附

基礎依附是指傳感器技術的發(fā)展依附于敏感機理、敏感材料、工藝設備和計測技術四大基礎。 應用依附是指傳感器技術屬于應用技術，其發(fā)展要以市場為導向，實行需求牽引。

5.1.5傳感器的應用傳感器產業(yè)特點2．技術、投資兩個密集

技術密集是指傳感器技術是多種技術的集合產物，傳感器在研發(fā)和制造過程中，技術存在多樣性、邊緣性、綜合性和技藝性。技術密集自然要求人才密集。 投資密集是指研發(fā)傳感器技術、研發(fā)和生產傳感器設備都需要一定的投資強度，且正確的投資能夠帶來更大的經濟效益。

5.1.5傳感器的應用傳感器產業(yè)特點3．產品、產業(yè)兩大分散

產品結構和產業(yè)結構分散是指傳感器品種繁多，生產、研發(fā)機構分布在多個領域，應用滲透到各個產業(yè)。只有按照市場需求，不斷調整產業(yè)結構和產品結構，才能實現傳感器產業(yè)全面、協調、持續(xù)健康的發(fā)展。 5.1.5傳感器的應用傳感器產業(yè)特點傳感器技術是一項新興的高科技技術，是電子信息產業(yè)中的基礎行業(yè)。傳感器是新技術革命和信息化社會的重要技術基礎，美國早在20世紀80年代就聲稱世界已進入傳感器時代，成立了國家技術小組，幫助政府來組織和領導各大公司與研究部門的傳感器技術開發(fā)工作。日本則把傳感器技術列為十大技術之一。日本工商界人士聲稱“支配了傳感器技術就能夠支配新時代”。世界技術發(fā)達國家對開發(fā)傳感器技術都十分重視。美、日、英、法、德和獨聯體等都把傳感器技術列為國家重點開發(fā)的關鍵技術之一。我國從20世紀60年代開始傳感技術的研究與開發(fā)，我國為了滿足對傳感器的需求，國家先后制訂了有關傳感器產業(yè)的一系列方針政策，這些政策有力地促進了傳感器技術水平的提高和發(fā)展，在國民經濟建設各個領域，特別是滿足軍事裝備和重點工程需求方面起到日益重要的作用。5.1.6傳感器的發(fā)展趨勢傳感器技術是一項與現代技術密切相關的尖端技術，近年來發(fā)展很快，主要特點及發(fā)展趨勢表現在以下幾個方面：將采用系列高新技術設計開發(fā)新型傳感器2.傳感器的微型化與低功耗3.傳感器的集成化與多功能化4.傳感器的智能化5.傳感器的數字化6.傳感器的網絡化5.1.6傳感器的發(fā)展趨勢l）微電子機械系統（MicroElectroMechanicalSystems，MEMS）技術、納米技術將高速發(fā)展，成為新一代微傳感器、微系統的核心技術，是21世紀傳感器技術領域中帶有革命性變化的高新技術。2）發(fā)現與利用新效應，比如物理現象、化學反應和生物效應，發(fā)展新一代傳感器。3）加速開發(fā)新型敏感材料，微電子、光電子、生物化學、信息處理等各種學科各種新技術的互相滲透和綜合利用，可望研制出一批先進傳感器。將采用系列高新技術設計開發(fā)新型傳感器5.1.6傳感器的發(fā)展趨勢4）各應用領域對傳感器的研究開發(fā)提出許多新的要求，其中重要的一點就是擴展檢測范圍，不斷突破檢測參數的極限。

空間技術、海洋開發(fā)、環(huán)境保護以及地震預測等都要求檢測技術滿足觀測研究宏觀世界的要求。細胞生物學、遺傳工程、光合作用、醫(yī)學及微加工技術等又希望檢測技術跟上研究微觀世界的步伐。5）提高傳感器的性能。檢測技術的發(fā)展，必然要求傳感器的性能不斷提高。5.1.6傳感器的發(fā)展趨勢將采用系列高新技術設計開發(fā)新型傳感器各種控制儀器設備的功能越來越大，要求各個部件體積越小越好，因而傳感器本身體積也是越小越好，功耗越低越好。微傳感器的特征之一就是體積小，其敏感元件的尺寸一般為微米級。目前形成產品的主要是微型壓力傳感器和微型加速度傳感器等，它們的體積只有傳統傳感器的幾十乃至幾百分之一，質量從千克級下降到幾十克乃至幾克。5.1.6傳感器的發(fā)展趨勢2.傳感器的微型化與微功耗5.1.6傳感器的發(fā)展趨勢3.傳感器的集成化與多功能化

傳感器的集成化一般包含兩方面含義：

其一是將傳感器與其后級的放大電路、運算電路、溫度補償電路等制成一個組件，實現一體化。與一般傳感器相比，它具有體積小、反應快、抗干擾、穩(wěn)定性好等優(yōu)點。

其二是將同一類傳感器集成于同一芯片上構成二維陣列式傳感器，或稱面型固態(tài)圖像傳感器，可用于測量物體的表面狀況。5.1.6傳感器的發(fā)展趨勢3.傳感器的集成化與多功能化

傳感器的多功能化是與“集成化”相對應的一個概念，是指傳感器能感知與轉換兩種以上的不同物理量。

例如：

使用特殊的陶瓷把溫度和濕度敏感元件集成在一起成溫、濕度傳感器；

將檢測幾種不同氣體敏感元件用厚膜制造工藝制作在同一基片上，制成檢測氧、氨、乙醇、乙烯4種氣體的多功能傳感器；

在同一硅片上制作應變計和溫度敏感元件，制成同時測量壓力和溫度的多功能傳感器，該傳感器還可以實現溫度補償。5.1.6傳感器的發(fā)展趨勢4.傳感器的智能化

利用人工神經網、人工智能和信息處理技術（如傳感器信息融合技術、模糊理論等）使傳感器具有更高級的智能，具有分析、判斷、自適應、自學習的功能。隨著科學技術的發(fā)展，智能傳感器的功能將逐步增強。

智能傳感器可充分利用計算機的計算和存儲能力，對傳感器的數據進行處理，并對內部行為進行調節(jié)，使采集的數據最佳。5.1.6傳感器的發(fā)展趨勢4.傳感器的智能化

智能傳感器技術是測量技術、半導體技術、計算技術、信息處理技術、微電子學和材料科學互相結合的綜合密集型技術。

智能傳感器與一般傳感器相比具有自補償能力、自校準功能、自診斷功能、數值處理功能、雙向通信功能、信息存儲記憶和數字量輸出功能。

智能化傳感器的研究與開發(fā)，美國處于領先地位。美國宇航局在開發(fā)宇宙飛船時稱這種傳感器為靈巧傳感器(SmartSensor)，在宇宙飛船上這種傳感器是非常重要的。5.1.6傳感器的發(fā)展趨勢5.傳感器的數字化

隨著現代化的發(fā)展，傳感器的功能已突破傳統的功能，其輸出不再是單一的模擬信號，而是經過微電腦處理好的數字信號，有的甚至帶有控制功能，這就是所說的數字傳感器。數字傳感器的特點是：①數字傳感器將模擬信號轉換成數字信號輸出，提高了傳感器輸出信號抗干擾能力，特別適用于電磁干擾強、信號距離遠的工作現場；②軟件對傳感器線性修正及性能補償，減少系統誤差；③一致性與互換性好。5.1.6傳感器的發(fā)展趨勢6.傳感器的網絡化

傳感器網絡化是利用TCP/IP協議，使現場測控數據就近接入網絡，并與網絡上有通信能力的節(jié)點直接進行通信，實現數據的實時發(fā)布和共享。

傳感器網絡化是傳感器領域發(fā)展的一項新興技術。傳感器網絡化的目標是采用標準的網絡協議，同時采用模塊化結構將傳感器和網絡技術有機地結合起來。能及時完成如傳感器故障診斷、軟件升級等工作，傳感器操作過程更加簡化，功能更換和擴張更加方便。5.2傳感器的工作原理與選擇原則5.2.1應變式傳感器5.2.2光電傳感器5.2.3超聲波傳感器5.2.4半導體傳感器5.2.5智能傳感器5.2.6傳感器選擇的一般原則

電阻應變式傳感器的工作原理：5.2.1電阻應變式傳感器

當金屬絲在外力作用下發(fā)生機械變形時，其電阻值將發(fā)生變化，這種現象稱為金屬的電阻應變效應。電阻應變式傳感器工作原理是基于電阻應變效應原理。用金屬電阻絲制作成電阻應變片，粘貼在彈性元件特定表面上，當力、扭矩、速度、被測物理量作用在彈性元件上時，彈性元件的變形會引起應變片的敏感柵的變形，其電阻值也發(fā)生相應變化，這樣就構成了電阻應變式傳感器。通過轉換電路可以將電阻值的變化轉換為電壓或電流的變化，還可以將這種變化用顯示記錄設備進行顯示記錄。

電阻應變式傳感器的工作原理：5.2.1電阻應變式傳感器1——敏感柵，由高電阻系數的細絲彎曲而成的柵狀電阻元件，它是應變片的轉換原件2——基片，是將傳感器彈性體的應變傳遞到敏感柵1的中間介質，很薄3——覆蓋層，用于保護敏感柵、引線的形狀和相對位置4——引線，用來連接敏感柵電阻元件與測量電路，一般由低阻鍍錫銅絲制成。

圖5.3電阻應變片的結構

優(yōu)點：精度高，測量范圍廣，壽命長，結構簡單，頻響特性好，能在惡劣條件下工作，易于實現小型化、整體化和品種多樣化等。缺點：對于大應變有較大的非線性、輸出信號較弱，但可以采取一定的補償措施。5.2.1電阻應變式傳感器

電阻應變式傳感器的優(yōu)缺點：應變式傳感器的靈敏度較高，目前已經應用于各種檢測系統中。

1.應變式測力傳感器2.應變式壓力傳感器3.應變式扭矩傳感器4.應變式位移傳感器5.測溫應變計6.應變式加速度傳感器5.2.1電阻應變式傳感器典型的電阻應變式傳感器：

光電傳感器是采用光電元件作為檢測元件的傳感器。光電傳感器的基礎是光電轉換元件的光電效應，光電傳感器首先將被測量的變化轉換成光通量的變化，再利用光電元件將光通量轉換為電量。

由于光電測量方法靈活多樣，可測參數眾多，具有非接觸、高精度、高可靠性和反應快等特點，使得光電傳感器在檢測和控制領域獲得了廣泛的應用。5.2.2光電傳感器光電傳感器的工作原理：

光電傳感器一般由光源、光學通路和光電器件三部分組成，其中x1表示被測量可以直接引起光量變化的檢測方式，x2表示被測量在光傳播過程中調制光量的檢測方式。5.2.2光電傳感器光電傳感器的工作原理：光電效應：

外光電效應：光線作用下，電子逸出物體表面的現象，如光電管內光電效應：光線作用下，物體的電阻率發(fā)生變化或產生光生電動勢的現象，多在半導體內部5.2.2光電傳感器光電導效應：光線作用下，電子吸收光子能力，從鍵合狀態(tài)過渡到自由狀態(tài)，從而引起材料電阻率的變化。如光敏電阻。光生伏特效應：光線作用下，能夠使物體產生一定方向的電動勢，如光電池、光敏晶體管。光電傳感器的工作原理：5.2.2光電傳感器檢測距離長，10m以上對檢測物體的限制少，玻璃、塑料、木材。液體、金屬等都可以響應時間短，光傳輸高速，傳感器電路由電子器件構成，無機械性工作時間可實現非接觸的檢測，對傳感器損傷小，根據故使用壽命長可實現顏色判別，根據不同顏色物體對光的反射率和吸收率不同便于調整。價格便宜光電傳感器的優(yōu)點：5.2.2光電傳感器典型的光電傳感器：煙塵濁度監(jiān)測儀 防止工業(yè)煙塵污染是環(huán)保的重要任務之一。為了消除工業(yè)煙塵污染，首先要知道煙塵排放量，因此必須對煙塵源進行監(jiān)測、自動顯示和超標報警。煙道里的煙塵濁度是用通過在煙道里傳輸的光的變化來檢測的。如果煙道濁度增加，光源發(fā)出的光被煙塵顆粒的吸收和折射增加，到達光檢測器的光減少，因而光檢測器輸出信號的強弱便可反映煙道濁度的變化。5.2.2光電傳感器典型的光電傳感器：光敏電阻

光敏電阻是利用半導體的內光電效應制成的一種電阻值隨入射光的強弱而改變的電阻器；入射光強，電阻減小，入射光弱，電阻增大。主要用于光的測量、光的控制和光電轉換，如光控調光電路、光控開關、光通量檢測、光通量調整。5.2.2光電傳感器 在半導體光敏材料兩端裝上電極引線，將其封裝在帶有透明窗的管殼里就構成CDS光敏電阻如圖所示。為了增加靈敏度，兩電極常做成梳狀。構成光敏電阻的材料有金屬的硫化物、硒化物、碲化物等半導體。

半導體的導電能力取決于半導體導帶內載流子數目的多少。當光敏電阻受到光照時，價帶中的電子吸收光子能量后躍遷到導帶，成為自由電子，同時產生空穴，電子—空穴對的出現使電阻率變小。光照愈強，光生電子—空穴對就越多，阻值就愈低。當光敏電阻兩端加上電壓后，流過光敏電阻的電流隨光照增大而增大。典型的光電傳感器：光敏電阻

5.2.2光電傳感器典型的光電傳感器：CCD圖像傳感器

1969年，美國科學家威拉德·博伊爾和喬治·史密斯發(fā)明了一種半導體裝置，可以把光學影像轉化為數字信號，這就是CCD（電荷耦合元件）圖像傳感器。實質上是應用愛因斯坦的光電效應理論，即光照射到某些物質上，能夠引起物質的電性質發(fā)生變化。 在CCD上植入微小的光敏物質（高感光度的半導體材料，稱為像素），CCD將光線照射時導致的電信號變化轉換成數字信號，從而實現圖像的高效獲取、存儲、編輯、傳輸、處理和復原等。5.2.2光電傳感器典型的光電傳感器：CCD圖像傳感器

5.2.2光電傳感器 CCD圖像傳感器已成為打印機、傳真機、攝像機、數碼相機、掃描儀、數字攝像機和多媒體系統的核心部件，還廣泛應用于工業(yè)領域。此外，在醫(yī)學中為診斷疾病或進行顯微手術等而對人體內部進行的拍攝中，也大量應用了CCD圖像傳感器及相關設備。 CCD圖像傳感器有體積小、重量輕、分辨率高、靈敏度高、動態(tài)范圍寬、光敏元的幾何精度高、光譜響應范圍寬、工作電壓低、功耗小、壽命長、抗震性和抗沖擊性好、不受電磁場干擾和可靠性高等一系列優(yōu)點。典型的光電傳感器：CCD圖像傳感器

人們能聽到的聲音是由于物體振動產生的，它的頻率在20HZ-20KHZ范圍內，超過20KHZ稱為超聲波，低于20HZ的稱為次聲波。常用的超聲波頻率為幾十KHZ至幾十MHZ。它具有頻率高、波長短、繞射現象小，特別是方向性好、能夠定向傳播等特點。 超聲波是一種在彈性介質中的機械振蕩，有兩種形式：橫向振蕩（橫波）及縱向振蕩（縱波）。在工業(yè)中應用主要采用縱向振蕩。5.2.3超聲波傳感器超聲波

超聲波可以在氣體、液體及固體中傳播，其傳播速度不同。另外，它也有折射和反射現象，并且在傳播過程中有衰減。 在空氣中傳播的超聲波，衰減較快，其頻率較低，一般為幾十KHZ，而在固體、液體中則頻率可用得較高，衰減較小，傳播較遠。對液體、固體的穿透本領很大，尤其是不透明的固體，可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質或分界面會產生顯著反射，形成反射回波，碰到活動物體能產生多普勒效應。 利用超聲波的特性，可做成各種超聲傳感器，配上不同的電路，制成各種超聲測量儀器及裝置，并在通迅，醫(yī)療家電等各方面得到廣泛應用。5.2.3超聲波傳感器超聲波

倒車雷達用于測距上，倒車雷達一般由超聲波傳感器、控制器、反饋器三個部分組成。 在汽車處于倒檔狀態(tài)時，倒車雷達開始工作，由傳感器發(fā)射超聲波信號，一旦車后方出現障礙物，超聲波被障礙物反射，傳感器會接收到反射波信號，通過控制器對反射波信號進行處理（超聲波信號從發(fā)射到接收回波信號的時間及在介質中的傳播速度等）來判斷障礙物的所處位置以及和車身的距離，最后由反饋器通過聲音(蜂鳴器)、數據(距離顯示)、圖像(顯示屏模擬)等方式將信息反饋給駕駛員。

5.2.3超聲波傳感器超聲波傳感器的應用：倒車雷達

超聲波在醫(yī)學上的應用主要是診斷疾病，它已經成為了臨床醫(yī)學中不可缺少的診斷方法。超聲波診斷的優(yōu)點是：對受檢者無痛苦、元損害、方法簡便、顯像清晰、診斷的準確率高等。在醫(yī)學臨床上應用的超聲診斷儀有許多類型，如A型、B型、M型、扇形和多普勒超聲型等。B型是其中一種，而且是臨床上應用最廣泛和簡便的一種

。基于超聲波反射原理的醫(yī)學診斷：當超聲波在人體組織中遇到兩層不同的介質界面時，在界面產生反射回聲。每遇到一個反射面時，回聲就會在示波器上顯示出來，這些部位就產生了病變。5.2.3超聲波傳感器超聲波傳感器的應用：醫(yī)學5.2.3超聲波傳感器超聲波傳感器的應用：醫(yī)學5.2.3超聲波傳感器超聲波傳感器的應用：工業(yè)材料的無損探傷測量材料厚度液位測試

半導體傳感器（SemiconductorTransducer）是利用半導體材料各種物理和化學特性制成的傳感器。半導體傳感器利用了近百種物理效應和材料特性，種類繁多。

半導體傳感器所采用的半導體材料多數是硅以及化合物，優(yōu)點是靈敏度高、響應速度快、體積小、重量輕，便于集成化、智能化，能使檢測與轉換一體化、應用廣。5.2.4半導體傳感器半導體傳感器的工作原理5.2.4半導體傳感器半導體傳感器分類工作原理具體分類物理敏感將物理量轉換成電信號光敏、熱敏、力敏、磁敏等化學敏感將化學量轉換成電信號，氧化還原反應、光化學反應、離子交換反應氣敏、濕敏、離子敏感生物敏感將生物量轉換成電信號，酶的生化反應、抗原體反應、氧化反應半導體傳感器的工作原理5.2.4半導體傳感器

半導體氣敏傳感器是利用氣體在半導體表面的氧化和還原反應導致敏感元件阻值變化而制成的。若氣體濃度發(fā)生變化，其阻值也將變化。根據這一特性，可以從阻值的變化得知吸附氣體的種類和濃度。

半導體氣敏傳感器可用于工廠和車間的各種有害氣體檢測、工業(yè)裝置的廢氣成分檢測和一般家庭的可燃性氣體泄露檢測。

半導體氣敏傳感器5.2.4半導體傳感器 按照半導體變化的物理特征，半導體氣敏傳感器可分為電阻型和非電阻型兩類。

電阻型半導體氣敏傳感器是利用敏感元件吸附氣體后電阻值隨著被測氣體的濃度改變來檢測氣體的濃度或成分的；

非電阻型半導體氣敏傳感器是利用敏感元件吸附氣體后二極管伏安特性和場效應管的閾值電壓變化來檢測被測氣體的。此類器件的制造工藝成熟，便于器件集成化，因而其性能穩(wěn)定且價格便宜。半導體氣敏傳感器5.2.4半導體傳感器半導體氣敏傳感器5.2.4半導體傳感器半導體氣敏傳感器5.2.4半導體傳感器 半導體溫度傳感器利用半導體器件的溫度敏感性來測量溫度，具有成本低廉，線性度好等優(yōu)點。半導體溫度傳感器5.2.4半導體傳感器

濕度是表示空氣中水蒸氣的含量的物理量，常用絕對濕度、相對濕度、露點等表示。利用水分子易于吸附在固體表面并滲透到固體內部的特性，可以制成濕度傳感器。濕度傳感器主要包括電阻式和電容式兩個類別。

電阻式濕度傳感器也稱為濕敏電阻，利用氯化鋰，碳，陶瓷等材料的電阻率的濕度敏感性來探測濕度?，F在比較成熟的濕敏電阻有氯化鋰濕敏電阻和半導體陶瓷濕敏電阻。

電容式濕度傳感器也稱為濕敏電容，利用材料的介電系數的濕度敏感性來探測濕度。半導體濕度傳感器5.2.4半導體傳感器

氯化鋰濕敏電阻是利用吸濕性鹽類潮解,離子導電率發(fā)生變化而制成的測濕元件。

半導體陶瓷濕敏電阻通常是用兩種以上的金屬氧化物半導體材料混合燒結而成的多孔陶瓷。有些材料的電阻率隨濕度增加而下降,故稱為負特性濕敏半導體陶瓷，有些材料的電阻率隨濕度增大而增大，故稱為正特性濕敏半導體陶瓷(為敘述方便，有時將半導體陶瓷簡稱為半導瓷)。半導體濕度傳感器5.2.4半導體傳感器半導體濕度傳感器5.2.4半導體傳感器DT-88204合1多功能環(huán)境測試儀

集聲速表，光度表，濕度表及溫度表為一體的儀表，可用于工業(yè)及民用。聲級范圍可用于測試工廠，學校，辦公室，機場及家庭的噪聲。檢測相應的高保真裝置。光度功能用于測試照明領域是否有充足的亮度，光的感應性能是否穩(wěn)定等。溫濕度功能是由一個濕度半導體傳感器和一個K型熱電偶完成的。半導體濕度傳感器

智能傳感器（IntelligentSensor，SmartSensor）是具有信息處理功能的傳感器。智能傳感器帶有微處理器，具有采集、處理和交換信息的能力，是對外界信息具有一定的檢測、自診斷、數據處理以及自適應能力的傳感器。

與傳統傳感器相比，智能傳感器可以通過軟件技術實現高精度的信息采集，具有一定的編程自動化能力，可實現多種多樣的功能。為監(jiān)控系統和操作員提供相關信息，以提高工作效率及減少維護成本。5.2.5智能傳感器5.2.5智能傳感器

智能傳感器是將傳感器的敏感元件、信號調理電路、微處理器MPU(MicroProcessorUnit)及數字信號接口電路集成在一塊芯片上構成。一個良好的‘智能傳感器’是由微處理器驅動的傳感器與儀表的套裝。5.2.5智能傳感器傳感器將被測信號轉換成電信號；信號調理電路將電信號濾波、放大、轉換；微處理器是智能傳感器的核心，

◆對智能傳感器的數據進行計算、存儲和處理；

◆通過反饋電路對傳感器進行調節(jié)；◆充分發(fā)揮各種軟件的功能，完成硬件難以完成的任務，大大降低了傳感器的制造難度和成本，提高了傳感器的性能。數字信號接口電路將傳感器數據以適用于記錄和顯示的形式輸出。 便于與記錄及顯示設備相連。傳統的傳感器構成的應用系統智能傳感器構成的應用系統5.2.5智能傳感器5.2.5智能傳感器腕式血壓計

．智慧型全自動加壓及減壓．可同時測量收縮壓、舒張壓及脈搏．儲存60組測量值記憶．可查閱單筆或全部測量值．3分種自動斷電省電裝置．智能偵錯裝置、自動偵測電力．大型數字液晶顯示屏幕．高準確度

網絡化智能傳感器是將通信技術、傳感器技術和計算機技術融合在一起，從而實現信息采集、信息傳輸和信息處理的統一與協同。

網絡化智能傳感器不僅將敏感元件、轉換電路和變送器結合為一體，實現了智能化，而且在內部嵌入了通信協議，利用TCP/IP協議，使現場測控數據就近接入網絡，并與網絡上有通信能力的節(jié)點直接進行通信，實現數據的實時發(fā)布與共享。具有強大的通信功能，實現了信息的網絡化傳輸。5.2.5智能傳感器1、網絡化智能傳感器5.2.5智能傳感器下圖顯示的是Honeywell公司開發(fā)的PPT系列智能壓力傳感器的外形以及內部結構。內含微處理器-數字補償、組態(tài)、控制、通訊。用于壓力測量和標定，在氣象儀器、氣壓計和雨量計、航空儀表、醫(yī)療設備、環(huán)境監(jiān)測、過程控制等領域應用廣泛。5.2.5智能傳感器2、智能壓力傳感器3、智能溫濕度傳感器溫濕度智能傳感器外形

5.2.5智能傳感器應用領域：數據采集器

變送器

自動化過程控制

汽車行業(yè)

樓宇控制&暖通空調

電力

計量測試

醫(yī)藥業(yè)插針式溫濕度傳感器

智能微塵（SmartDust）是指具有電腦功能的一種超微型傳感器。智能微塵是以無線方式傳遞信息的傳感器，具有低成本、低功率（手機功率的1/1000）等特征，尺寸可以小到1mm以下，執(zhí)行一條指令平均只需12pJ能耗。

5.2.5智能傳感器4、智能微塵5.2.5智能傳感器 每一粒微塵都是由傳感器、微處理器、通信系統和電源四大部分組成。主被動傳輸裝置及探測接收裝置共同構成通信系統；模擬I/O、DSP、控制模塊構成微處理器；電源電容、太陽能電池、薄膜電池都屬于電源部分；傳感器是相對獨立的模塊。 智能微塵主要基于微機電系統（MEMS）技術和集成電路技術，具有體積微小、功耗極低等特點。4、智能微塵5.2.5智能傳感器 正是因為智能微塵體積微小功耗極低，使其在組成監(jiān)測網絡時具有獨特的優(yōu)勢，如多角度多方位信息融合、低成本高冗余度、近距離接觸等。 智能微塵以自組織方式構成的無線網絡，是一種不需要基礎設施的自創(chuàng)造、自組織和自管理的網絡。它們能夠相互定位、收集數據并向觀察者傳遞信息，如果一個微塵功能失常，其他微塵會對其進行修復，并不會影響觀察數據的獲取。4、智能微塵5.2.5智能傳感器

智能微塵可以探測周圍諸多的環(huán)境參數，能夠收集大量數據，并進行適當的計算處理，利用雙向無線通信裝置將這些信息在相距1000英尺的微塵器件間往來傳送。

數量眾多的微塵部署到現場環(huán)境中后，形成一張無線傳感網。舉凡人體生命體征、能源用量、土壤溫度、交通地圖、生產效率等，都可以遠程跟蹤，實時處理并放入智能網絡。 智能微塵的應用范圍很廣，除了主要應用于軍事領域外，還可用于健康監(jiān)控，環(huán)境監(jiān)控，醫(yī)療等許多方面。4、智能微塵5.2.5智能傳感器4、智能微塵（1）軍事應用:

智能微塵系統也可以部署在戰(zhàn)場上，遠程傳感器芯片能夠跟蹤敵人的軍事行動，智能微塵可以被大量地裝在宣傳品，子彈或炮彈殼中，在目標地點撒落下去，形成嚴密的監(jiān)視網絡，敵國的軍事力量和人員、物資的運動自然一清二楚。 美國五角大樓希望在戰(zhàn)場上放置這種微小的無線傳感器，以秘密監(jiān)視敵軍的行蹤。美國國防部在四年以前就已經把它列為一個重點研發(fā)項目。如果像美國預想的那樣，智能微塵用在戰(zhàn)場上，美國的軍事實力又將與其他國家再度拉開距離。智能微塵還可以用于防止生化攻擊——智能微塵可以通過分析空氣中的化學成分來預告生化攻擊。此外，智能微塵還有許多具體的軍事應用。5.2.5智能傳感器4、智能微塵（2）遠程健康監(jiān)控:

通過這種無線裝置，可以定期檢測人體內的葡萄糖水平、脈搏或含氧飽和度，將信息反饋給本人或你的醫(yī)生，用它來監(jiān)控病人或老年人的生活。 將來老年人或病人生活的室內將會布滿各種智能微塵監(jiān)控器，如嵌在手鐲內的傳感器會實時發(fā)送老人或病人的血壓情況，地毯下的壓力傳感器將顯示老人的行動及體重變化，門框上的傳感器了解老人在各房間之間走動的情況，衣服里的傳感器送出體溫的變化，甚至于抽水馬桶里的傳感器可以及時分析排泄物并顯示出問題……這樣，老人或病人即使單獨一個人在家也是安全的。5.2.5智能傳感器4、智能微塵（3）醫(yī)療應用:

英特爾正在研究通過檢測壓力來預測初期潰瘍的“SmartSocks”，以及通過檢測傷口化膿情況來確定有效的含有抗生物質的“智能繃帶”。 如果一個胃不好的病人吞下一顆米粒大小的小金屬塊就可以在電腦中看到自己胃腸中病情發(fā)展的狀況，對任何一個胃不好的人來說無疑都是一個福音。智能微塵將來可以植入人體內，為糖尿病患者監(jiān)控血糖含量的變化。糖尿病人可能需要看著電腦屏幕上顯示的血糖指數才能決定合適自己的食物。5.2.5智能傳感器4、智能微塵（4）防災領域的應用:

智能微塵可能會用于發(fā)生森林火災時通過從直升機飛播溫度傳感器來了解火災情況。作為進一步的應用，將用于通過傳感器網絡調查北太平洋海洋板塊的美國華盛頓大學“海洋項目”及美國正在推進的行星網絡項目中。

5.2.5智能傳感器4、智能微塵（5）大面積，長距離無人監(jiān)控:

以中國西氣東輸及輸油管道的建設為例，由于這些管道在很多地方都要穿越大片荒無人煙的無人區(qū)。這些地方的管道監(jiān)控一直都是道難題，傳統的人力巡查幾乎是不可能的事，而現有的監(jiān)控產品，往往復雜且昂貴。智能微塵的成熟產品布置在管道上將可以實時地監(jiān)控管道的情況，一旦有破損或惡意破壞都能在控制中心實時了解到。如果智能微塵的技術成熟了，僅西氣東輸這樣的一個工程就可能帶來上億元的資金節(jié)省。5.2.5智能傳感器4、智能微塵（5）大面積，長距離無人監(jiān)控:

電力監(jiān)控方面同樣如此，據了解，由于電能一旦送出就無法保存，因此，電力管理部門一般都會層層要求下級部門每月上報地區(qū)用電要求，但地區(qū)用電量的隨時波動使這一數據根本無法準確，國內有些地方供電局就常常因數據誤差太大而遭上級部門的罰款。但一旦用智能微塵來監(jiān)控每個用電點的用電情況，這種問題就將迎刃而解。5.2.5智能傳感器4、智能微塵 總之，智能微塵技術潛在的應用價值非常之大，可監(jiān)測城市的交通流量便于交通管理，監(jiān)測各種家電的用電情況以避開高峰期，感應工業(yè)設備的非正常振動來確定制造工藝缺陷，監(jiān)控動物的種群遷徙、監(jiān)控超市的商品消耗量等等。而且，微塵器件的價格將大幅下降，已在50到100美元之間，預計5年之內將降到1美元左右，這預示著智能微塵具有廣闊的市場前景。5.2.5智能傳感器4、智能微塵

如何選擇傳感器，是進行某個量的測量時首先要解決的問題。當傳感器確定之后，與之配套的測量方法和測量設備也就確定了。測量的成敗，在很大程度上取決于傳感器的選用是否合理。5.2.6傳感器選擇的一般原則確定傳感器的類型靈敏度的選擇線性范圍的選擇穩(wěn)定性的選擇精度的選擇5.2.6傳感器選擇的一般原則確定傳感器的類型靈敏度的選擇線性范圍的選擇穩(wěn)定性的選擇精度的選擇5.2.6傳感器選擇的一般原則即使是同一物理量，也有多種原理的傳感器可選，要根據被測量的特點、使用環(huán)境和傳感器的使用條件等選擇，傳統/智能；體積要求；價格；是否接觸式線性范圍：輸入輸出成正比的范圍線性范圍越寬，量程越大，越能保證測量精度沒有絕對線性的傳感器，在滿足精度的前提下，可以將非線性誤差較小的傳感器近似看成線性的。傳感器的精度，關系到整個測量系統的測量準確性，精度越高，價格越貴，精度滿足要求即可。確定傳感器的類型靈敏度的選擇線性范圍的選擇穩(wěn)定性的選擇精度的選擇5.2.6傳感器選擇的一般原則在傳感器的線性范圍內，靈敏度越高越好，但靈敏度越高，干擾噪聲也越容易被混入放大影響測量精度，所以一般要求較高的信噪比。穩(wěn)定性：傳感器使用一段時間后，其性能保持不變的能力傳感器本身的結構及使用環(huán)境都會影響其穩(wěn)定性，對于要求長時間使用不易更換的場合，一定要選擇穩(wěn)定性好的傳感器，經得住長時間的考驗。5.3無線傳感器網絡

5.3.1無線傳感器網絡的組成5.3.2無線傳感器網絡的特點5.3.3無線傳感器網絡核心技術5.3.4無線傳感器網絡協議5.3.5無線傳感器網絡的應用Adhoc網絡（自組織網絡）5.3.2無線傳感器網絡的特點

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Hoc網絡是一種多跳的臨時性自治系統，是移動通信技術和計算機網絡技術相結合的網絡。沒有有線基礎設施的支持，網絡中的節(jié)點均由移動主機構成。每個節(jié)點地位平等，無需設置任何中心控制節(jié)點。每個主機的通信范圍有限，因此數據通過多個主機的轉發(fā)才能到達目的地（多跳）。主機同時還是路由器，擔負著尋找路由和轉發(fā)報文的工作。 WSN就是由大量廉價微型的傳感器節(jié)點，通過無線通信方式形成的一個特殊的Adhoc網絡。Adhoc網絡（自組織網絡）5.3.2無線傳感器網絡的特點

在Ad

Hoc網絡中，當兩個移動主機在彼此的通信覆蓋范圍內時，它們可以直接通信。但是由于移動主機的通信覆蓋范圍有限，如果兩個相距較遠的主機要進行通信，則需要通過它們之間的移動主機B的轉發(fā)才能實現。因此在Ad

Hoc網絡中，主機同時還是路由器，擔負著尋找路由和轉發(fā)報文的工作。在Ad

Hoc網絡中，每個主機的通信范圍有限，因此路由一般都由多跳組成，數據通過多個主機的轉發(fā)才能到達目的地。故Ad

Hoc網絡也被稱為多跳無線網絡。

無線傳感器網絡（WirelessSensorNetwork，WSN）簡稱無線傳感網，由部署在監(jiān)測區(qū)域內的大量的體積微小傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式實現信息感知和短距離傳輸任務，形成一個多跳的自組織網絡。

WSN是物聯網的基本組成部分，可以將客觀物理世界與信息世界融合在一起，能夠改變人與自然界的交互方式，極大地擴展現有網絡的功能和人類認識世界的能力。5.3.1無線傳感器網絡的組成 WSN通常包括傳感器節(jié)點（SensorNode）、匯聚節(jié)點（SinkNode）和管理節(jié)點。大量傳感器節(jié)點隨機部署在檢測區(qū)域（SensorField）內部或者附近，通過自組織的方式構成網絡。節(jié)點中內置的形式多樣的傳感器，可以協作地實時監(jiān)測和采集網絡分布區(qū)域內各種檢測對象的信息，如所在周邊環(huán)境中的熱、紅外、聲納、雷達和地震波等信號信息，并將這些信息發(fā)布到網關節(jié)點，以實現指定范圍內目標的檢測與跟蹤。傳感器節(jié)點：是一種微型嵌入式設備，由“傳感器模塊+處理器模塊+無線通信模塊+電源模塊+其它外圍電路”組成。

5.3.1無線傳感器網絡的組成

傳感器節(jié)點：是一種微型嵌入式設備，由“傳感器模塊+處理器模塊+無線通信模塊+電源模塊+其它外圍電路”組成。

傳感器模塊：包括各種傳感器和A/D轉換器，用于監(jiān)控區(qū)域內的眾多環(huán)境數據的采集和轉換，執(zhí)行控制器發(fā)來的各種命令。

處理器模塊：是節(jié)點的核心，用于完成數據處理、數據存儲、執(zhí)行通信協議和節(jié)點調度管理等工作。

無線通信模塊：負責和其它節(jié)點進行數據交換，包括數據的無線發(fā)送、接收和傳輸等。

電源模塊：是所有電子系統的基礎，電源模塊的設計直接關系到節(jié)點的壽命，一般采用微型電池。

網關：網關相當于一個網絡協調員，負責管理節(jié)點認證和消息緩沖，是有線和無線通信的橋梁，同時將接收到的數據進行融合、壓縮及異構互聯。監(jiān)控中心：負責數據處理和信息發(fā)布。

傳感器節(jié)點檢測到的數據沿著其他節(jié)點逐跳地進行傳輸，在傳輸過程中檢測數據可能被多個節(jié)點處理，經過多跳路由后到達匯聚節(jié)點，最后通過互聯網或衛(wèi)星到達管理節(jié)點。5.3.1無線傳感器網絡的組成用戶通過管理節(jié)點對傳感器網絡進行配置和管理，發(fā)布監(jiān)測任務以及收集監(jiān)測數據。5.3.1無線傳感器網絡的組成

作用：合理的節(jié)點部署方案，可以提高網絡工作效率、優(yōu)化利用網絡資源，同時可根據需求的變化改變活躍節(jié)點數量，動態(tài)調整網絡節(jié)點密度。此外，在某些節(jié)點發(fā)生故障或能量耗盡失效時，可進行網絡重組，保證網絡性能不受大的影響。 WSN節(jié)點部署就是在指定的監(jiān)測區(qū)域內，通過適當的方法布置傳感器節(jié)點，以滿足某種特定需求。 一般通過一定的算法來實現。常用的算法有：移動節(jié)點部署算法、靜止節(jié)點部署算法、異構/混合節(jié)點部署算法等。WSN節(jié)點部署：（1）動態(tài)性網絡（2）大規(guī)模網絡（3）以數據為中心（4）廣播式通信（5）能量受限（6）硬件資源有限（7）無人值守（8）易受物理環(huán)境影響5.3.2無線傳感器網絡的特點（1）動態(tài)性網絡 無線傳感網是一個動態(tài)的網絡，節(jié)點可以隨處移動；一個節(jié)點可能會因為電池能量耗盡或其他故障，退出網絡運行；一個節(jié)點也可能由于工作的需要而被添加到網絡中。無線傳感器網絡的拓撲結構可能發(fā)生動態(tài)變化，無線傳感網能夠適應這種變化，使網絡具有可調性和重構性。

5.3.2無線傳感器網絡的特點（2）大規(guī)模網絡

為了獲取精確信息，在監(jiān)測區(qū)域通常部署大量傳感器節(jié)點，傳感器節(jié)點數量可能達到成千上萬，甚至更多。通過不同空間視角獲得的信息具有更大的信噪比；通過分布式處理大量采集的信息能夠提高監(jiān)測的精確度，降低對單個節(jié)點傳感器的精度要求；大量冗余節(jié)點的存在，使得系統具有很強的容錯性能；大量節(jié)點能夠增大覆蓋的監(jiān)測區(qū)域，減少洞穴或者盲區(qū)。 因此無線傳感器網絡主要不是依靠單個設備能力的提升，而是通過大規(guī)模、冗余的嵌入式設備的協同工作來提高系統的可靠性和工作質量。5.3.2無線傳感器網絡的特點（3）以數據為中心

在WSN中，人們只關心某個區(qū)域某個觀測指標的數據，而不會去關心具體某個節(jié)點的觀測值，以數據為中心的特點要求傳感器網絡能夠脫離傳統網絡的尋址過程，快速有效的組織起各個節(jié)點的信息并融合提取出有用信息直接傳送給用戶。5.3.2無線傳感器網絡的特點（4）廣播式通信 在WSN中，節(jié)點數目龐大，采用廣播方式，可以加快傳播的范圍和速度，節(jié)省電力。5.3.2無線傳感器網絡的特點（5）能量受限 在WSN中，網絡節(jié)點一般采用電池供電，所以電池能量用完，這個節(jié)點則死亡失效，所以節(jié)能省電是WSN研究的一個重要課題。（可以充電，利用太陽能自主獲取能源等）（6）硬件資源有限 受到價格、體積、功耗等限制，傳感器節(jié)點是一種微型嵌入式設備，因此其攜帶的處理器能力比較弱，存儲器容量比較小。5.3.2無線傳感器網絡的特點（7）無人值守、易受物理環(huán)境影響 首先，WSN特別適合部署在惡劣環(huán)境或人類不宜到達的區(qū)域；其次，在WSN中網絡節(jié)點規(guī)模巨大，不可能人工監(jiān)管每個節(jié)點，WSN往往是在無人值守的狀態(tài)下工作，切易受到物理環(huán)境的影響。 這就要求傳感器節(jié)點非常堅固，可靠性高，不易損壞，以適應各種復雜環(huán)境。WSN的軟硬件必須具有較強的魯棒性和較高的容錯性。

在確定采用WSN技術進行應用系統的設計后，首先面臨的問題是采用哪種組網模式。WSN可以采用下面的組網模式。（1）扁平組網模式：所有節(jié)點角色相同，相互協作完成數據的交流和匯聚（2）基于分簇的層次型組網模式：分為普通傳感節(jié)點和簇頭節(jié)點，傳感節(jié)點將數據先發(fā)送到簇頭節(jié)點，再由簇頭節(jié)點匯聚到后臺，簇頭節(jié)點需要完成更多的工作，消耗更多的能量，要按需更換簇頭，避免簇頭節(jié)點因能量消耗過渡而死亡。（3）網狀網模式：在傳感器節(jié)點形成的網絡上增加一層固定的無線網絡，用來收集節(jié)點數據，實現節(jié)點之間的信息通信，以及網內的數據融合。（4）移動匯聚模式：使用移動終端收集目標區(qū)域的傳感數據，并轉發(fā)到后端服務器。5.3.3無線傳感器網絡核心技術1、組網模式

組網模式決定了網絡的總體拓撲結構，但為了實現WSN的低能耗運行，還需要對節(jié)點連接關系的時變規(guī)律進行細粒度控制。拓撲控制的目的是在實現網絡連通的同時保證信息的能量高效、可靠地傳輸。

目前主要的拓撲控制技術分為時間控制、空間控制和邏輯控制3種。5.3.3無線傳感器網絡核心技術2、拓撲結構時間控制：控制每個節(jié)點睡眠工作的占空比，控制調度各節(jié)點睡眠的起始時間，讓節(jié)點交替工作?？臻g控制：通過控制節(jié)點的發(fā)送功率，改變節(jié)點的連通區(qū)域，使 網絡呈現不同的連通狀態(tài)，從而控制能耗、提高網絡容量。邏輯控制：通過鄰居表，將不理想的節(jié)點排除在外，從而形成更穩(wěn)固、可靠和強健的網絡拓撲結構。5.3.3無線傳感器網絡核心技術2、拓撲結構

媒體訪問控制和鏈路控制可以解決無線網絡中普遍存在的沖突和丟失問題，能夠根據網絡中數據流的狀態(tài)控制臨近節(jié)點、乃至網絡中所有節(jié)點的信道訪問方式和順序，從而達到高效利用網絡容量、減低能耗的目的。 WSN中的數據流向與Internet相反。在Internet中，終端設備主要從網絡上獲取信息；而在WSN中，終端設備是向網絡提供信息。因此，WSN網絡層協議的設計有自己的獨特要求。由于WSN對能量效率有苛刻的要求，研究人員通常利用媒體訪問控制的跨層服務來選擇轉發(fā)節(jié)點和數據流向。5.3.3無線傳感器網絡核心技術3、媒體訪問控制和鏈路控制無線傳感器網絡的協議棧WSN的通信協議棧包括物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層和應用層，如右圖所示，與互聯網協議棧的五層協議相對應。另外，協議棧還包括能量管理平臺、移動管理平臺和任務管理平臺。這些管理平臺使得傳感器節(jié)點能夠按照能源高效的方式協同工作，在節(jié)點移動的傳感器網絡中轉發(fā)數據，并支持多任務和資源共享。5.3.4無線傳感器網絡協議 WSN的數據鏈路層和網絡層都有反映自身特點的協議。在WSN中，數據鏈路層用于構建底層的基礎網絡結構，控制無線信道的合理使用，確保點到點或點到多點的可靠連接；網絡層則負責路由的查找和數據包的傳送。5.3.4無線傳感器網絡協議1、物理層協議在WSN中，物理層是數據傳輸的最底層，向下直接與傳輸介質相連，物理層協議是各種網絡設備進行互聯時必須遵循的底層協議。物理層具有如下功能：為終端設備傳送數據提供物理通道；承載數據傳輸，提供數據傳輸服務；具有一定的管理能力，進行信道狀態(tài)評估、能量檢測、收發(fā)管理以及物理層屬性管理。5.3.4無線傳感器網絡協議物理層具有如下功能：為終端設備傳送數據提供物理通道，數據通路可以是一種物理介質，也可以是多種物理介質連接而成；WSN可以通過各種介質進行通信，常見的通信介質主要包括電磁波和聲波。電磁波是最主要的無線通信介質，而聲波一般僅用于水下無線通信。根據電磁波的波長，又可以分為無線電波、微波、紅外線以及光波（光通信）等。物理層主要用來承載數據傳輸，提供數據傳輸服務，物理層應該能保證數據傳輸的正確性，還必須提供足夠的帶寬，減小信道擁塞；物理層必須有一定的管理能力，進行信道狀態(tài)評估、能量檢測、收發(fā)管理以及物理層屬性管理。5.3.4無線傳感器網絡協議

MAC：MediumAccessControl，媒體訪問控制，主要解決對于一個共享信道，當信道的使用發(fā)生競爭沖突時，如何采用有效的協調機制或服務準則來分配信道的使用權的問題。

MAC協議處于數據鏈路層，是無線傳感器網絡協議的底層部分，主要用于節(jié)點間鏈路的建立，為數據的傳輸建立連接，保證所有的節(jié)點可以公平、合理、有效地利用有限的帶寬和共享通信資源。另外，網絡的節(jié)能也由MAC層實現。 MAC協議對無線傳感器網絡的性能有較大的影響，是保證網絡高效通信的關鍵協議之一。

5.3.4無線傳感器網絡協議2、MAC協議（1）MAC協議的設計原則 WSN與現有的無線網絡技術（AdHoc，移動電話通信網絡、藍牙技術等）有很大的區(qū)別，如下表所示，導致已有網絡中的許多技術并不能直接應用到WSN中。5.3.4無線傳感器網絡協議2、MAC協議5.3.4無線傳感器網絡協議2、MAC協議WSN無線AdHoe網絡節(jié)點監(jiān)測周圍環(huán)境事件，檢測區(qū)域的事件可以激活WSN無感知行為，網絡通信由用戶應用管理節(jié)點尺寸微小節(jié)點較大（如PDA、LAPTOPS等）節(jié)點電能有限有固定的電能供給節(jié)點成本低節(jié)點成本較高

節(jié)點部署一次成形，節(jié)點維護與失效處理困難節(jié)點維護相對方便，節(jié)點供電可以更換電池節(jié)點壽命與節(jié)點附帶的電池有關節(jié)點電池可以更換節(jié)點密度高，冗余度大低密度、低冗余短距離通信（3～30m）長距離傳輸（10～500m）節(jié)點處理能力和存儲能力有限節(jié)點處理能力、存儲能力較強節(jié)點周期性處于工作、休眠狀態(tài)節(jié)點大部分時間監(jiān)聽無線信道以數據為中心的通信方式；數據包目的根據采集的數據屬性而定

用戶間根據需求進行通信非連續(xù)通信，只在檢測到數據時才進行通信大部分持續(xù)通信，如多媒體數據流低帶寬（1～250Kbps）

高帶寬（如IEEE802．1lx達到1～54Mbps）網絡操作面向任務

網絡運行面向應用（1）MAC協議的設計原則

在WSN的設計中主要根據7個標準進行MAC層協議設計：高性能、高可擴展性、高自適應性、簡單、節(jié)能、對上層協議的良好支持和安全性。 其中節(jié)能是最主要的設計原則。每個傳感器節(jié)點由電池供電，受環(huán)境和其他條件的限制，節(jié)點的電池能量通常難以進行補充。MAC協議直接控制節(jié)點的節(jié)能問題，即讓傳感器節(jié)點盡可能處于休眠狀態(tài)，以減少能耗。 可擴展性(Scalability)WSN中的節(jié)點在數目和分布密度、位置方面很容易發(fā)生變化，或者由于節(jié)點能量耗盡，新節(jié)點的加入引起的網絡拓撲結構的變化。設計MAC協議時也應具有可擴展性，以適應拓撲結構的動態(tài)性：。5.3.4無線傳感器網絡協議2、MAC協議（2）MAC協議的分類

目前研究者已經提出了很多MAC層設計的建議方案和MAC協議，但還沒有統一的分類方式。根據節(jié)點訪問信道的方式，可以將WSN的MAC協議分為以下3類：

★基于競爭的MAC協議

★基于調度算法的MAC協議

★非碰撞的MAC協議5.3.4無線傳感器網絡協議2、MAC協議（2）MAC協議的分類

★基于競爭的MAC協議

“競爭”的含義是連接到信道上的節(jié)點遵循某種規(guī)則競爭信道，得到使用權的節(jié)點可以進行通信?；诟偁幍腗AC層協議還有CSMA/CA、S-MAC、T-MAC、WiseMAC和B-MAC等。

CSMA/CA（帶沖突避免的載波偵聽多路訪問方式）是典型的基于競爭的MAC協議。傳輸之前，先偵聽介質中是否有使用同一信道的載波存在，若不存在說明信道空閑，將直接進入數據傳輸狀態(tài)；若系統檢測到存在載波，則在隨機退避一段時間后重新檢測信道，退避的時間長短由具體的協議指定。5.3.4無線傳感器網絡協議2、MAC協議（2）MAC協議的分類

★基于調度算法的MAC協議 為了解決競爭的MAC協議帶來的沖突，研究人員提出了基于調度算法的MAC協議。在傳感器節(jié)點發(fā)送數據之前，根據某種調度算法把信道進行劃分，這樣多個傳感器節(jié)點就可以通過使用不同的信道無沖突地同時發(fā)送數據了。比如TDMA算法。

5.3.4無線傳感器網絡協議2、MAC協議（2）MAC協議的分類

★非碰撞的MAC協議

非碰撞的MAC協議在理論上能完全避免碰撞沖突從而可以保證實時性。流量自適應介質訪問(TRAMA)協議就是一個高能效的，非碰撞無沖突的MAC協議。 TRAMA協議是將時間分成連續(xù)時隙，用基于各節(jié)點流量信息的分布式選舉算法來決定哪個節(jié)點可以在某個特定的時隙傳輸，以此來達到一定的吞吐量和公平性。

同時，通過避免把時隙分配給無流量的節(jié)點，并讓非發(fā)送和接收節(jié)點處于睡眠狀態(tài)達到節(jié)省能量的目的。但是TRAMA