第1章-物聯(lián)網(wǎng)與傳感器概述

物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用

本課程在物聯(lián)網(wǎng)的框架下闡述傳感器技術(shù)。本課程的目標(biāo)有3個(gè)，一是介紹物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)架構(gòu)，給出物聯(lián)網(wǎng)與傳感器之間的關(guān)系，表明傳感器在物聯(lián)網(wǎng)中所處的地位和作用；二是講解各類傳感器的工作原理、結(jié)構(gòu)組成、特性分析、測(cè)量方法和應(yīng)用實(shí)例，這部分是本課程的重點(diǎn)，這些內(nèi)容強(qiáng)調(diào)了從傳統(tǒng)傳感器到現(xiàn)代傳感器知識(shí)體系的完整性；三是給出傳感器數(shù)字化、微型化、集成化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展方向，使同學(xué)們認(rèn)識(shí)到微機(jī)電系統(tǒng)、智能傳感器、多傳感器信息融合、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等正逐步將傳感器帶入物聯(lián)網(wǎng)的時(shí)代，物聯(lián)網(wǎng)傳感器將對(duì)信息技術(shù)產(chǎn)生重大影響。點(diǎn)擊此處結(jié)束放映2021/6/271物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用本書內(nèi)容組織方式

第1章為物聯(lián)網(wǎng)與傳感器概述，分別介紹了物聯(lián)網(wǎng)的概念、傳感器的概念、傳感器的發(fā)展趨勢(shì)、物聯(lián)網(wǎng)中的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。第2章介紹了傳感器的一般特性，包括傳感器的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性。

第3～10章講解了電阻式、電容式、電感式、熱電式、壓電式、磁電式、光電式（包括光電效應(yīng)、紅外、CCD、光纖）、化學(xué)（包括離子敏、氣敏、濕敏）和生物傳感器的轉(zhuǎn)換原理、結(jié)構(gòu)組成、特性分析、測(cè)量方法和應(yīng)用。

第11～12章介紹了傳感器的數(shù)字化、集成化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化，涵蓋了數(shù)字式傳感器、微機(jī)電系統(tǒng)、智能傳感器、多傳感器信息融合、現(xiàn)場(chǎng)總線、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)等內(nèi)容。點(diǎn)擊此處結(jié)束放映2021/6/272物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用第1章

物聯(lián)網(wǎng)與傳感器概述點(diǎn)擊此處結(jié)束放映2021/6/273

物聯(lián)網(wǎng)與傳感器的概念1.1傳感器的組成和分類1.2傳感器的技術(shù)特點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)1.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)1.4物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用點(diǎn)擊此處結(jié)束放映2021/6/274

物聯(lián)網(wǎng)與傳感器的概念1.1物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用點(diǎn)擊此處結(jié)束放映2021/6/275物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用1.1.1物聯(lián)網(wǎng)的概念

物聯(lián)網(wǎng)是在互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，將用戶端延伸和擴(kuò)展到任何物體，進(jìn)行信息交換和通信的一種網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)的英文名稱為TheInternetofThings，由該名稱可見，物聯(lián)網(wǎng)就是“物與物相連的互聯(lián)網(wǎng)”。

點(diǎn)擊此處結(jié)束放映2021/6/276物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)需要對(duì)物體具有全面感知的能力，對(duì)信息具有互通互聯(lián)的能力，并對(duì)系統(tǒng)具有智慧運(yùn)行的能力，從而形成一個(gè)連接人與物體的信息網(wǎng)絡(luò)。傳感器是物聯(lián)網(wǎng)的感覺器官，可以感知、探測(cè)、采集和獲取目標(biāo)對(duì)象各種形態(tài)的信息，是物聯(lián)網(wǎng)全面感知的主要部件，是信息技術(shù)的源頭，也是現(xiàn)代信息社會(huì)賴以存在和發(fā)展的技術(shù)基礎(chǔ)。點(diǎn)擊此處結(jié)束放映2021/6/277物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用1.1.2傳感器的概念傳感器技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)并列為信息技術(shù)的三大支柱，它們構(gòu)成了信息系統(tǒng)的“感官”、“神經(jīng)”和“大腦”，分別用于完成信息的采集、傳輸和處理。點(diǎn)擊此處結(jié)束放映2021/6/278物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用通常將能把被測(cè)物理量、化學(xué)量或生物量轉(zhuǎn)換為與之有對(duì)應(yīng)關(guān)系的電量輸出的裝置稱為傳感器。傳感器是一種檢測(cè)裝置，能夠感受到被測(cè)量的信息，并能將檢測(cè)到的信息變換成其它形式的信號(hào)（一般為電信號(hào)），是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)的首要環(huán)節(jié)。點(diǎn)擊此處結(jié)束放映2021/6/279物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T7665-2005對(duì)傳感器的定義是：能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。（1）傳感器的作用：體現(xiàn)在測(cè)量上。獲取被測(cè)量，是應(yīng)用傳感器的目的。（2）傳感器的工作機(jī)理：體現(xiàn)在敏感元件上。敏感元件能感受或響應(yīng)被測(cè)量，是傳感器技術(shù)的核心。（3）傳感器的輸出信號(hào)形式：體現(xiàn)在電信號(hào)上。輸出信號(hào)需要解決非電量向電信號(hào)轉(zhuǎn)換，微弱電信號(hào)向可用電信號(hào)轉(zhuǎn)換的問題。點(diǎn)擊此處結(jié)束放映2021/6/2710物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用1.1.3傳感器是物聯(lián)網(wǎng)全面感知的基石人們?yōu)榱藦耐饨绔@取信息，必須借助于感覺器官。而單靠人自身的感覺器官研究自然現(xiàn)象和生產(chǎn)規(guī)律，顯然是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。傳感器是人類感覺器官的延長(zhǎng)，因此傳感器又稱為電五官。

傳感器是整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)中需求量最大和最為基礎(chǔ)的環(huán)節(jié)之一。傳感器不僅可以單獨(dú)使用，還可以由大量傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和通信單元的微小節(jié)點(diǎn)構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。在物聯(lián)網(wǎng)全面感知方面，傳感器是最主要的部件。點(diǎn)擊此處結(jié)束放映2021/6/2711物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用

傳感器的組成和分類1.2點(diǎn)擊此處結(jié)束放映2021/6/2712物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用1.2.1傳感器的組成

傳感器通常由敏感元件（SensingElement）和轉(zhuǎn)換元件（TransductionElement）組成，敏感元件指?jìng)鞲衅髦心苤苯痈惺芑蝽憫?yīng)被測(cè)量（一般為非電量）的部分；轉(zhuǎn)換元件指?jìng)鞲衅髦心軐⒚舾性惺芑蝽憫?yīng)的被測(cè)量轉(zhuǎn)換成有用輸出信號(hào)（一般為電信號(hào)）的部分。

傳感器轉(zhuǎn)換元件輸出的信號(hào)（一般為電信號(hào)）都很微弱，傳感器一般還需配以測(cè)量電路，有時(shí)還需要加輔助電源。點(diǎn)擊此處結(jié)束放映2021/6/2713物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用圖1.1為傳感器的組成框圖，包括敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、測(cè)量電路和輔助電源。點(diǎn)擊此處結(jié)束放映敏感元件轉(zhuǎn)換元件測(cè)量電路被測(cè)量電信號(hào)輔助電源2021/6/2714物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用點(diǎn)擊此處結(jié)束放映電量轉(zhuǎn)換元件測(cè)量電路它是直接感受被測(cè)量，并輸出與被測(cè)量構(gòu)成有確定關(guān)系、更易于轉(zhuǎn)換的某一物理量的元件。

將敏感元件感受或響應(yīng)的被測(cè)量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測(cè)量的電信號(hào)把轉(zhuǎn)換元件輸出的電信號(hào)變換為便于處理、顯示、記錄、控制和傳輸?shù)目捎秒娦盘?hào)敏感元件轉(zhuǎn)換元件電源被測(cè)量敏感元件2021/6/2715物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用1.2.2傳感器的分類

傳感器的品種豐富、原理各異，檢測(cè)對(duì)象幾乎涉及各種參數(shù)，通常一種傳感器可以檢測(cè)多種參數(shù)，一種參數(shù)又可以用多種傳感器測(cè)量。傳感器的分類方法非常多，下面是幾種常見的傳感器分類方法。點(diǎn)擊此處結(jié)束放映2021/6/2716物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用1.按工作原理分類表1.2傳感器按工作原理分類

點(diǎn)擊此處結(jié)束放映2021/6/2717物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用2.按被測(cè)量分類表1.3傳感器按被測(cè)量分類

點(diǎn)擊此處結(jié)束放映2021/6/2718物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用3.按敏感材料分類這種分類方法按制造傳感器的材料進(jìn)行分類，可分為半導(dǎo)體傳感器、陶瓷傳感器、光導(dǎo)纖維傳感器和金屬傳感器等。4.按能量關(guān)系分類這種分類方法可分為有源傳感器和無源傳感器2大類。5.按應(yīng)用范圍分類這種分類方法按應(yīng)用范圍分類，可分為工業(yè)用、民用、醫(yī)用和軍用等。點(diǎn)擊此處結(jié)束放映2021/6/2719物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用傳感器的技術(shù)特點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)1.3點(diǎn)擊此處結(jié)束放映2021/6/2720物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用傳感器在國(guó)外的發(fā)展已有近200年的歷史。到了20世紀(jì)80年代，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，國(guó)際上出現(xiàn)了“信息處理能力過剩、信息獲取能力不足”的問題，為了解決這一問題，世界各國(guó)在同一時(shí)期掀起了一股傳感器熱潮，美國(guó)也將80年代視為傳感器技術(shù)的年代。近20年來，傳感器的發(fā)展非常迅速，目前全球傳感器的種類已超過2萬種。點(diǎn)擊此處結(jié)束放映2021/6/2721物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用1.3.1傳感器的技術(shù)特點(diǎn)1.內(nèi)容離散，涉及多個(gè)學(xué)科傳感器的內(nèi)容離散，涉及到物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)等多個(gè)學(xué)科。2.種類繁多，彼此相互獨(dú)立傳感器的種類繁多，被測(cè)參數(shù)彼此之間相互獨(dú)立。被測(cè)參數(shù)包括熱工量、電工量、機(jī)械量、化學(xué)量、生物量、狀態(tài)量等。這需要開發(fā)多種多樣的敏感元件和傳感器。點(diǎn)擊此處結(jié)束放映2021/6/2722物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用3.知識(shí)密集，學(xué)科邊緣性強(qiáng)傳感器技術(shù)綜合了物理學(xué)、化學(xué)、生物工程、微電子學(xué)、材料科學(xué)、微細(xì)加工等方面的知識(shí)，具有突出的知識(shí)密集性。各學(xué)科一旦有新的發(fā)現(xiàn)，就迅速用于傳感器，具有學(xué)科邊緣性。4.技術(shù)復(fù)雜，工藝要求高

傳感器的制造涉及了許多高新技術(shù)，技術(shù)復(fù)雜。傳感器的制造工藝難度大、要求高。點(diǎn)擊此處結(jié)束放映2021/6/2723物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用5.性能穩(wěn)定，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)

要求具有高的可靠性、穩(wěn)定性、重復(fù)性等。做到準(zhǔn)確可靠，經(jīng)久耐用，性能穩(wěn)定。6.應(yīng)用廣泛，應(yīng)用要求千差萬別阿波羅10運(yùn)載火箭部分使用了2077個(gè)傳感器，宇宙飛船部分使用了1218個(gè)傳感器；汽車上有100多個(gè)傳感器。點(diǎn)擊此處結(jié)束放映2021/6/2724物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用7.生命力強(qiáng)，不會(huì)輕易退出歷史舞臺(tái)

例如，應(yīng)變式傳感器已有70多年的歷史，目前仍然在重量測(cè)量、壓力測(cè)量、微位移測(cè)量等領(lǐng)域占有重要地位。8.品種多樣，一種被測(cè)量可采用多種傳感器

例如，線位移傳感器的品種有近20種之多。點(diǎn)擊此處結(jié)束放映2021/6/2725物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用點(diǎn)擊此處結(jié)束放映2021/6/2726物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用點(diǎn)擊此處結(jié)束放映2021/6/2727物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用1.3.2傳感器新原理、新材料、新工藝的發(fā)展趨勢(shì)1.發(fā)現(xiàn)新原理例如，超導(dǎo)材料的約瑟夫遜效應(yīng)發(fā)現(xiàn)不久，以該效應(yīng)為原理的超導(dǎo)量子干涉儀（SQUID）傳感器就問世了（測(cè)微弱磁信號(hào)）。2.開發(fā)新材料例如，功能陶瓷、光導(dǎo)纖維、高分子聚合物材料等。3.采用新工藝?yán)?，微?xì)加工是傳感器采用的新工藝。點(diǎn)擊此處結(jié)束放映2021/6/2728物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用1.3.3傳感器微型化、多功能、集成化的發(fā)展趨勢(shì)1.傳感器微型化例如，敏感元件的尺寸為微米級(jí)。2.傳感器多功能例如，將檢測(cè)Na、K、H的敏感元件集成在2.5×0.5mm芯片上，用導(dǎo)管送到心臟內(nèi)，可檢測(cè)血液中鈉、鉀、氫離子的濃度。3.傳感器集成化例如，傳感器與集成電路（IC）的集成制造技術(shù)。點(diǎn)擊此處結(jié)束放映2021/6/2729物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用1.3.4傳感器智能化、多融合、網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展趨勢(shì)1.傳感器智能化智能傳感器就是將傳感器獲取信息的基本功能，與微處理器信息分析和處理的功能緊密結(jié)合在一起，對(duì)傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并對(duì)它的內(nèi)部進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其采集的數(shù)據(jù)最佳。例如，智能化的硅微傳感器。點(diǎn)擊此處結(jié)束放映2021/6/2730物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用2.多傳感器融合多傳感器融合是指多個(gè)傳感器集成與融合技術(shù)。單個(gè)傳感器不可避免地存在不確定性或偶然不確定性，缺乏全面性，缺乏魯棒性，偶然故障就會(huì)導(dǎo)致傳感器系統(tǒng)失靈。多個(gè)傳感器融合正是解決這些問題的良方。例如，多個(gè)傳感器集成與融合最早用于美國(guó)的軍事領(lǐng)域。點(diǎn)擊此處結(jié)束放映2021/6/2731物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用3.傳感器網(wǎng)絡(luò)化傳感器網(wǎng)絡(luò)化是由傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)相結(jié)合而發(fā)展起來的，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都集成了傳感、處理和通信的功能。例如，智能微塵（SmartDust）。點(diǎn)擊此處結(jié)束放映2021/6/2732物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)1.4點(diǎn)擊此處結(jié)束放映2021/6/2733物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用1.4.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）是由大量的、靜止或移動(dòng)的傳感器節(jié)點(diǎn)，以自組織和多跳的方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)，目的是以協(xié)作的方式感知、采集、處理和傳輸在網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)被感知對(duì)象的信息，并把這些信息發(fā)送給用戶。

點(diǎn)擊此處結(jié)束放映2021/6/2734物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的任務(wù)是利用傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)周圍的環(huán)境，收集相關(guān)數(shù)據(jù)，然后通過無線收發(fā)裝置采用多跳的方式將數(shù)據(jù)發(fā)送到匯聚節(jié)點(diǎn)，再通過匯聚節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)傳送到用戶端，從而達(dá)到對(duì)目標(biāo)區(qū)域的監(jiān)測(cè)。點(diǎn)擊此處結(jié)束放映2021/6/2735物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用1.4.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)1.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常包括傳感器節(jié)點(diǎn)（SensorNode）、匯聚節(jié)點(diǎn)（SinkNode）和管理節(jié)點(diǎn)，并通過互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星將匯聚節(jié)點(diǎn)和管理節(jié)點(diǎn)相連。

點(diǎn)擊此處結(jié)束放映2021/6/2736物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用圖1.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)

點(diǎn)擊此處結(jié)束放映2021/6/2737物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用2.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)

（1）自組織、無中心網(wǎng)絡(luò)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)沒有控制中心，網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的地位是平等的，是一種對(duì)等式網(wǎng)絡(luò)。

點(diǎn)擊此處結(jié)束放映2021/6/2738物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用（2）動(dòng)態(tài)性、多跳網(wǎng)絡(luò)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)性，使網(wǎng)絡(luò)具有可調(diào)性和重構(gòu)性。（3）硬件資源有限傳感器節(jié)點(diǎn)由于受到價(jià)格、體積和功耗的限制，在通信能力、計(jì)算能力和內(nèi)存空間等方面比普通計(jì)算機(jī)要弱很多。點(diǎn)擊此處結(jié)束放映2021/6/2739物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用（4）能量受限傳感器節(jié)點(diǎn)由電池供電，電池的容量一般不是很大。（5）大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)

為了對(duì)一個(gè)區(qū)域執(zhí)行高密度的監(jiān)測(cè)、感知任務(wù)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)往往將成千上萬、甚至更多的傳感器節(jié)點(diǎn)投放到這個(gè)區(qū)域。點(diǎn)擊此處結(jié)束放映2021/6/2740物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用（6）以數(shù)據(jù)為中心主要關(guān)心某個(gè)區(qū)域的某些觀測(cè)指標(biāo)，而不是關(guān)心具體某個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的觀測(cè)數(shù)據(jù)。（7）無人值守?zé)o線傳感器網(wǎng)絡(luò)往往在無人值守的狀態(tài)下工作。（8）易受物理環(huán)境影響要求無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有動(dòng)態(tài)環(huán)境變化的適應(yīng)性。點(diǎn)擊此處結(jié)束放映2021/6/2741物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用1.4.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展階段

1.第一階段：傳統(tǒng)的傳感器系統(tǒng)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的歷史最早可追溯到1970年代，這期間傳感器節(jié)點(diǎn)只用于探測(cè)數(shù)據(jù)流，沒有計(jì)算能力，傳感器節(jié)點(diǎn)之間不能通信。

這一階段的傳感器系統(tǒng)為傳統(tǒng)的傳感器系統(tǒng)，通常只能捕獲單一的信號(hào)，傳感器節(jié)點(diǎn)與外界只能進(jìn)行簡(jiǎn)單的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。點(diǎn)擊此處結(jié)束放映2021/6/2742物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用2.第二階段：傳感器節(jié)點(diǎn)集成化

第二階段是1980年代～1990年代之間，這期間微型化的傳感器節(jié)點(diǎn)具備感知能力、計(jì)算能力和通信能力。1999年，美國(guó)商業(yè)周刊將傳感