第1章-物联网与传感器概述.

物联网传感器技术与应用课程目标本课程在物联网的框架下阐述传感器技术。本课程的目标有3个，一是介绍物联网的系统架构，给出物联网与传感器之间的关系，表明传感器在物联网中所处的地位和作用；二是讲解各类传感器的工作原理、结构组成、特性分析、测量方法和应用实例，这部分是本课程的重点，这些内容强调了从传统传感器到现代传感器知识体系的完整性；三是给出传感器数字化、微型化、集成化、智能化和网络化的发展方向，使同学们认识到微机电系统、智能传感器、多传感器信息融合、无线传感器网络等正逐步将传感器带入物联网的时代，物联网传感器将对信息技术产生重大影响。点击此处结束放映物联网传感器技术与应用本书内容组织方式第1章为物联网与传感器概述，分别介绍了物联网的概念、传感器的概念、传感器的发展趋势、物联网中的无线传感器网络。第2章介绍了传感器的一般特性，包括传感器的静态特性和动态特性。第3～10章讲解了电阻式、电容式、电感式、热电式、压电式、磁电式、光电式（包括光电效应、红外、CCD、光纤）、化学（包括离子敏、气敏、湿敏）和生物传感器的转换原理、结构组成、特性分析、测量方法和应用。第11～12章介绍了传感器的数字化、集成化、智能化和网络化，涵盖了数字式传感器、微机电系统、智能传感器、多传感器信息融合、现场总线、无线传感器网络、物联网等内容。点击此处结束放映物联网传感器技术与应用第1章物联网与传感器概述点击此处结束放映物联网与传感器的概念1.1传感器的组成和分类1.2传感器的技术特点和发展趋势1.3无线传感器网络1.4物联网传感器技术与应用点击此处结束放映物联网与传感器的概念1.1物联网传感器技术与应用点击此处结束放映物联网传感器技术与应用1.1.1物联网的概念物联网是在互联网的基础上，将用户端延伸和扩展到任何物体，进行信息交换和通信的一种网络。物联网的英文名称为TheInternetofThings，由该名称可见，物联网就是“物与物相连的互联网”。点击此处结束放映物联网传感器技术与应用物联网需要对物体具有全面感知的能力，对信息具有互通互联的能力，并对系统具有智慧运行的能力，从而形成一个连接人与物体的信息网络。传感器是物联网的感觉器官，可以感知、探测、采集和获取目标对象各种形态的信息，是物联网全面感知的主要部件，是信息技术的源头，也是现代信息社会赖以存在和发展的技术基础。点击此处结束放映物联网传感器技术与应用1.1.2传感器的概念传感器技术、通信技术和计算机技术并列为信息技术的三大支柱，它们构成了信息系统的“感官”、“神经”和“大脑”，分别用于完成信息的采集、传输和处理。点击此处结束放映物联网传感器技术与应用通常将能把被测物理量、化学量或生物量转换为与之有对应关系的电量输出的装置称为传感器。传感器是一种检测装置，能够感受到被测量的信息，并能将检测到的信息变换成其它形式的信号（一般为电信号），是实现自动检测的首要环节。点击此处结束放映物联网传感器技术与应用中华人民共和国国家标准GB/T7665-2005对传感器的定义是：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。（1）传感器的作用：体现在测量上。获取被测量，是应用传感器的目的。（2）传感器的工作机理：体现在敏感元件上。敏感元件能感受或响应被测量，是传感器技术的核心。（3）传感器的输出信号形式：体现在电信号上。输出信号需要解决非电量向电信号转换，微弱电信号向可用电信号转换的问题。点击此处结束放映物联网传感器技术与应用1.1.3传感器是物联网全面感知的基石人们为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官。而单靠人自身的感觉器官研究自然现象和生产规律，显然是远远不够的。传感器是人类感觉器官的延长，因此传感器又称为电五官。传感器是整个物联网中需求量最大和最为基础的环节之一。传感器不仅可以单独使用，还可以由大量传感器、数据处理单元和通信单元的微小节点构成无线传感器网络。在物联网全面感知方面，传感器是最主要的部件。点击此处结束放映物联网传感器技术与应用传感器的组成和分类1.2点击此处结束放映物联网传感器技术与应用1.2.1传感器的组成传感器通常由敏感元件（SensingElement）和转换元件（TransductionElement）组成，敏感元件指传感器中能直接感受或响应被测量（一般为非电量）的部分；转换元件指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成有用输出信号（一般为电信号）的部分。传感器转换元件输出的信号（一般为电信号）都很微弱，传感器一般还需配以测量电路，有时还需要加辅助电源。点击此处结束放映物联网传感器技术与应用图1.1为传感器的组成框图，包括敏感元件、转换元件、测量电路和辅助电源。点击此处结束放映敏感元件转换元件测量电路被测量电信号辅助电源物联网传感器技术与应用点击此处结束放映电量转换元件测量电路它是直接感受被测量，并输出与被测量构成有确定关系、更易于转换的某一物理量的元件。将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号把转换元件输出的电信号变换为便于处理、显示、记录、控制和传输的可用电信号敏感元件转换元件电源被测量敏感元件物联网传感器技术与应用1.2.2传感器的分类传感器的品种丰富、原理各异，检测对象几乎涉及各种参数，通常一种传感器可以检测多种参数，一种参数又可以用多种传感器测量。传感器的分类方法非常多，下面是几种常见的传感器分类方法。点击此处结束放映物联网传感器技术与应用1.按工作原理分类表1.2传感器按工作原理分类点击此处结束放映物联网传感器技术与应用2.按被测量分类表1.3传感器按被测量分类点击此处结束放映物联网传感器技术与应用3.按敏感材料分类这种分类方法按制造传感器的材料进行分类，可分为半导体传感器、陶瓷传感器、光导纤维传感器和金属传感器等。4.按能量关系分类这种分类方法可分为有源传感器和无源传感器2大类。5.按应用范围分类这种分类方法按应用范围分类，可分为工业用、民用、医用和军用等。点击此处结束放映物联网传感器技术与应用传感器的技术特点和发展趋势1.3点击此处结束放映物联网传感器技术与应用传感器在国外的发展已有近200年的历史。到了20世纪80年代，由于计算机技术的发展，国际上出现了“信息处理能力过剩、信息获取能力不足”的问题，为了解决这一问题，世界各国在同一时期掀起了一股传感器热潮，美国也将80年代视为传感器技术的年代。近20年来，传感器的发展非常迅速，目前全球传感器的种类已超过2万种。点击此处结束放映物联网传感器技术与应用1.3.1传感器的技术特点1.内容离散，涉及多个学科传感器的内容离散，涉及到物理学、化学、生物学等多个学科。2.种类繁多，彼此相互独立传感器的种类繁多，被测参数彼此之间相互独立。被测参数包括热工量、电工量、机械量、化学量、生物量、状态量等。这需要开发多种多样的敏感元件和传感器。点击此处结束放映物联网传感器技术与应用3.知识密集，学科边缘性强传感器技术综合了物理学、化学、生物工程、微电子学、材料科学、微细加工等方面的知识，具有突出的知识密集性。各学科一旦有新的发现，就迅速用于传感器，具有学科边缘性。4.技术复杂，工艺要求高传感器的制造涉及了许多高新技术，技术复杂。传感器的制造工艺难度大、要求高。点击此处结束放映物联网传感器技术与应用5.性能稳定，环境适应性强要求具有高的可靠性、稳定性、重复性等。做到准确可靠，经久耐用，性能稳定。6.应用广泛，应用要求千差万别阿波罗10运载火箭部分使用了2077个传感器，宇宙飞船部分使用了1218个传感器；汽车上有100多个传感器。点击此处结束放映物联网传感器技术与应用7.生命力强，不会轻易退出历史舞台例如，应变式传感器已有70多年的历史，目前仍然在重量测量、压力测量、微位移测量等领域占有重要地位。8.品种多样，一种被测量可采用多种传感器例如，线位移传感器的品种有近20种之多。点击此处结束放映物联网传感器技术与应用点击此处结束放映物联网传感器技术与应用点击此处结束放映物联网传感器技术与应用1.3.2传感器新原理、新材料、新工艺的发展趋势1.发现新原理例如，超导材料的约瑟夫逊效应发现不久，以该效应为原理的超导量子干涉仪（SQUID）传感器就问世了（测微弱磁信号）。2.开发新材料例如，功能陶瓷、光导纤维、高分子聚合物材料等。3.采用新工艺例如，微细加工是传感器采用的新工艺。点击此处结束放映物联网传感器技术与应用1.3.3传感器微型化、多功能、集成化的发展趋势1.传感器微型化例如，敏感元件的尺寸为微米级。2.传感器多功能例如，将检测Na、K、H的敏感元件集成在2.5×0.5mm芯片上，用导管送到心脏内，可检测血液中钠、钾、氢离子的浓度。3.传感器集成化例如，传感器与集成电路（IC）的集成制造技术。点击此处结束放映物联网传感器技术与应用1.3.4传感器智能化、多融合、网络化的发展趋势1.传感器智能化智能传感器就是将传感器获取信息的基本功能，与微处理器信息分析和处理的功能紧密结合在一起，对传感器采集的数据进行处理，并对它的内部进行调节，使其采集的数据最佳。例如，智能化的硅微传感器。点击此处结束放映物联网传感器技术与应用2.多传感器融合多传感器融合是指多个传感器集成与融合技术。单个传感器不可避免地存在不确定性或偶然不确定性，缺乏全面性，缺乏鲁棒性，偶然故障就会导致传感器系统失灵。多个传感器融合正是解决这些问题的良方。例如，多个传感器集成与融合最早用于美国的军事领域。点击此处结束放映物联网传感器技术与应用3.传感器网络化传感器网络化是由传感器技术、计算机技术和通信技术相结合而发展起来的，每个传感器节点都集成了传感、处理和通信的功能。例如，智能微尘（SmartDust）。点击此处结束放映物联网传感器技术与应用无线传感器网络1.4点击此处结束放映物联网传感器技术与应用1.4.1无线传感器网络的概念无线传感器网络（WSN）是由大量的、静止或移动的传感器节点，以自组织和多跳的方式构成的无线网络，目的是以协作的方式感知、采集、处理和传输在网络覆盖区域内被感知对象的信息，并把这些信息发送给用户。点击此处结束放映物联网传感器技术与应用无线传感器网络的任务是利用传感器节点监测节点周围的环境，收集相关数据，然后通过无线收发装置采用多跳的方式将数据发送到汇聚节点，再通过汇聚节点将数据传送到用户端，从而达到对目标区域的监测。点击此处结束放映物联网传感器技术与应用1.4.2无线传感器网络的结构和特点1.无线传感器网络的结构无线传感器网络通常包括传感器节点（SensorNode）、汇聚节点（SinkNode）和管理节点，并通过互联网或卫星将汇聚节点和管理节点相连。点击此处结束放映物联网传感器技术与应用图1.2无线传感器网络的结构点击此处结束放映物联网传感器技术与应用2.无线传感器网络的特点（1）自组织、无中心网络无线传感器网络没有控制中心，网络中所有节点的地位是平等的，是一种对等式网络。点击此处结束放映物联网传感器技术与应用（2）动态性、多跳网络无线传感器网络具有很强的网络动态性，使网络具有可调性和重构性。（3）硬件资源有限传感器节点由于受到价格、体积和功耗的限制，在通信能力、计算能力和内存空间等方面比普通计算机要弱很多。点击此处结束放映物联网传感器技术与应用（4）能量受限传感器节点由电池供电，电池的容量一般不是很大。（5）大规模网络为了对一个区域执行高密度的监测、感知任务，无线传感器网络往往将成千上万、甚至更多的传感器节点投放到这个区域。点击此处结束放映物联网传感器技术与应用（6）以数据为中心主要关心某个区域的某些观测指标，而不是关心具体某个传感器节点的观测数据。（7）无人值守无线传感器网络往往在无人值守的状态下工作。（8）易受物理环境影响要求无线传感器网络具有动态环境变化的适应性。点击此处结束放映物联网传感器技术与应用1.4.3无线传感器网络的发展阶段1.第一阶段：传统的传感器系统无线传感器网络的历史最早可追溯到1970年代，这期间传感器节点只用于探测数据流，没有计算能力，传感器节点之间不能通信。这一阶段