吴功宜_物联网工程导论_第3章传感器

NankaiUniversity1吴功宜吴英编著《物联网工程导论》NankaiUniversity第3章传感器、传感网与无线传感器网络技术的发展2NankaiUniversity第3章知识点结构3传感器基本概念传感器的分类智能传感器技术无线传感器网络基本概念基本结构关键技术通信协议*IEEE802.11IEEE802.15.4蓝牙协议ZigBee协议NankaiUniversity3.1传感器概述3.1.1感知能力与传感器的发展1.人的感知能力•眼、耳、鼻、舌、皮肤是人类感知外部物理世界的重要感官•随着人类对外部世界的改造，对未知领域与空间的拓展，人类需要的信息来源、种类、数量、精度不断增加，对信息获取的手段也提出了更高的要求，而传感器是能够满足人类对各种信息感知需求的主要工具4NankaiUniversity2．传感器的基本概念•传感器（sensor）是由敏感元件和转换元件组成的一种检测装置，能感受到被测量，并能将检测和感受到的信息，按一定规律变换成为电信号（电压、电流、频率或相位）输出，以满足感知信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制的要求。•传感器结构与工作原理示意图5敏感元件转换元件被测量电信号输入输出声波声敏感元件转换电路(a)结构示意图(b)声传感器工作原理示意图数字信号NankaiUniversity3.1.2传感器的分类传感器分类的基本方法：•根据传感器功能分类•根据传感器工作原理分类•根据传感器感知的对象分类•根据传感器的应用领域分类6NankaiUniversity•常用物理传感器与化学传感器7物理传感器力传感器热传感器光传感器磁传感器电传感器声传感器射线传感器化学传感器压力传感器、力矩传感器、速度传感器、加速度传感器、流量传感器、位移传感器、位置传感器、密度传感器、硬度传感器、黏度传感器温度传感器、热流传感器、热导率传感器声压传感器、噪声传感器、超声波传感器、声表面波传感器可见光传感器、红外线传感器、紫外线传感器、图像传感器、光纤传感器、分布式光纤传感系统电流传感器、电压传感器、电场强度传感器磁场强度传感器、磁通量传感器X射线传感器、γ射线传感器、β射线传感器、辐射剂量传感器离子传感器、气体传感器、湿度传感器、生物传感器NankaiUniversity3.1.3物理传感器1.物理传感器•物理传感器的原理是利用力、热、声、光、电、磁、射线等物理效应，将被测信号量的微小变化转换成电信号•物理传感器可以进一步分为：力传感器、热传感器、声传感器、光传感器、电传感器、磁传感器与射线传感器等7类8NankaiUniversity（1）力传感器•力传感器是能感受外力并将其转换成可用输出信号的传感器。力传感器的种类繁多，常用的力与压力传感器有电阻应变式、半导体应变式、压阻式、电感式、电容式、谐振式压力传感器，以及光纤压力传感器等•用金属应变丝作为敏感元件的压力传感器原理示意图9VR1R2RRx敏感元件—金属电阻应变丝电桥电路各种封装的压力传感器NankaiUniversity•不同用途的力传感器10压力传感器位移传感器流速传感器位置传感器NankaiUniversity（2）温度传感器（3）声传感器11次声波传感器超声波传感器声波传感器NankaiUniversity（4）光传感器•图像传感器•光纤传感器12无线监控摄像头半球车载摄像头IP网络摄像头红外夜视摄像头微型摄像头小型摄像头光纤陀螺传感器纳米光纤位移传感器光位移传感器光纤传感器光纤压力传感器光纤传感器NankaiUniversity分布式光纤传感系统•分布式光纤传感系统利用光纤作为传感敏感元件和传输信号介质，探测出沿着光纤不同位置的温度和应变的变化，实现分布、自动、实时、连续、精确的测量。•分布式光纤传感系统应用领域包括：—智能电网的电力电缆表面温度检测、事故点定位—发电厂和变电站的温度监测、故障点检测和报警—水库大坝、河堤安全与渗漏监测—桥梁与高层建筑结构安全性监测—公路、地铁、隧道地质状况的监测•分布光纤温度传感系统可以在易燃、易爆的环境下同时测量上万个点，可以对每个温度测量点进行实时测量与定位13NankaiUniversity（5）电传感器•电传感器可以分为：电阻式、电容式、电感式传感器•电阻式传感器利用变阻器将非电量转换成电阻信号的原理制成的。电阻式传感器主要用于位移、压力、应变、力矩、气流流速、液面与液体流量等参数的测量•电容式是利用改变电容器的几何尺寸或介质参数，来使电容量变化的原理制成的。电容式传感器主要用于压力、位移、液面、厚度、水分含量等参数的测量•电感式是利用改变电感磁路的几何尺寸或磁体位置，来使电感或互感量变化的原理制成的，主要用于压力、位移、力、振动、加速度等参数的测量。14NankaiUniversity（6）磁传感器•磁传感器是最古老的传感器，指南针是磁传感器的最早的一种应用•磁传感器将磁信号转化成为电信号输出•磁电式传感器目前已经被高性能磁敏感材料的新型磁传感器所替代15磁传感器芯片磁传感器无线门磁传感器磁传感器流量磁传感器微型磁传感器芯片NankaiUniversity（7）射线传感器•射线传感器是将射线强度转换出可输出的电信号的传感器•射线传感器可以分为：X射线传感器、γ射线传感器、β射线传感器、辐射剂量传感器•射线传感器已经在环境保护、医疗卫生、科学研究与安全保护领域广泛使用16NankaiUniversity3.1.4化学传感器•化学传感器可以将化学吸附、电化学反应过程中被测信号的微小变化转换成电信号的一类传感器•按传感方式的不同，可分为：—接触式化学传感器—非接触式化学传感器•按结构形式的不同，可以分为：—分离型化学传感器—组装一体化化学传感器•按检测对象的不同，可以分为：—气体传感器—离子传感器—湿度传感器17NankaiUniversity3.1.5生物传感器•生物传感器是由生物敏感元件和信号传导器组成•生物敏感元件可以是生物体、组织、细胞、酶、核酸或有机物分子•不同的生物元件对于光强度、热量、声强度、压力有不同的感应特性18生物传感器的分类输出信号方式分子识别元件生物亲和型生物传感器、代谢型生物传感器与催化性生物传感器酶传感器、微生物传感器、组织传感器、细胞传感器与免疫传感器信号转换器电化学生物传感器、半导体生物传感器、测热型生物传感器、测光型生物传感器、测声型生物传感器分类依据生物传感器类型NankaiUniversity3.1.6传感器性能指标•线性度•灵敏度•分辨率•迟滞•重复性•漂移•测量范围•精度19NankaiUniversity3.2智能传感器与无线传感器的发展3.2.1智能传感器的发展智能传感器的特点：•自学习、自诊断与自补偿能力•复合感知能力•灵活的通信能力智能传感器的发展为传感器技术的研究提出了很多富有挑战性的课题20NankaiUniversity3.2.2微机电系统对智能传感器发展的影响微机电系统的基本概念•微机电系统（MEMS）是指集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路，直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统•MEMS为传感器微型化、智能化与网络化的实现提供了技术支持，也为智能传感器应用与产业发展拓展了新的空间•MEMS是在微电子技术基础上发展起来的多学科交叉的新兴学科，它以微电子及机械加工技术为依托，研究涉及微电子学、机械学、力学、自动控制科学、材料科学等多个学科21NankaiUniversity•用MEMS技术制造的微型传感器22微型光传感器微型治疗用隐形眼镜微型声传感器微型扫描仪微型马达微型陀螺仪NankaiUniversity3.2.3无线传感器的研究•UGS的无线传感器外形与应用23NankaiUniversity3.3无线传感器网络3.3.1从无线分组网到无线自组网1.无线分组网的研究•IEEE将无线自组网定义为一种特殊的自组织、对等式、多跳、无线移动网络（MANET），它是在无线分组网的基础上发展起来的•无线自组网有多个英文名称，如Adhocnetwork、Self-organizingnetwork、Infrastructurelessnetwork与Multi-hopnetwork•1991年5月，IEEE正式采用“Adhoc网络”术语•Adhoc在英语中的含义是“forthespecificpurposeonly”，即“专门为某个特定目的、即兴的、事先未准备的”意思24NankaiUniversity2.无线自组网的基本概念•Adhoc网络物理结构与拓扑结构25N1(a)Adhoc的物理结构与拓扑结构N2N3N4N5N1N2N3N4N5(b)改变后的Adhoc的物理结构与拓扑结构N1N2N3N4N5N1N2N3N4N5NankaiUniversityAdhoc网络的特点:•自组织与独立组网•无中心•多跳路由•动态拓扑•无线传输的局限与节点能量的限制性•网络生存时间的限制Adhoc网络的主要应用领域:•军事领域•民用领域26NankaiUniversity3.3.2从无线自组网到无线传感器网络1.LWIM与WINS无线传感器网络的研究•LWIM与WINS无线传感器节点27（a）LWIMIII结点（b）RockwellWINS结点NankaiUniversity2.智能尘埃项目的研究•智能尘埃(SmartDust)项目研究的目标是通过MEMS技术，实现传感、计算与通信能力的集成，用智能传感器技术去增强微型机器人的环境感知与智慧处理能力•各种智能尘埃节点28Telos（2004）WeC（1998）Mica（2001）Mica2（2002）Dot（2000）MicaZ（2003）NankaiUniversity•无线传感器网络技术发展的过程29微机电技术MEMS无线通信技术传感器Sensor无线传感器无线传感器网络WSN无线分组网PRNET无线自组网Adhoc微型智能传感器UGSLWLMSmartDustNankaiUniversity3.3.3无线传感器网络特点与结构无线传感器网络特点:•网络规模•自组织网络•拓扑结构的动态变化•以数据为中心30NankaiUniversity无线传感器网络的基本结构无线传感器网络节点类型:•传感器节点•汇聚节点•管理节点31监测区域互联网无线传感器节点传感器芯片汇聚节点管理节点NankaiUniversity电源能量对无线传感器节点设计的限制•无线传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统，它的处理能力、存储能力和通信能力相对较弱，通过自身携带的能量有限的电池（钮扣电池或干电池）供电•汇聚节点既可以是一个具有增强功能的传感器节点，有足够的能量提供给更多的内存与计算资源，也可以是没有监测功能仅带有无线通信接口的特殊网关设备32NankaiUniversity•基于功能的无线传感器网络结构模型33高层应用传输控制路由数据链路物理层拓扑能量管理网络安全与网络管理定位时间同步QoS无线传感器节点无线传感器节点内部功能结构无线传感器网络监控的区域示意图NankaiUniversity3.3.4无线传感器网络关键技术研究•无线传感器网络研究的主要内容34WSN技术研究的内容介质访问控制协议拓扑控制与路由协议节点定位时间同步数据融合与数据管理嵌入式操作系统网络安全NankaiUniversity3.3.5无线传感器网络通信协议与标准*1.无线局域网与IEEE802.11标准•802.11协议层次结构模型35点协调功能PCF分布协调功能DCF（CSMA/CA）无争用服务有争用服务物理层MAC层NankaiUniversity•802.11节点发送数据帧过程36……DataACK信道忙,不能发送信号tttt源节点目的节点其他节点NankaiUniversity2.蓝牙技术与协议•蓝牙（Bluetooth）一种用于将计算机与通信设备、附加部件和外部设备，通过短距离的、低功耗的、低成本的无线信道连接的无线标准37蓝牙键盘蓝牙鼠标蓝牙音箱蓝牙耳机蓝牙游戏手柄NankaiUniversity3.无线个人区域网与IEEE802.