第3章 物聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù)

1、第第3章章 物聯(lián)網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)傳感傳感技術(shù)技術(shù)目錄思考題思考題3.3無線傳感網(wǎng)3.2 物聯(lián)網(wǎng)檢測技術(shù)3.1 傳感器概述3.1.1 傳感器的概念p 傳感器的概念：p“能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成”國家標準p日常所說的傳感器大部分指的是一種能把待測的各種物理量或化學量（如位移、壓力、速度、溫度等）轉(zhuǎn)換成為可以被人或者設(shè)備讀取的按照一定規(guī)律對應的輸出可以測量的信號(電壓、電流或電阻等電信號)的器件 傳感器原理示意圖傳感器原理示意圖3.1.1 傳感器的概念p 人是通過自身的感官系統(tǒng)（視、聽、嗅、味、觸）來接受外界的信息，相對應的，機器感知外界信息

2、的方式是通過傳感器。如果把電子計算機比喻成大腦的話，那傳感器則相當于人的視、聽、嗅、味、觸等感知器官 人體感知系統(tǒng)與機器感知系統(tǒng)的對應關(guān)系人體感知系統(tǒng)與機器感知系統(tǒng)的對應關(guān)系指紋傳感器3.1.2 傳感器的組成p 傳感器的組成： 由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和其他輔助元件組成。有時也將輔助電路以及輔助電源作為傳感器的組成部分傳感器組成示意圖傳感器組成示意圖3.1.3 傳感器的分類傳感器的分類方法。傳感器的分類方法。p 根據(jù)被測量物理量分類：位移傳感器、壓力傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、角位移傳感器、角速度傳感器、真空度傳感器、電流、溫度傳感器及氣敏傳感器等。p 根據(jù)工作原理分類：電容式傳感器、電勢式

3、傳感器、電阻式傳感器、電感式傳感器、應變式傳感器、壓電式傳感器、光敏傳感器、光電式傳感器等。p 根據(jù)輸出信號分類：模擬式傳感器、數(shù)字式傳感器和開關(guān)傳感器等p 根據(jù)能量的傳遞方式分類：有源傳感器和無源傳感器。p 根據(jù)傳感器的其制造工藝分類：集成傳感器、薄膜傳感器、陶瓷傳感器等。3.1. 4傳感器的特性p 傳感器的特性是指傳感器的輸入量和輸出量之間的對應關(guān)系，這樣的特性是傳感器的基本特性。p 理想狀態(tài)下，傳感器的輸入與輸出應該是一一對應的關(guān)系，而且呈線性關(guān)系。p 實際情況下，輸入輸出不會完全符合所要求的線性關(guān)系。p 通常輸入量分為兩種形式：穩(wěn)態(tài)形式和動態(tài)形式。3.1. 4傳感器的特性 - 靜態(tài)性能

4、指標線性度靈敏度3.1. 4傳感器的特性 - 靜態(tài)性能指標重復性遲滯3.1. 4傳感器的特性 動態(tài)性能指標p 傳感器的動態(tài)特性：傳感器的輸出量與隨時間變化的被測量之間的動態(tài)關(guān)系。p 動態(tài)誤差：在實際情況下，當輸入量變化較快的時候，由于傳感器的機械慣性、熱慣性、電磁儲能元件及電路充放電等多種原因，輸出信號相對于輸入信號在波形上出現(xiàn)失真，從而造成兩者的差異。p 傳感器除了描述輸入與輸出量之間的關(guān)系特性外，還有其他的很多特性在使用時需要關(guān)注和了解的，比如與使用條件、使用環(huán)境、使用要求等有關(guān)的特性等。p 壓力檢測技術(shù)1、重力平衡法2、彈性力平衡法3、物性測量法3.2 物聯(lián)網(wǎng)檢測技術(shù)活塞式壓力計直管壓力

5、平衡式波紋膨脹節(jié)巖土熱物性測試儀p 溫度檢測技術(shù)1、接觸式溫度測量2、非接觸式溫度測量p 流量檢測技術(shù)p 物位檢測技術(shù) 洗衣機、抽水馬桶 全自動洗衣機進水原理：電路的工作原理是：放入衣物后，打開進水龍頭的閥門，選擇好正確的水位及工作程序，接通電源，閉合倉門，門安全開關(guān)閉合，此時水位開關(guān)內(nèi)部的公共觸點是和脫水觸點相通，進水閥通電進水，當桶內(nèi)水位到達指定高度時，在氣壓的作用下水位開關(guān)內(nèi)部公共觸點斷開脫水觸點而接通洗滌觸點，進水閥斷電停止進水，電動機電源被接通，電動機開始運轉(zhuǎn)，周期性的時而正轉(zhuǎn)、時而反轉(zhuǎn)，相互交替，通過離合器帶動波輪用同樣的周期正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，以一定速度旋轉(zhuǎn)的波輪會帶動桶內(nèi)的水及衣物形成

6、旋轉(zhuǎn)水流，衣物在水流中相互磨擦而達到洗衣的目的。當洗滌過程完成后，排水電磁閥通電工作，排水閥門被打開，桶內(nèi)的水向外排出，同時聯(lián)動桿也把離合器從洗滌狀態(tài)切換到脫水狀態(tài)，當排水完成后，桶內(nèi)大氣壓力下降，水位開關(guān)的公共觸點復位接通脫水觸點，排水電磁閥繼續(xù)保持通電狀態(tài)，電動機通電運轉(zhuǎn)帶動脫水桶高速旋轉(zhuǎn)而甩干衣物，洗衣程序結(jié)束后洗衣機斷開水電而停機。至于中間的過程要洗多少次，洗衣時間的長短，由程序控制。p 無線傳感器網(wǎng)絡（Wireless Sensor Networks，WSN）是當前在國際上備受關(guān)注的、涉及多學科高度交叉、知識高度集成的前沿熱點研究領(lǐng)域。傳感器技術(shù)、微機電系統(tǒng)、現(xiàn)代網(wǎng)絡和無線通信等技術(shù)

7、的進步，推動了現(xiàn)代無線傳感器網(wǎng)絡的產(chǎn)生和發(fā)展。無線傳感器網(wǎng)絡擴展了人們信息獲取能力，將客觀世界的物理信息同傳輸網(wǎng)絡連接在一起，在下一代網(wǎng)絡中將為人們提供最直接、最有效、最真實的信息。無線傳感器網(wǎng)絡能夠獲取客觀物理信息，具有十分廣闊的應用前景，能應用于軍事國防、工農(nóng)業(yè)控制、城市管理、生物醫(yī)療、環(huán)境檢測、搶險救災、危險區(qū)域遠程控制等領(lǐng)域。已經(jīng)引起了許多國家學術(shù)界和工業(yè)界的高度重視，被認為是對21世紀產(chǎn)生巨大影響力的技術(shù)之一。3.3 無線傳感器網(wǎng)絡3.3.1 傳感網(wǎng)的概念p 傳感網(wǎng)p在一定范圍內(nèi)，許多集成有傳感器、數(shù)據(jù)處理單位和通信單元的微小節(jié)點通過一定的組織方式構(gòu)成的網(wǎng)絡。通過大量的多種類別的傳感

8、器不斷測量周圍環(huán)境的物質(zhì)現(xiàn)象信息，如光、熱、位置等信息 ，并將信息發(fā)送至互聯(lián)網(wǎng)、移動通信網(wǎng)等網(wǎng)絡中，讓事物與網(wǎng)絡連接在一起，實現(xiàn)了物與人，物與物之間的信息交換。p傳感器網(wǎng)路將數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)管理、網(wǎng)絡傳輸?shù)榷喾N技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)以數(shù)據(jù)為中心的高性能的網(wǎng)絡體系。3.3.1 傳感網(wǎng)的概念p 傳感器網(wǎng)的發(fā)展p20世紀70年代，出現(xiàn)了利用點對點傳輸技術(shù)以及專門的連接控制器將傳統(tǒng)的傳感器連接起來。這類簡單的傳感網(wǎng)具有一定的信息獲取能力。p20世紀80年代，隨著科學技術(shù)和傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展和進步，串行、并行接口被應用在傳感網(wǎng)中，使得傳感網(wǎng)具有獲取多種信息信號的能力，并且信息綜合和信息處理能力得到提

9、高。p20世紀90年代后期至21世紀初期，現(xiàn)場總線，即連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支的通信網(wǎng)絡，以及多功能傳感器的應用，使得傳感網(wǎng)逐漸實現(xiàn)智能化。p無線傳感通信技術(shù)應用于連接大量具有多功能、多信號采集能力的傳感器，從而形成的無線傳感網(wǎng)絡，使傳感網(wǎng)從最初的點覆蓋、線覆蓋、面覆蓋，發(fā)展為區(qū)域覆蓋，應用范圍得到極大擴展。3.3.2 傳感網(wǎng)協(xié)議體系結(jié)構(gòu)p 網(wǎng)絡協(xié)議體系結(jié)構(gòu)p網(wǎng)絡的協(xié)議分層以及網(wǎng)絡協(xié)議的集合，是對網(wǎng)絡及其組成部分的功能的描述。p該網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)由分布式網(wǎng)絡通信協(xié)議、傳感器網(wǎng)絡管理以及應用支持技術(shù)三個部分組成：分層的網(wǎng)絡通信協(xié)議模塊、傳感器網(wǎng)絡管理模塊和應用支持服務模

10、塊。傳感器網(wǎng)路體系結(jié)構(gòu)框架圖3.3.3 傳感網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)p 傳感網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)p在傳感器網(wǎng)絡中，大量傳感器節(jié)點隨機部署在檢測區(qū)域內(nèi)。傳感器節(jié)點以自組織形式構(gòu)成網(wǎng)絡，其組網(wǎng)技術(shù)即是傳感網(wǎng)的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)。傳感器節(jié)點將信息多跳轉(zhuǎn)發(fā)，通過各種方式（基站或匯聚節(jié)點或網(wǎng)關(guān)）接人網(wǎng)絡，在網(wǎng)絡的任務管理節(jié)點再對感應的信息進行分類和處理，最后把感應信息送給用戶。p按照傳感網(wǎng)網(wǎng)絡的組網(wǎng)形態(tài)和方式來分類，有集中式、分布式和混合式。p傳感器網(wǎng)絡的集中式結(jié)構(gòu)：類似移動通信的蜂窩結(jié)構(gòu)，將節(jié)點進行集中管理；p無線傳感器網(wǎng)絡的分布式結(jié)構(gòu)：類似Ad Hoc（多跳的、無中心的、自組織的點對點網(wǎng)絡）網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，可自組織網(wǎng)絡接人連接，分布管

11、理；p無線傳感器網(wǎng)絡的混合式結(jié)構(gòu)：是集中式和分布式結(jié)構(gòu)的組合。類似Mesh（無線多跳網(wǎng)絡）網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，網(wǎng)狀分布連接和管理。3.3.3 傳感網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)p 按照節(jié)點功能及結(jié)構(gòu)層次來分，無線傳感器網(wǎng)絡通常可分為平面網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)、分級網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)、混合網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，以及Mesh網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。平面網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)3.3.3 傳感網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu) -分級網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)分級網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)3.3.3 傳感網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu) - 混合網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)混合網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)3.3.3 傳感網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu) - Mesh網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)完全連通的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)傳感網(wǎng)Mesh網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)pMesh網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)式也被稱之為對等網(wǎng)，網(wǎng)絡內(nèi)部的節(jié)點一般是相同的，而且是規(guī)則分布的網(wǎng)絡，通常指允許和節(jié)點最近的鄰居通信。p由

12、于通常Mesh網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)節(jié)點之間存在多條路由路徑，傳感網(wǎng)絡對于單個節(jié)點或單個鏈路故障具有較強的容錯能力。3.3.4 傳感網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)p 1.網(wǎng)絡拓撲控制技術(shù)p通過拓撲控制技術(shù)，可以使得傳感網(wǎng)在滿足網(wǎng)絡覆蓋度和連通度前提下，通過功率控制盒骨干網(wǎng)節(jié)點的選擇，剔除節(jié)點之間不必要的無線通信鏈路，生成一個高效的拓撲結(jié)構(gòu)。3.3.4 傳感網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)p 2.網(wǎng)絡協(xié)議p 傳感網(wǎng)對網(wǎng)絡協(xié)議要求較高。p 重點研究路由協(xié)議和MAC協(xié)議。路由傳感器設(shè)計的主要目標是降低能量消耗，提高網(wǎng)絡的生命周期。同時，傳感網(wǎng)的MAC協(xié)議首先考慮的是節(jié)能和可擴展性，其次是公平性、利用率和實時性等。3.3.4 傳感網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)p 3.網(wǎng)

13、絡安全技術(shù) p傳感網(wǎng)需要實現(xiàn)一些基本的安全機制，例如：機密性，點到點消息認證，完全性鑒別，認證廣播和安全管理等。3.3.4傳感網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)p 4.數(shù)據(jù)融合技術(shù) p在各個傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)收集過程中，可以利用節(jié)點自身的計算和存儲能力、數(shù)據(jù)處理融合能力對數(shù)據(jù)進行分析和管理，去除冗余信息，達到節(jié)能的目的。p數(shù)據(jù)融合技術(shù)在目標跟蹤、目標識別等領(lǐng)域得到廣泛應用。3.3.4傳感網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)p 5.數(shù)據(jù)管理技術(shù)p數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)一般盡可能的再傳感器網(wǎng)絡內(nèi)部進行數(shù)據(jù)的分析和處理，以較少能量消耗，延長傳感網(wǎng)的生命周期。3.3.4 傳感網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)p 6.定位技術(shù)p傳感器節(jié)點的精確定位是傳感器網(wǎng)絡的基本功能之一，其網(wǎng)絡中

14、的傳感器節(jié)點通常隨即部署在區(qū)域中，要詳細說明在事件發(fā)生的位置以及數(shù)據(jù)采集節(jié)點的位置，各個節(jié)點必須首先明確自身位置才能實現(xiàn)對外部目標的定位和跟蹤。3.3.4傳感網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)p 7.時間同步p時間同步機制主要從單廣播域內(nèi)時間同步和多跳范圍內(nèi)的時間同步兩個方面進行研究。主要的時間同步算法主要有RBS算法和TPSN算法。RBS時間同步算法TPSN算法3.3.5 傳感網(wǎng)的節(jié)點技術(shù)傳感器節(jié)點基本組成示意圖3.3.6 傳感網(wǎng)的節(jié)點部署p 傳感網(wǎng)絡節(jié)點部署是傳感網(wǎng)工作的基礎(chǔ)，其直接關(guān)系到傳感網(wǎng)檢測的準確性、完整性和實效性。p 傳感網(wǎng)的節(jié)點部署主要涉及覆蓋、連接和節(jié)能等方面的技術(shù)。p 節(jié)點部署就是在指定的檢測區(qū)

15、域內(nèi)，通過適當?shù)姆绞讲贾脗鞲芯W(wǎng)節(jié)點以滿足設(shè)計要求。p 節(jié)點部署方式主要有確定性布設(shè)和隨機性布設(shè)兩種方式。3.3.7 傳感網(wǎng)覆蓋p 按照傳感器節(jié)點不同配置方式，可以將傳感網(wǎng)的覆蓋分為確定性覆蓋、隨機覆蓋兩大類。p 按照傳感網(wǎng)對覆蓋區(qū)域的不同要求和不同應用，分為：p區(qū)域覆蓋（Average Coverage）p點覆蓋（Point Coverage）p柵欄覆蓋（Barrier Coverage）3.3.8 連接與節(jié)能傳感器節(jié)點狀態(tài)切換示意圖p連接問題考察的是傳感器節(jié)點之間的連接狀況能否保證采集到的信息能夠準確傳遞給匯聚節(jié)點。所以，一般從純連接和路由連接兩個方面來考慮。p節(jié)能問題主要考慮的是網(wǎng)絡部署時

16、傳感器節(jié)點的耗能以及傳感器網(wǎng)絡在使用過程中盡可能降低能量消耗等方面的問題。3.3.9 無線傳感器網(wǎng)絡概述無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點示意圖p在不同的應用環(huán)境中，傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的組成不盡相同，但一般都是由數(shù)據(jù)采集單元（Data acquisition unit）、處理單元（Process unit）數(shù)據(jù)傳輸單元（Data transfer unit）和電源單元（Power unit）這四個部分組成。3.3.9 無線傳感器網(wǎng)絡概述p無線傳感器網(wǎng)絡的節(jié)點通過飛機撒播、人工填埋或火箭彈發(fā)射等方式投放在被監(jiān)測區(qū)域內(nèi)。節(jié)點以自組織形式構(gòu)成網(wǎng)絡, 通過多跳中繼方式將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳到sink 節(jié)點，最終借助長距離或臨時建立

17、的sink 鏈路將整個區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到遠程中心進行集中處理。無線傳感器網(wǎng)絡的體系結(jié)構(gòu)3.3.9無線傳感器網(wǎng)絡概述p無線傳感器網(wǎng)絡有別于傳統(tǒng)的網(wǎng)絡，其主要特性包括以下幾點：p通過無線方式連通，具有很強的靈活性p單個節(jié)點之間的信息無法代表整個區(qū)域的情況，并且相互之間差異性也較明顯。但以這種方式獲取的信息在經(jīng)過信息融合和處理后就會更精確的反應整個區(qū)域的狀況p無線傳感器網(wǎng)絡是自組織網(wǎng)絡，對其人工干預可能性較小p傳感器節(jié)點體積小，每個器件攜帶的能量十分有限p傳感網(wǎng)網(wǎng)絡中每個節(jié)點都具有一定的數(shù)據(jù)處理、儲存能力，可以根據(jù)需要對數(shù)據(jù)進行處理后再傳輸，從而減少網(wǎng)絡的流量，并達到節(jié)能的目的3.3.10 無線傳感

18、器網(wǎng)絡的應用領(lǐng)域p 無線傳感器網(wǎng)絡向著微型化、智能化、信息化、網(wǎng)絡化的方向不斷發(fā)展。主要應用在：p1. 軍事應用 p2. 環(huán)境科學 p3. 醫(yī)療保健p4. 智能家居p5. 其他商業(yè)應用3.3.10 無線傳感器網(wǎng)絡的應用領(lǐng)域pa、環(huán)境的監(jiān)測和保護 隨著人們對于環(huán)境問題的關(guān)注程度越來越高，需要采集的環(huán)境數(shù)據(jù)也越來越多，無線傳感器網(wǎng)絡的出現(xiàn)為隨機性的研究數(shù)據(jù)獲取提供了便利，并且還可以避免傳統(tǒng)數(shù)據(jù)收集方式給環(huán)境帶來的侵入式破壞。比如，英特爾研究實驗室研究人員曾經(jīng)將32個小型傳感器連進互聯(lián)網(wǎng)，以讀出緬因州大*島上的氣候，用來*價一種海燕巢的條件。 無線傳感器網(wǎng)絡還可以跟蹤候鳥和昆蟲的遷移，研究環(huán)境變化對農(nóng)作物的影響，監(jiān)測海洋、大氣和土壤的成分等。此外，它也可以應用在精細農(nóng)業(yè)中控制工程網(wǎng)版權(quán)所有，來監(jiān)測農(nóng)作物中的害蟲、土壤的酸堿度和施肥狀況等。3.3.10 無線傳感器網(wǎng)絡的應用領(lǐng)域pb、醫(yī)療護理 無線傳感器網(wǎng)絡