吳功宜-物聯(lián)網(wǎng)工程導(dǎo)論第3章傳感器與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

1、Nankai University1物聯(lián)網(wǎng)工程導(dǎo)論物聯(lián)網(wǎng)工程導(dǎo)論Nankai University第第3章章 傳感器、傳感網(wǎng)與無傳感器、傳感網(wǎng)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展發(fā)展2Nankai University第第 3章章知知識識點(diǎn)點(diǎn)結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)3Nankai University3.1 傳感器傳感器概述概述3.1.1 感知能力與傳感器的發(fā)展感知能力與傳感器的發(fā)展1. . 人的感知能力人的感知能力眼、耳、鼻、舌、皮膚是人類感知外部眼、耳、鼻、舌、皮膚是人類感知外部物理世界的重要感官物理世界的重要感官隨著人類對外部世界的改造，對未知領(lǐng)隨著人類對外部世界的改造，對未知領(lǐng)域與空間的拓展，

2、人類需要的信息來源、域與空間的拓展，人類需要的信息來源、種類、數(shù)量、精度不斷增加，對信息獲種類、數(shù)量、精度不斷增加，對信息獲取的手段也提出了更高的要求，而傳感取的手段也提出了更高的要求，而傳感器是能夠滿足人類對各種信息感知需求器是能夠滿足人類對各種信息感知需求的主要工具的主要工具4Nankai University2傳感器的基本概念傳感器的基本概念 傳感器（傳感器（sensor）是由）是由敏感元件敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成的一和轉(zhuǎn)換元件組成的一種檢測裝置，能感受到被測量，并能將檢測和感受到種檢測裝置，能感受到被測量，并能將檢測和感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號（電壓、電流、的信息，按一定規(guī)律

3、變換成為電信號（電壓、電流、頻率或相位）輸出，以滿足感知信息的傳輸、處理、頻率或相位）輸出，以滿足感知信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制的要求。存儲、顯示、記錄和控制的要求。 傳感器結(jié)構(gòu)傳感器結(jié)構(gòu)與工作原理與工作原理示意圖示意圖5Nankai University3.1.2 傳感器的分類傳感器的分類傳感器分類的基本方法傳感器分類的基本方法： 根據(jù)傳感器功能分類根據(jù)傳感器功能分類 根據(jù)傳感器工作原理分類根據(jù)傳感器工作原理分類 根據(jù)傳感器感知的對象分類根據(jù)傳感器感知的對象分類 根據(jù)傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域分類根據(jù)傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域分類6Nankai University 常用物理傳感器常用物理傳感器

4、與化學(xué)傳感器與化學(xué)傳感器7Nankai University3.1.3 物理傳感器物理傳感器1. 物理傳感器物理傳感器物理傳感器的原理是利用力、熱、聲、物理傳感器的原理是利用力、熱、聲、光、電、磁、射線等物理效應(yīng)，將被測光、電、磁、射線等物理效應(yīng)，將被測信號量的微小變化轉(zhuǎn)換成電信號信號量的微小變化轉(zhuǎn)換成電信號物理傳感器可以進(jìn)一步分為：力傳感器、物理傳感器可以進(jìn)一步分為：力傳感器、熱傳感器、聲傳感器、光傳感器、電傳熱傳感器、聲傳感器、光傳感器、電傳感器、磁傳感器與射線傳感器等感器、磁傳感器與射線傳感器等7類類8Nankai University（1）力傳感器）力傳感器 力傳感器是能感受外力并將其

5、轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的力傳感器是能感受外力并將其轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的傳感器。力傳感器的種類繁多，常用的力與壓力傳感器。力傳感器的種類繁多，常用的力與壓力傳感傳感器器有有電阻電阻應(yīng)變式、半導(dǎo)體應(yīng)變式、壓阻式、電感式、應(yīng)變式、半導(dǎo)體應(yīng)變式、壓阻式、電感式、電容式、諧振式壓力傳感器，以及光纖壓力傳感器等電容式、諧振式壓力傳感器，以及光纖壓力傳感器等 用金屬應(yīng)變絲作為敏感元件的壓力傳感器原理示意圖用金屬應(yīng)變絲作為敏感元件的壓力傳感器原理示意圖9Nankai University 不同用途的不同用途的 力傳感器力傳感器10Nankai University（2）溫度傳感器）溫度傳感器（3）聲傳感器）聲傳感

6、器11Nankai University（4）光傳感器）光傳感器 圖像傳感器圖像傳感器 光纖傳感器光纖傳感器12Nankai University分布式光纖傳感系統(tǒng)分布式光纖傳感系統(tǒng) 分布式光纖傳感系統(tǒng)利用光纖作為傳感敏感元件和傳分布式光纖傳感系統(tǒng)利用光纖作為傳感敏感元件和傳輸信號介質(zhì)，探測出沿著光纖不同位置的溫度和應(yīng)變輸信號介質(zhì)，探測出沿著光纖不同位置的溫度和應(yīng)變的變化，實(shí)現(xiàn)分布、自動、實(shí)時、連續(xù)、精確的測量。的變化，實(shí)現(xiàn)分布、自動、實(shí)時、連續(xù)、精確的測量。 分布式光纖傳感系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域包括：分布式光纖傳感系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域包括： 智能電網(wǎng)的電力智能電網(wǎng)的電力電纜電纜表面溫度檢測、事故點(diǎn)定位表面溫度

7、檢測、事故點(diǎn)定位 發(fā)電廠和變電站的溫度監(jiān)測、故障點(diǎn)檢測和報警發(fā)電廠和變電站的溫度監(jiān)測、故障點(diǎn)檢測和報警 水庫大壩、河堤安全與滲漏監(jiān)測水庫大壩、河堤安全與滲漏監(jiān)測 橋梁與高層建筑結(jié)構(gòu)安全性監(jiān)測橋梁與高層建筑結(jié)構(gòu)安全性監(jiān)測 公路、地鐵、隧道地質(zhì)狀況的監(jiān)測公路、地鐵、隧道地質(zhì)狀況的監(jiān)測 分布光纖溫度傳感系統(tǒng)可以在易燃、易爆的環(huán)境下同分布光纖溫度傳感系統(tǒng)可以在易燃、易爆的環(huán)境下同時測量上萬個點(diǎn)，可以對每個溫度測量點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時測時測量上萬個點(diǎn)，可以對每個溫度測量點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時測量與定位量與定位13Nankai University（5）電傳感器）電傳感器 電傳感器可以分為：電阻式、電容式、電感式傳感器電傳感器

8、可以分為：電阻式、電容式、電感式傳感器 電阻式傳感器利用變阻器將非電量轉(zhuǎn)換成電阻信號的電阻式傳感器利用變阻器將非電量轉(zhuǎn)換成電阻信號的原理制成的。電阻式傳感器主要用于位移、壓力、應(yīng)原理制成的。電阻式傳感器主要用于位移、壓力、應(yīng)變、力矩、氣流流速、液面與液體流量等參數(shù)的測量變、力矩、氣流流速、液面與液體流量等參數(shù)的測量 電容式是利用改變電容器的幾何尺寸或介質(zhì)參數(shù)，來電容式是利用改變電容器的幾何尺寸或介質(zhì)參數(shù)，來使電容量變化的原理制成的。電容式傳感器主要用于使電容量變化的原理制成的。電容式傳感器主要用于壓力、位移、液面、厚度、水分含量等參數(shù)的測量壓力、位移、液面、厚度、水分含量等參數(shù)的測量 電感式是

9、利用改變電感磁路的幾何尺寸或磁體位置，電感式是利用改變電感磁路的幾何尺寸或磁體位置，來使電感或互感量變化的原理制成的來使電感或互感量變化的原理制成的，主要用于壓力、主要用于壓力、位移、力、振動、加速度等參數(shù)的測量。位移、力、振動、加速度等參數(shù)的測量。14Nankai University（6）磁傳感器）磁傳感器 磁傳感器是最古老的傳感器，指南針是磁傳感磁傳感器是最古老的傳感器，指南針是磁傳感器的最早的一種應(yīng)用器的最早的一種應(yīng)用 磁傳感器將磁信號轉(zhuǎn)化成為電信號輸出磁傳感器將磁信號轉(zhuǎn)化成為電信號輸出 磁電式傳感器目前已經(jīng)被高性能磁敏感材料的磁電式傳感器目前已經(jīng)被高性能磁敏感材料的新型磁傳感器所替代

10、新型磁傳感器所替代15Nankai University（7）射線傳感器）射線傳感器 射線傳感器是將射線強(qiáng)度轉(zhuǎn)換出可輸出的電信射線傳感器是將射線強(qiáng)度轉(zhuǎn)換出可輸出的電信號的傳感器號的傳感器 射線傳感器可以分為：射線傳感器可以分為：X射線傳感器、射線傳感器、射線傳射線傳感器、感器、射線傳感器、輻射劑量傳感器射線傳感器、輻射劑量傳感器 射線傳感器已經(jīng)在環(huán)境保護(hù)、醫(yī)療衛(wèi)生、科學(xué)射線傳感器已經(jīng)在環(huán)境保護(hù)、醫(yī)療衛(wèi)生、科學(xué)研究與安全保護(hù)領(lǐng)域廣泛使用研究與安全保護(hù)領(lǐng)域廣泛使用16Nankai University3.1.4 化學(xué)傳感器化學(xué)傳感器 化學(xué)傳感器可以將化學(xué)吸附、電化學(xué)反應(yīng)過程中被測化學(xué)傳感器可以將化

11、學(xué)吸附、電化學(xué)反應(yīng)過程中被測信號的微小變化轉(zhuǎn)換成電信號的一類傳感器信號的微小變化轉(zhuǎn)換成電信號的一類傳感器 按傳感方式的不同，可分為按傳感方式的不同，可分為： 接觸式化學(xué)傳感器接觸式化學(xué)傳感器 非接觸式化學(xué)傳感器非接觸式化學(xué)傳感器 按結(jié)構(gòu)形式的不同，可以分為按結(jié)構(gòu)形式的不同，可以分為： 分離型化學(xué)傳感器分離型化學(xué)傳感器 組裝一體化化學(xué)傳感器組裝一體化化學(xué)傳感器 按檢測對象的不同，可以分為按檢測對象的不同，可以分為： 氣體傳感器氣體傳感器 離子傳感器離子傳感器 濕度傳感器濕度傳感器 17Nankai University3.1.5 生物傳感器生物傳感器 生物傳感器是由生物敏感元件和信號傳導(dǎo)器組成生

12、物傳感器是由生物敏感元件和信號傳導(dǎo)器組成 生物敏感元件可以是生物體、組織、細(xì)胞、酶、核酸或生物敏感元件可以是生物體、組織、細(xì)胞、酶、核酸或有機(jī)物分子有機(jī)物分子 不同的生物元件對于光強(qiáng)度、熱量、聲強(qiáng)度、壓力有不不同的生物元件對于光強(qiáng)度、熱量、聲強(qiáng)度、壓力有不同的感應(yīng)特性同的感應(yīng)特性18生物傳感器的分類生物傳感器的分類Nankai University3.1.6 傳感器性能指標(biāo)傳感器性能指標(biāo) 線性度線性度 靈敏度靈敏度 分辨率分辨率 遲滯遲滯 重復(fù)性重復(fù)性 漂移漂移 測量范圍測量范圍 精度精度19Nankai University3.2 智能傳感器與無線傳感器的發(fā)展智能傳感器與無線傳感器的發(fā)展3.

13、2.1 智能傳感器的發(fā)展智能傳感器的發(fā)展智能傳感器的特點(diǎn)智能傳感器的特點(diǎn)： 自學(xué)習(xí)、自診斷與自補(bǔ)償能力自學(xué)習(xí)、自診斷與自補(bǔ)償能力 復(fù)合感知能力復(fù)合感知能力 靈活的通信能力靈活的通信能力智能傳感器的發(fā)展為傳感器技術(shù)的智能傳感器的發(fā)展為傳感器技術(shù)的研究提出了很多富有挑戰(zhàn)性的課題研究提出了很多富有挑戰(zhàn)性的課題20Nankai University3.2.2 微機(jī)電系統(tǒng)對智能傳感器發(fā)展的影響微機(jī)電系統(tǒng)對智能傳感器發(fā)展的影響微機(jī)電系統(tǒng)的基本概念微機(jī)電系統(tǒng)的基本概念 微機(jī)電系統(tǒng)（微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）是指集微型機(jī)構(gòu)、微型傳感器、）是指集微型機(jī)構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號處理和控制電路，直至接口、通微

14、型執(zhí)行器以及信號處理和控制電路，直至接口、通信和電源等于一體的微型器件或系統(tǒng)信和電源等于一體的微型器件或系統(tǒng) MEMS為傳感器微型化、智能化與網(wǎng)絡(luò)化的實(shí)現(xiàn)提供為傳感器微型化、智能化與網(wǎng)絡(luò)化的實(shí)現(xiàn)提供了技術(shù)支持，也為智能傳感器應(yīng)用與產(chǎn)業(yè)發(fā)展拓展了了技術(shù)支持，也為智能傳感器應(yīng)用與產(chǎn)業(yè)發(fā)展拓展了新的空間新的空間 MEMS是在微電子技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的多學(xué)科交叉是在微電子技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的多學(xué)科交叉的新興學(xué)科，它以微電子及機(jī)械加工技術(shù)為依托，研的新興學(xué)科，它以微電子及機(jī)械加工技術(shù)為依托，研究涉及微電子學(xué)、機(jī)械學(xué)、力學(xué)、自動控制科學(xué)、材究涉及微電子學(xué)、機(jī)械學(xué)、力學(xué)、自動控制科學(xué)、材料科學(xué)等多個學(xué)科料科

15、學(xué)等多個學(xué)科21Nankai University 用用MEMS技術(shù)制造的微型傳感器技術(shù)制造的微型傳感器22Nankai University3.2.3 無線傳感器的研究無線傳感器的研究 UGS的無線傳感器外形與應(yīng)用的無線傳感器外形與應(yīng)用23Nankai University3.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)3.3.1 從無線分組網(wǎng)到無線自組網(wǎng)從無線分組網(wǎng)到無線自組網(wǎng)1. 無線分組網(wǎng)的研究無線分組網(wǎng)的研究IEEE將無線自組網(wǎng)定義為一種特殊的自組織、對等將無線自組網(wǎng)定義為一種特殊的自組織、對等式、多跳、無線移動網(wǎng)絡(luò)（式、多跳、無線移動網(wǎng)絡(luò)（MANET），它是在無線），它是在無線分組網(wǎng)的基礎(chǔ)上發(fā)

16、展起來的分組網(wǎng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的無線自組網(wǎng)有多個英文名稱，如無線自組網(wǎng)有多個英文名稱，如Ad hoc network 、Self-organizing network、Infrastructureless network 與與Multi-hop network1991年年5月，月，IEEE正式采用正式采用“Ad hoc網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)”術(shù)語術(shù)語Ad hoc在英語中的含義是在英語中的含義是“for the specific purpose only”，即，即“專門為某個特定目的、即興的、事先未專門為某個特定目的、即興的、事先未準(zhǔn)備的準(zhǔn)備的”意思意思24Nankai University2. 無線自組網(wǎng)的

17、基本概念無線自組網(wǎng)的基本概念 Ad hoc網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò) 物理結(jié)構(gòu)與物理結(jié)構(gòu)與 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)25Nankai UniversityAd hoc網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn): 自組織與獨(dú)立組網(wǎng)自組織與獨(dú)立組網(wǎng) 無中心無中心 多跳路由多跳路由 動態(tài)拓?fù)鋭討B(tài)拓?fù)?無線傳輸?shù)木窒夼c節(jié)點(diǎn)能量的限制性無線傳輸?shù)木窒夼c節(jié)點(diǎn)能量的限制性 網(wǎng)絡(luò)生存時間的限制網(wǎng)絡(luò)生存時間的限制Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的主要應(yīng)用領(lǐng)域網(wǎng)絡(luò)的主要應(yīng)用領(lǐng)域: 軍事領(lǐng)域軍事領(lǐng)域 民用領(lǐng)域民用領(lǐng)域26Nankai University3.3.2 從無線自組網(wǎng)到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)從無線自組網(wǎng)到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)1. LWIM 與與WINS無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究無線傳感器

18、網(wǎng)絡(luò)的研究LWIM 與與WINS無線傳感器節(jié)點(diǎn)無線傳感器節(jié)點(diǎn)27Nankai University2. 智能塵埃項(xiàng)目的研究智能塵埃項(xiàng)目的研究 智能塵埃智能塵埃(Smart Dust)項(xiàng)目研究的目標(biāo)是通過項(xiàng)目研究的目標(biāo)是通過MEMS技術(shù)，實(shí)現(xiàn)傳感、計(jì)算與通信能力的集技術(shù)，實(shí)現(xiàn)傳感、計(jì)算與通信能力的集成，用智能傳感器技術(shù)去增強(qiáng)微型機(jī)器人的環(huán)成，用智能傳感器技術(shù)去增強(qiáng)微型機(jī)器人的環(huán)境感知與智慧處理能力境感知與智慧處理能力 各種智能塵埃節(jié)點(diǎn)各種智能塵埃節(jié)點(diǎn)28Nankai University 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的過程無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的過程29Nankai University3.3.3 無

19、線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)與結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)與結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn): : 網(wǎng)絡(luò)規(guī)模網(wǎng)絡(luò)規(guī)模 自組織網(wǎng)絡(luò)自組織網(wǎng)絡(luò) 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動態(tài)變化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動態(tài)變化 以數(shù)據(jù)為中心以數(shù)據(jù)為中心30Nankai University無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)類型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)類型: : 傳感器節(jié)點(diǎn)傳感器節(jié)點(diǎn) 匯聚節(jié)點(diǎn)匯聚節(jié)點(diǎn) 管理節(jié)點(diǎn)管理節(jié)點(diǎn)31Nankai University電源能量對無線傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的限制電源能量對無線傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的限制 無線傳感器節(jié)點(diǎn)通常是一個微型的嵌入式系統(tǒng)，無線傳感器節(jié)點(diǎn)通常是一個微型的嵌入式系統(tǒng)，它的處理能力、存儲能力

20、和通信能力相對較弱，它的處理能力、存儲能力和通信能力相對較弱，通過自身攜帶的能量有限的電池（鈕扣電池或通過自身攜帶的能量有限的電池（鈕扣電池或干電池）供電干電池）供電 匯聚節(jié)點(diǎn)既可以是一個具有增強(qiáng)功能的傳感器匯聚節(jié)點(diǎn)既可以是一個具有增強(qiáng)功能的傳感器節(jié)點(diǎn)，有足夠的能量提供給更多的內(nèi)存與計(jì)算節(jié)點(diǎn)，有足夠的能量提供給更多的內(nèi)存與計(jì)算資源，也可以是沒有監(jiān)測功能僅帶有無線通信資源，也可以是沒有監(jiān)測功能僅帶有無線通信接口的特殊網(wǎng)關(guān)設(shè)備接口的特殊網(wǎng)關(guān)設(shè)備32Nankai University 基于功能的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型基于功能的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型33Nankai University3.3.4 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)研究 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的主要內(nèi)容無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的主要內(nèi)容34Nankai University3.3.5 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議與標(biāo)準(zhǔn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議與標(biāo)準(zhǔn)*1. 無線局域網(wǎng)與標(biāo)準(zhǔn)無線局域網(wǎng)與標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議層次結(jié)構(gòu)模型協(xié)議層次結(jié)構(gòu)模型35Nankai University 節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)幀過程節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)幀過程36Nankai Un