物聯(lián)網(wǎng)概論第3章-物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)課件

1、物聯(lián)網(wǎng)概論2019年10月第三章 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ) 目 錄3.1 傳感器技術(shù) 3.2 常用傳感器物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ) 3.3 MEMS技術(shù) 3.4 無線傳感網(wǎng)絡(luò) 3.5 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)目 錄3.6 自動(dòng)識(shí)別技術(shù) 3.7 定位技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)43.1 傳感器技術(shù)傳感器和人們的日常生活密切相關(guān)傳感器具有的社會(huì)意義傳感器在經(jīng)濟(jì)建設(shè)中占據(jù)重要地位53.1 傳感器技術(shù) 隨著住房私有化和住宅小區(qū)管理的推廣，供熱系統(tǒng)的規(guī)范化管理逐漸成為必需解決的重要問題，計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大和相應(yīng)外圍設(shè)備的不斷完善為供熱系統(tǒng)的自動(dòng)化管理創(chuàng)造了條件。利用溫度采集器對(duì)用戶環(huán)境進(jìn)行溫度采樣，并記錄到數(shù)據(jù)庫中作為收費(fèi)依據(jù)，對(duì)于閑置和不

2、需供熱的房間自動(dòng)關(guān)閉，并采用了計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程管理技術(shù)，大大提高了供熱系統(tǒng)的自動(dòng)化程度。傳感器在日常生活中的應(yīng)用 車用傳感器是汽車電子設(shè)備的重要組成部分，擔(dān)負(fù)著信息收集的任務(wù)，在汽車電噴發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)、自動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)中，溫度是需測(cè)量和控制的重要參數(shù)之一，發(fā)動(dòng)機(jī)熱狀態(tài)的測(cè)量、氣體及液體溫度的測(cè)量，都需要溫度傳感器來完成。車用傳感器是汽車計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的輸入裝置，它把汽車運(yùn)行中各種工況信息，如車速、各種介質(zhì)的溫度、發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)工況等，轉(zhuǎn)化成電訊號(hào)輸給計(jì)算機(jī)，以便發(fā)動(dòng)機(jī)處于最佳工作狀態(tài)。因而車用溫度傳感器是必不可少的。 63.1 傳感器技術(shù) 利用適當(dāng)?shù)膫鞲衅?，例如：壓電傳感器、加速度傳感器、超聲傳感器、濕度傳感器等?/p>

3、可以有效的建立一個(gè)三維立體的防護(hù)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。該系統(tǒng)可以用于監(jiān)測(cè)橋梁、高架橋、高速公路等道路環(huán)境。對(duì)許多老舊的橋梁、橋墩長期受到水流的沖刷，傳感器能夠放置在橋墩底部，用以感測(cè)橋墩的結(jié)構(gòu)、橋墩被腐蝕情況等；也可以放置在橋梁兩側(cè)，搜集橋梁的溫度、濕度、震動(dòng)幅度等。有效減少斷橋造成的生命財(cái)產(chǎn)損失。三峽大壩里一共埋設(shè)了萬余臺(tái)/只檢測(cè)儀器和傳感器，這些“眼睛”時(shí)刻監(jiān)測(cè)三峽大壩是否穩(wěn)定，有無沉降。 傳感器在經(jīng)濟(jì)建設(shè)中的應(yīng)用73.1 傳感器技術(shù) 盡管21世紀(jì)的人們并沒有實(shí)現(xiàn)科幻小說中的某些預(yù)言。然而更為奇妙的場(chǎng)景很快便會(huì)成為現(xiàn)實(shí)：只需一臺(tái)電腦和若干傳感器，一切盡在掌控之中。你可以一邊從個(gè)人pc中調(diào)控欣賞在平面電

4、視上播放的影片，一邊控制烤箱的溫度，等待享受美味的下午茶，同時(shí)密切地監(jiān)控與了解一切需要關(guān)注的信息：工作室里機(jī)器的運(yùn)行，實(shí)驗(yàn)室里研究的進(jìn)度，家中飲用水的成分和空氣中或許可能出現(xiàn)有毒物質(zhì)的示警，酒窖里不同位置的溫度與濕度，私家公路的燈光調(diào)控，各類儀表的數(shù)據(jù)變更不會(huì)再有過火而敗味的美食，更不會(huì)有小鬼當(dāng)家中入室的匪徒，火災(zāi)和毒氣泄漏都將最大程度地被防止，博物館的館長則不再擔(dān)驚受怕地憂慮古董名畫的命運(yùn)。 83.1 傳感器技術(shù) 傳感器的定義 傳感器的分類 傳感器的應(yīng)用 93.1傳感器的定義 傳感器（Sensor）的定義：國家標(biāo)準(zhǔn)GB 7665-87定義：傳感器（Transducer/Sensor）為能感受

5、規(guī)定的被測(cè)量并按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)輸出的器材或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。 半導(dǎo)體敏感元器件可以直接輸出電信號(hào)，本身就構(gòu)成傳感器！103.1.1傳感器的組成與結(jié)構(gòu) 傳感器的組成 113.1.1傳感器的組成與結(jié)構(gòu) 傳感器的組成 敏感元件 直接感受被測(cè)量，并輸出與被測(cè)量成確定關(guān)系的某種物理量的元件。轉(zhuǎn)換元件 以敏感元件的輸出為輸入，將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。 變換電路 將電路參數(shù)接入轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換為電量輸出。 123.1.1傳感器的組成與結(jié)構(gòu) 傳感器的結(jié)構(gòu)形式 傳感器結(jié)構(gòu)取決于其設(shè)計(jì)思想；而傳感器設(shè)計(jì)的一個(gè)重點(diǎn)是信號(hào)選擇方式，把所選信號(hào)的某方面性能在結(jié)構(gòu)上具體化，以實(shí)現(xiàn)傳感器的功能。 13

6、3.1.1傳感器的組成與結(jié)構(gòu) 傳感器的結(jié)構(gòu)形式 選擇固定信號(hào)方式的傳感器直接結(jié)構(gòu)選擇補(bǔ)償信號(hào)方式的傳感器補(bǔ)償結(jié)構(gòu) 選擇差動(dòng)式信號(hào)方式的傳感器差動(dòng)結(jié)構(gòu) 選擇平均信號(hào)方式的傳感器平均結(jié)構(gòu) 選擇平衡信號(hào)方式的傳感器閉環(huán)結(jié)構(gòu) 143.1.2 傳感器的分類常將傳感器的功能和人類的5大器官相比較：光敏傳感器視覺聲敏傳感器聽覺氣敏傳感器嗅覺化學(xué)傳感器味覺壓敏、溫敏、流體傳感器觸覺153.1.2傳感器的分類熱敏元件按感測(cè)元器件分類力敏元件光敏元件磁敏元件氣敏元件色敏元件163.1.2傳感器的分類 磁敏傳感器，是感知磁性物體的存在或者磁性強(qiáng)度(在有效范圍內(nèi))這些磁性材料除永磁體外，還包括順磁材料(鐵、鈷、 鎳及

7、其它們的合金)當(dāng)然也可包括感知通電(直、交)線包或?qū)Ь€周圍的磁場(chǎng)。 磁敏傳感器中，霍爾元件及霍爾傳感器的生產(chǎn)量是最大的。它主要用于無刷直流電機(jī)（霍爾電機(jī)）中，這種電機(jī)用于磁帶錄音機(jī)、錄像機(jī)、XY記錄儀、打印機(jī)、電唱機(jī)及儀器中的通風(fēng)風(fēng)扇等。另外，霍爾元件及霍爾傳感器還用于測(cè)轉(zhuǎn)速、流量、流速及利用它制成高斯計(jì)、電流計(jì)、功率計(jì)等儀器。下圖給出的是磁敏角度傳感器。 173.1.2傳感器的分類物理類：基于力、熱、光、電、磁和聲等物理效應(yīng)?；瘜W(xué)類：基于化學(xué)反應(yīng)的原理。生物類：基于酶、抗體和激素等分子識(shí)別功能。按感知外界的原理183.1.2傳感器的分類 日本制成多功能生物傳感器，能測(cè)定血液和尿中的各種物質(zhì)，

8、如糖、蛋白質(zhì)和膽固醇等。英國科學(xué)家研制一種如同一支鋼筆大小的酶?jìng)鞲衅?。它可在瞬間測(cè)出汽車駕駛員血液中的酒精含量，大大方便了警察的執(zhí)法。日本九州大學(xué)的科研人員研制出比人的舌頭還要靈敏10倍的味覺傳感器。利用傳感器產(chǎn)生不同的電位差，從電位差的變化可了解產(chǎn)生味道的濃度。193.1.2傳感器的分類機(jī)械量：如位移、力、加速度等熱工量：如溫度、熱量、流量、液位等物理參量：濃度、密度、酸堿度等按被測(cè)量類型分類狀態(tài)參量：偏差、裂紋、磨損等203.1.2傳感器的分類 Intel公司研制家庭護(hù)理的無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，用于對(duì)人體行為進(jìn)行模式監(jiān)測(cè)，如：坐、站、躺、行走、跌倒、爬行等。該系統(tǒng)在人體的特征部位安裝多個(gè)傳感器

9、，系統(tǒng)實(shí)時(shí)的把人體因行動(dòng)而產(chǎn)生的三維加速度信息進(jìn)行提取、融合、分類，進(jìn)而監(jiān)控受監(jiān)測(cè)人的行為模式。213.1.2傳感器的分類結(jié)構(gòu)型：通過傳感器結(jié)構(gòu)參量的變化實(shí)現(xiàn)信號(hào)變換物性型：利用敏感元件材料本身的物性變化來實(shí)現(xiàn)信號(hào)的變換。 按被信號(hào)轉(zhuǎn)換特征分類223.1.2傳感器的分類 壓電效應(yīng)傳感器- 是一種自發(fā)電式機(jī)電轉(zhuǎn)換式傳感器。它的敏感元件由壓電材料制成。壓電材料受力后表面產(chǎn)生電荷。此電荷經(jīng)電荷放大器和測(cè)量電路放大和變換阻抗后就成為正比于所受外力的電量輸出。壓電式傳感器用于測(cè)量力和能變換為力的非電物理量。優(yōu)點(diǎn)是頻帶寬、靈敏度高、信噪比高、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠和重量輕等。缺點(diǎn)是某些壓電材料需要防潮措施，而

10、且輸出的直流響應(yīng)差，需要采用高輸入阻抗電路或電荷放大器來克服這一缺陷。 233.1.2傳感器的分類能量轉(zhuǎn)換型：傳感器直接由被測(cè)對(duì)象輸入能量使其工作 按能量關(guān)系分類能量控制型：傳感器從外部獲得能量使其工作，由被測(cè)量的變化控制外部供給能量的變化。 243.1.2傳感器的分類 電學(xué)式傳感器按工作原理分類 磁學(xué)式傳感器 光電式傳感器電勢(shì)型傳感器 電荷傳感器253.1.2傳感器的分類 光化學(xué)傳感器是近年發(fā)展起來的一種新型微量和痕量分析技術(shù)，它把特定的化學(xué)物質(zhì)的種類和濃度變成電信號(hào)來表示的功能元件。主要是利用光敏感材料與被測(cè)物質(zhì)中的分子、離子或生物物質(zhì)相互接觸時(shí)直接或間接地引起電極電勢(shì)等電信號(hào)的變化 ,使

11、很少的化學(xué)物質(zhì)加入體系后 ,會(huì)有放大了許多倍的信號(hào)被檢出 ,以獲得某種化學(xué)物質(zhì)的濃度。目前,化學(xué)傳感器的研究受到了廣泛的關(guān)注,其靈敏度非常高 ,選擇性好,攜帶方便,易微型化,能用于現(xiàn)場(chǎng)分析和監(jiān)控等。因此在礦山開發(fā)、石油化工、生物醫(yī)學(xué)及日常生活中越來越多的被用來作為易燃,易爆,有毒,有害氣體的檢測(cè)預(yù)報(bào)和自動(dòng)控制裝置,或用來測(cè)定多種含量極低的物質(zhì),甚至可以測(cè)量細(xì)胞中的離子濃度。醫(yī)學(xué)上采用化學(xué)傳感器作病情診斷及治療過程的自動(dòng)控制。263.1.2 傳感器的分類 美國加州大學(xué)圣迭戈分校的研究人員研發(fā)出了一種可應(yīng)用于手機(jī)上的微型化學(xué)傳感器，借助手機(jī)或其他無線通訊設(shè)備，這種被稱為“硅鼻”的傳感器可檢測(cè)出空氣

12、中的有害氣體，并自動(dòng)發(fā)出氣體的種類和傳播范圍等信息。其原理是在具有納米孔的硅芯片上集成數(shù)百個(gè)獨(dú)立的微型傳感器，可辨別出特定的有毒氣體分子并作出反應(yīng)。273.1.2傳感器的分類膺數(shù)字傳感器：將被測(cè)量的信號(hào)量轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)或短周期信號(hào)輸出（包括直接或間接轉(zhuǎn)換）。 按輸出信號(hào)分類模擬傳感器:將被測(cè)量的非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成模擬電信號(hào)。數(shù)字傳感器：將被測(cè)量的非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸出信號(hào)（包括直接和間接轉(zhuǎn)換）。 開關(guān)傳感器：當(dāng)一個(gè)被測(cè)量的信號(hào)達(dá)到某個(gè)特定的閾值時(shí)傳感器相應(yīng)地輸出一個(gè)設(shè)定的低電平或高電平信號(hào)。 283.1.3 傳感器的綜合應(yīng)用在汽車行業(yè)的應(yīng)用293.1.3 傳感器的綜合應(yīng)用在現(xiàn)代工業(yè)上的應(yīng)用 現(xiàn)代工

13、業(yè)生產(chǎn)尤其是自動(dòng)化生產(chǎn)過程中，要用各種傳感器來監(jiān)視和控制生產(chǎn)過程中的各種參數(shù)，使設(shè)備工作在最佳或正常狀態(tài)，并使產(chǎn)品達(dá)到質(zhì)量要求。 鋼鐵企業(yè)應(yīng)用各種傳感器和通信網(wǎng)絡(luò)，在生產(chǎn)過程中實(shí)現(xiàn)對(duì)加工產(chǎn)品的寬度、厚度、溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而提高了產(chǎn)品質(zhì)量，優(yōu)化了生產(chǎn)流程。 303.1.3 傳感器的應(yīng)用在家用電器領(lǐng)域的應(yīng)用 如全自動(dòng)洗衣機(jī)、電飯煲和微波爐等都離不開傳感器。醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域，電子脈博儀、體溫計(jì)、醫(yī)用呼吸機(jī)、超聲波診斷儀、斷層掃描（CT）及核磁共振診斷設(shè)備等，都大量地使用了各種各樣的傳感技術(shù)。 溫度傳感器廣泛應(yīng)用于室內(nèi)空調(diào)、電冰箱和微波爐等家用電器中，它是利用熱敏電阻的阻值隨溫度變化而變化的特性工作的.

14、 313.1.3 傳感器的應(yīng)用在軍事國防領(lǐng)域的應(yīng)用 在軍事國防領(lǐng)域，各種偵測(cè)設(shè)備，紅外夜視探測(cè)，雷達(dá)跟蹤、武器精確制導(dǎo)等，沒有傳感器是難以實(shí)現(xiàn)的。 目前每架軍用飛機(jī)需 20多種力學(xué)量傳感器，對(duì)操縱桿拉力、起落著陸沖擊力、發(fā)動(dòng)機(jī)的推動(dòng)力、救生裝置彈射力、進(jìn)氣管壓力場(chǎng)分布及動(dòng)態(tài)中各種壓力、振動(dòng)、加速度、角加速度、位移等參量的測(cè)量，還要對(duì)過載和燃油密度及飛行員呼吸的流量等參數(shù)的測(cè)量，檢測(cè)機(jī)艙內(nèi)含氧量、艙內(nèi)煙霧報(bào)警、機(jī)載火控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、隱型用傳感器等。 323.1.3 傳感器的應(yīng)用在航天領(lǐng)域的應(yīng)用 在航空航天領(lǐng)域，空中管制、導(dǎo)航、飛機(jī)的飛行管理和自動(dòng)駕駛著陸系統(tǒng)等，都需要大量的傳感器。人造衛(wèi)星的遙感遙

15、測(cè)等都與傳感器緊密相關(guān)。 “阿波羅10”的運(yùn)載火箭部分，檢測(cè)加速度、聲學(xué)、溫度、壓力、振動(dòng)、流量、應(yīng)變等參數(shù)的傳感器共有2077個(gè)，宇宙飛船部分共有各種傳感器1218個(gè)。333.2 常用傳感器(一)溫度傳感器343.2 常用傳感器(二)濕度傳感器353.2 常用傳感器(三)電感式傳感器 利用電磁感應(yīng)將被測(cè)的物理量如位移、壓力、流量、振動(dòng)等轉(zhuǎn)換成線圈的自感系數(shù)和互感系數(shù)的變化，再由電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量輸出，實(shí)現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)換 363.2 常用傳感器(四)壓力傳感器 利用傳感器件在受外部壓力時(shí)產(chǎn)生一定的內(nèi)部結(jié)構(gòu)變形或位移，轉(zhuǎn)化為電特性的改變，產(chǎn)生相應(yīng)的電信號(hào)，此即壓電效應(yīng)，故亦稱壓電傳

16、感器。 373.2 常用傳感器(五)光傳感器 光敏電阻利用材料電阻率的光敏性來進(jìn)行光探測(cè)。光電傳感器則采用光電元件作為檢測(cè)元件，它先將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化，再利用光電元件將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。 383.2 常用傳感器(六)光柵式傳感器 光柵式傳感器也是光電效應(yīng)傳感器，受光照后產(chǎn)生光電效應(yīng)，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。 393.2 常用傳感器(七)霍爾（磁性）傳感器 霍爾傳感器是利用霍爾效應(yīng)制成的一種磁性傳感器?；魻栃?yīng)如圖3-16：將一個(gè)金屬或半導(dǎo)體材料薄片置于磁場(chǎng)中，當(dāng)有電流通過時(shí)，由于形成電流的電子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)而受到磁場(chǎng)力的作用力，會(huì)使材料中產(chǎn)生與電流方向垂直的電壓差?？赏ㄟ^測(cè)量霍

17、爾傳感器產(chǎn)生的電壓大小來計(jì)算磁場(chǎng)強(qiáng)度。403.2 常用傳感器(七)化學(xué)傳感器 化學(xué)傳感器是指對(duì)各種化學(xué)物質(zhì)敏感并將其濃度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的傳感器。如CO、CO2、O2、H2S傳感器、PH值傳感器、酒精濃度傳感器等。 413.2 常用傳感器(八)化學(xué)傳感器 化學(xué)傳感器是指對(duì)各種化學(xué)物質(zhì)敏感并將其濃度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的傳感器。如CO、CO2、O2、H2S傳感器、PH值傳感器、酒精濃度傳感器等。 423.2 常用傳感器(九)生物傳感器 以被測(cè)目標(biāo)與分子識(shí)別元件的相互作用方式進(jìn)行分類有生物親合型生物傳感器（affinitybiosensor）等 433.2 常用傳感器(十)微波傳感器 由發(fā)射天線發(fā)出的微波，遇

18、到被測(cè)物體時(shí)將被吸收或反射，使功率變化；再利用接收天線接收通過被測(cè)物體或由其反射回的微波，將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再經(jīng)測(cè)量電路就實(shí)現(xiàn)了微波檢測(cè)。 443.2 常用傳感器(十一)超聲波傳感器 由發(fā)射天線發(fā)出的微波，遇到被測(cè)物體時(shí)將被吸收或反射，使功率變化；再利用接收天線接收通過被測(cè)物體或由其反射回的微波，將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再經(jīng)測(cè)量電路就實(shí)現(xiàn)了微波檢測(cè)。 453.2 常用傳感器(十二)MEMS陀螺儀傳感器 MEMS陀螺中沒有機(jī)械旋轉(zhuǎn)器件，它主要利用振動(dòng)來誘導(dǎo)和探測(cè)哥里奧利力，利用哥氏加速度對(duì)振動(dòng)質(zhì)量塊的作用來檢測(cè)慣性轉(zhuǎn)動(dòng)。如物體在圓盤上無徑向運(yùn)動(dòng)，哥氏力不會(huì)產(chǎn)生。故在MEMS陀螺儀中，用質(zhì)量塊來回做徑向

19、運(yùn)動(dòng)或振蕩，與此對(duì)應(yīng)的哥氏力就不停地在橫向來回變化。 463.2 常用傳感器(十三)多功能傳感器 多功能傳感器包含多個(gè)敏感元件，體積小巧且多種功能兼?zhèn)洌柚煌舾性胁煌奈锢斫Y(jié)構(gòu)或化學(xué)物質(zhì)及其各不相同的表征方式，用一個(gè)傳感器系統(tǒng)來同時(shí)實(shí)現(xiàn)多對(duì)象傳感功能。 473.2 常用傳感器(十四)智能傳感器 智能傳感器（intelligent sensor或smart sensor）具有綜合采集、處理與交換信息的能力，是傳感器與微處理機(jī)相結(jié)合的產(chǎn)物。 483.2 常用傳感器(十四)常用智能傳感器智能壓力傳感器智能液體渾濁度傳感器493.2 常用傳感器(十四)常用智能傳感器智能溫濕度傳感器503.2

20、常用傳感器(十四)智能傳感器飛利浦推出了一種基于多功能智能傳感器的自動(dòng)真空吸塵器，其外觀的俯、側(cè)視如圖。智能自動(dòng)真空吸塵器是設(shè)有電線，側(cè)面有多達(dá)32個(gè)紅外智能傳感器形成了緩沖裝置，結(jié)合智能自動(dòng)吸塵器下面的紅外線傳感器能幫助吸塵器探測(cè)和自動(dòng)回避墻壁和地面上的障礙物，避開樓梯區(qū)域，防跌落。通過集成攝像裝置、多種傳感器探測(cè)與收集的信息和驅(qū)動(dòng)程序，使其能綜合繪制房間地圖并合理設(shè)計(jì)清潔路線。有此地圖，智能吸塵器能清楚其目前所處位置、過去所處位置以及需要前往的位置，從而有效地清潔地面。紅外線傳感器則用于探測(cè)障礙物，自動(dòng)繞行，故它能在家中自由來去，不會(huì)絆倒老人與孩子等。 513.3 MEMS技術(shù) MEMS的

21、基本概念 MEMS技術(shù)的特點(diǎn) MEMS的加工工藝及制作 MEMS的分類 523.3.1 MEMS的基本概念MEMSMicro Electromechanical System，微機(jī)電系統(tǒng)MEMS是指集微型傳感器、執(zhí)行器以及信號(hào)處理和控制電路、接口電路、通信和電源于一體的微型機(jī)電系統(tǒng)。這種微電子機(jī)械系統(tǒng)不僅能采集、處理與發(fā)送信息或指令，還能按照所獲取的信息自主地或根據(jù)外部的指令采取行動(dòng)。533.3.2 MEMS的特點(diǎn)微型化 MEMS的基本特點(diǎn)低能耗、靈敏度和工作效率高 以硅為主要原料 可批量生產(chǎn) 集成化 學(xué)科上的交叉 應(yīng)用上的高度與廣泛 543.3.3 MEMS的起源 MEMS技術(shù)源于半導(dǎo)體和微

22、技術(shù)加工領(lǐng)域的發(fā)展。半導(dǎo)體材料（特別是硅）對(duì)力、熱、磁等多種信號(hào)有敏感特性，可用于開發(fā)集成電路的先進(jìn)工藝技術(shù)。由于采用平面工藝，使之不斷向微型化與集成化發(fā)展。而微機(jī)械加工（Micro Machining）技術(shù)的出現(xiàn)為MEMS奠定了基礎(chǔ)，隨加工技術(shù)不斷擴(kuò)充，水平不斷提高，使制作硅微機(jī)械部件成為可能。1987年，加州大學(xué)伯克利分校的范龍生等人用表面微機(jī)械加工法制成了多晶硅齒輪，引起了國際學(xué)術(shù)界的震動(dòng)。隨后，汽車用微機(jī)械多路絕壓傳感器投入批量生產(chǎn)，標(biāo)志MEMS技術(shù)作為一個(gè)應(yīng)用型交叉學(xué)科的出現(xiàn)。 553.3.4 MEMS的制造工藝 微米/納米技術(shù)包括了從亞毫米到亞微米范圍的材料工藝和裝置制造和集成，制

23、造工藝包括光刻、刻蝕、淀積外延生長、擴(kuò)散、離子注入、測(cè)試、監(jiān)測(cè)與封裝。納米制造技術(shù)和工藝除了包括微米制造的一些技術(shù)如離子束光刻工藝外，還包括為利用材料特性而進(jìn)行分子和原子級(jí)的加工與排列技術(shù)等。563.3.5 MEMS的加工材料 MEMS所用材料一般為襯底材料和附加材料兩類，目前襯底材料以硅為主。選用晶態(tài)半導(dǎo)體材料是因其具有性能優(yōu)異、容易得到、有多種成熟的加工工藝、與晶面有關(guān)的各向異性使之適于微機(jī)械加工及具有集成有源電路等諸多優(yōu)點(diǎn)。襯底材料也可是其他非半導(dǎo)體材料，包括金屬、玻璃、石英、其他晶態(tài)絕緣體、陶瓷、塑料、高聚物以及其他有機(jī)和無機(jī)材料。 573.3.6 MEMS的分類及應(yīng)用傳感MEMS技術(shù)

24、 生物MEMS技術(shù) 光學(xué)MEMS技術(shù)射頻MEMS技術(shù) 583.3.6 MEMS的分類傳感MEMS技術(shù) 傳感MEMS技術(shù)是指用微電子微機(jī)械加工出來的、用敏感元件如電容、壓電、壓阻、熱電耦、諧振、隧道電流等來感受轉(zhuǎn)換電信號(hào)的器件和系統(tǒng)。593.3.6 MEMS的分類傳感MEMS技術(shù)的應(yīng)用 計(jì)步表或計(jì)步器是利用三軸MEMS傳感器實(shí)現(xiàn)健身和健康監(jiān)測(cè)功能的代表性應(yīng)用，在特定的情況下，計(jì)步器的傳感器能夠精確地測(cè)定在步行和跑步過程中作用在系統(tǒng)上的加速度，通過處理加速度數(shù)據(jù)，計(jì)步器顯示用戶走過的步數(shù)和速度，以及運(yùn)動(dòng)過程中所消耗掉的熱量。 安全氣囊在生死時(shí)刻的開啟，就是根據(jù)多種MEMS加速度器采集的信號(hào)來控制的

25、。這些芯片傳感突然的減速，并在瞬間決定何時(shí)開啟安全氣囊。較新的MEMS陀螺儀甚至可以阻止翻車的發(fā)生。 603.3.6 MEMS的分類生物MEMS技術(shù) 生物MEMS技術(shù)是用MEMS技術(shù)制造的化學(xué)或生物微型分析和檢測(cè)芯片或儀器，將在襯底上制造出的微型驅(qū)動(dòng)泵、微控制閥、通道網(wǎng)絡(luò)、樣品處理器、混合池、計(jì)量器、增擴(kuò)器、反應(yīng)器、分離器以及檢測(cè)器等元器件并集成為多功能芯片?？梢詫?shí)現(xiàn)樣品的進(jìn)樣、稀釋、加試劑、混合、增擴(kuò)、反應(yīng)、分離、檢測(cè)和后處理等分析全過程。613.3.6 MEMS的分類生物MEMS技術(shù)的應(yīng)用 視網(wǎng)膜開刀時(shí) ,大夫可將遙控機(jī)器人放入眼球內(nèi) ,在細(xì)胞操作、細(xì)胞融合、精細(xì)外科、血管、腸道內(nèi)自動(dòng)送藥

26、等方面應(yīng)用甚廣。MEMS的微小可進(jìn)入很小的器官和組織，智能自動(dòng)地進(jìn)行細(xì)微精確的操作,大大提高介入治療的精度,直接進(jìn)入相應(yīng)病變地進(jìn)行工作,降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí) ,可進(jìn)行基因分析和遺傳診斷,利用微加工技術(shù)制造各種微泵、微閥、微攝子、微溝槽、微器皿和微流量計(jì)的器件適合于操作生物細(xì)胞和生物大分子。 623.3.6 MEMS的分類光學(xué)MEMS技術(shù) 結(jié)合綜合微電子、微機(jī)械、光電子技術(shù)等基礎(chǔ)技術(shù)，開發(fā)新型光器件，稱為微光機(jī)電系統(tǒng)(MOEMS)。它能把各種MEMS結(jié)構(gòu)件與微光學(xué)器件、光波導(dǎo)器件、半導(dǎo)體激光器件、光電檢測(cè)器件等完整地集成在一起，形成一種全新的功能系統(tǒng)。 633.3.6 MEMS的分類光學(xué)MEMS技

27、術(shù)的應(yīng)用 在電信方面，由于光學(xué)MEMS制成的光學(xué)器件具有很好的效能，例如低插入損耗、優(yōu)良的波長平坦度和極小的串?dāng)_，而且能提高整合度及器件規(guī)模(Scalability)，極適用于高性能的光纖網(wǎng)絡(luò)。顯示產(chǎn)業(yè)方面，包括整合式可配帶的攜帶型設(shè)備，以及條形碼掃描、自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)、商用印刷等等。 目前最成功的光學(xué)MEMS產(chǎn)品，是由TI的DLP專利技術(shù)所制造的微面鏡器件。DLP芯片可說是目前最復(fù)雜的光源開關(guān)，它包含了最多達(dá)220萬用鉸鏈安裝的微型運(yùn)動(dòng)鏡面組成的矩形數(shù)組，每片微型鏡面的大小都不超過人類頭發(fā)絲厚度的五分之一，對(duì)應(yīng)投影圖像中的一個(gè)像素。 643.3.6 MEMS的分類射頻MEMS技術(shù) 射頻MEMS

28、技術(shù)就是利用MEMS技術(shù)制作各種用于無線通訊的射頻器件或系統(tǒng)，包括各種無源器件如：片上高Q值諧振器，濾波器，微開關(guān)，微型天線以及電感、電容等。射頻MEMS技術(shù)傳統(tǒng)上分為固定的和可動(dòng)的兩類。固定的MEMS器件包括本體微機(jī)械加工傳輸線、濾波器和耦合器?？蓜?dòng)的MEMS器件包括開關(guān)、調(diào)諧器和可變電容。 RF-MEMS653.3.6 MEMS的分類射頻MEMS技術(shù)的應(yīng)用 對(duì)一個(gè)多頻道的通訊終端來說，要求濾波器同時(shí)具有窄的帶寬，高的選擇性、寬的調(diào)諧能力以及低的插入損耗是非常困難甚至不可能。在此情況下，只有利用開關(guān)將整個(gè)頻域分成若干獨(dú)立頻段再通過濾波器進(jìn)行選擇。利用射頻MEMS技術(shù)制作的微開關(guān)以其良好的電學(xué)

29、和機(jī)械特性、高壽命、低損耗成為研究熱點(diǎn)。 663.3.7 MEMS的發(fā)展前景 MEMS技術(shù)也正發(fā)展成為一個(gè)巨大的產(chǎn)業(yè)，多數(shù)工業(yè)觀察家預(yù)測(cè)，未來5年MEMS器件的銷售額將呈迅速增長之勢(shì)，年平均增長率約為18%，因此對(duì)機(jī)械電子工程、精密機(jī)械及儀器、半導(dǎo)體物理等學(xué)科的發(fā)展提供了極好的機(jī)遇和嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。673.4 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述 無線傳感網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)無線傳感網(wǎng)協(xié)議無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用領(lǐng)域 683.4.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述 無線傳感網(wǎng)的內(nèi)涵 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks，WSN)是信息科學(xué)領(lǐng)域中一個(gè)全新的發(fā)展方向，同時(shí)也是新興學(xué)科與傳統(tǒng)學(xué)科進(jìn)行領(lǐng)域

30、間交叉的結(jié)果。693.4.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述無線傳感網(wǎng)絡(luò)發(fā)展經(jīng)歷的三個(gè)階段無線傳感網(wǎng) 無線智能傳感器 智能傳感器 將計(jì)算能力嵌入到傳感器中，使得傳感器節(jié)點(diǎn)不僅具有數(shù)據(jù)采集能力，而且具有信息處理能力。在智能傳感器的基礎(chǔ)上增加了無線通信能力，大大延長了傳感器的感知觸角，降低了傳感器的工程實(shí)施成本。將網(wǎng)絡(luò)技術(shù)引入到無線智能傳感器中，使得傳感器不再是單個(gè)的感知單元，而是能夠交換信息、協(xié)調(diào)控制的有機(jī)體，實(shí)現(xiàn)物與物的互聯(lián)，把感知觸角深入世界各個(gè)角落，成為下一代互聯(lián)網(wǎng)及物聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分。703.4.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述 2019年，美國UCLA大學(xué)的William J Kaiser教授向DARPA

31、提交的“低能耗無線集成微型傳感器”揭開了現(xiàn)代WSN網(wǎng)絡(luò)的序幕。 在其后的10余年里，WSN網(wǎng)絡(luò)技術(shù)得到學(xué)術(shù)界、工業(yè)界乃至政府的廣泛關(guān)注，成為在國防軍事、環(huán)境監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)、健康護(hù)理、智能家居、建筑物結(jié)構(gòu)監(jiān)控、復(fù)雜機(jī)械監(jiān)控、城市交通、空間探索、大型車間和倉庫管理以及機(jī)場(chǎng)、大型工業(yè)園區(qū)的安全監(jiān)測(cè)等眾多領(lǐng)域中最有競(jìng)爭力的應(yīng)用技術(shù)之一。 無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展背景713.4.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn) 什么是無線傳感網(wǎng)絡(luò)？無線傳感器網(wǎng)絡(luò)就是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過無線通信方式形成的一個(gè)多跳自組織網(wǎng)絡(luò)。723.4.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn) 移動(dòng)自組織網(wǎng)

32、絡(luò)是一種移動(dòng)通信和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)，是移動(dòng)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的一種，用戶終端可以在網(wǎng)內(nèi)隨意移動(dòng)而保持通信。什么是移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)733.4.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)無線傳感網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種全新的信息獲取平臺(tái)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種檢測(cè)對(duì)象的信息，并將這些信息發(fā)送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的指定范圍內(nèi)目標(biāo)檢測(cè)與跟蹤，具有快速展開、抗毀性強(qiáng)等特點(diǎn)。743.4.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建必須具備三個(gè)要素：（1）感知對(duì)象 需要被感知的任何事物或環(huán)境參數(shù)。（2）感知節(jié)點(diǎn) 既有感知功能，也有路由選擇功能，用于檢測(cè)周圍事件或者環(huán)境參數(shù)。（3）匯

33、聚節(jié)點(diǎn) 即SINK，從傳感器節(jié)點(diǎn)采集并處理檢測(cè)數(shù)據(jù)。傳感器節(jié)點(diǎn)753.4.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)單元功能結(jié)構(gòu)圖 節(jié)點(diǎn)在無線傳感網(wǎng)中可作為數(shù)據(jù)采集者、數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站或者簇頭節(jié)點(diǎn)。作為數(shù)據(jù)采集者，它收集周圍環(huán)境數(shù)據(jù)，通過通信路由協(xié)議直接或間接地將數(shù)據(jù)傳遞給遠(yuǎn)方基站或sink節(jié)點(diǎn)；作為數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站，它除了完成數(shù)據(jù)采集任務(wù)以外，還要接收鄰居節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，將其發(fā)送給距離基站更近的鄰節(jié)點(diǎn)或直接發(fā)送到基站或sink節(jié)點(diǎn)；作為簇頭節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)收集該簇內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)融合后，發(fā)送到基站或者sink節(jié)點(diǎn)。 763.4.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)通信體系773.4.3 無線

34、傳感網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和部署無線傳感網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)783.4.3 無線傳感網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和部署星狀網(wǎng) 星狀網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是單跳（single-hop）。如傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)中，終端節(jié)點(diǎn)直接與基站進(jìn)行雙向通信，而彼此間不進(jìn)行連接?；竟?jié)點(diǎn)可用PC、專用控制設(shè)備或其他與數(shù)據(jù)處理設(shè)備作通信網(wǎng)關(guān)，各終端節(jié)點(diǎn)也可按應(yīng)用需求而各不相同。這種結(jié)構(gòu)對(duì)傳感網(wǎng)并不合適，因?yàn)閭鞲衅髯陨砟芰坑邢蓿绻總€(gè)節(jié)點(diǎn)都要保證數(shù)據(jù)的正確接收，則傳感器節(jié)點(diǎn)需要以較大功率發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)間較近時(shí)，會(huì)監(jiān)測(cè)到相似或者相同的信息，這些冗余會(huì)增加網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。 793.4.3 無線傳感網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和部署網(wǎng)狀（Mesh）網(wǎng) 網(wǎng)狀網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是多跳的結(jié)構(gòu)，所有節(jié)點(diǎn)都可直接通

35、信。通過一定的算法，網(wǎng)絡(luò)選擇一條或者多條路由進(jìn)行多跳數(shù)據(jù)傳輸。由于每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都有多條路徑可到達(dá)基站節(jié)點(diǎn)，其故障修復(fù)能力較強(qiáng)，系統(tǒng)以多跳代替了單跳傳輸，減少了每一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)所需的功率。但因網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量多，分布隨機(jī)、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化復(fù)雜，因此在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行多跳路由查找以及路由維護(hù)和修復(fù)較困難。同時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)必須時(shí)刻保持“監(jiān)聽”狀態(tài)，相應(yīng)增加了網(wǎng)絡(luò)能耗，減少了網(wǎng)絡(luò)壽命。 803.4.3 無線傳感網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和部署星狀混合 混合網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)力求兼具星狀網(wǎng)的簡潔、易控以及網(wǎng)狀網(wǎng)的多跳和自愈的優(yōu)點(diǎn)，使得整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的建立、維護(hù)以及更新更加簡單、高效。其中，分層式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)屬于混合網(wǎng)中比較典型的一種，尤其適

36、合節(jié)點(diǎn)眾多的無線傳感網(wǎng)的應(yīng)用。在分層網(wǎng)中，整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)形成分層結(jié)構(gòu)，傳感器節(jié)點(diǎn)通過基站指定或者自組織的方法形成各個(gè)獨(dú)立的簇（cluster），每個(gè)簇選出相應(yīng)的簇首（cluster head），由簇首負(fù)責(zé)簇內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的控制，并對(duì)簇內(nèi)所收集的信息進(jìn)行整合、處理，隨后發(fā)送給基站。分層式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)既通過簇內(nèi)控制，減少了節(jié)點(diǎn)與基站間遠(yuǎn)距離的信令交互，降低了網(wǎng)絡(luò)建立的復(fù)雜度，減少了網(wǎng)絡(luò)路由和數(shù)據(jù)處理的開銷，同時(shí)又可通過數(shù)據(jù)融合降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，而多跳也減少了網(wǎng)絡(luò)的能量消耗。 813.4.3 無線傳感網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和部署無線傳感網(wǎng)絡(luò)的部署（1）隨機(jī)性部署：以撒布方式部署，節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布，以Ad Hoc方式進(jìn)行工作。（

37、2）確定性部署：預(yù)先確定部署方案和節(jié)點(diǎn)位置，路由預(yù)先選定。（1）同構(gòu)：所有的傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)具有相同的運(yùn)算、存貯能力和能量。（2）異構(gòu)：傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)具有不同的能力和重要性。823.4.4 無線傳感網(wǎng)絡(luò)協(xié)議應(yīng) 用 層 網(wǎng) 絡(luò) 層 傳 輸 層 數(shù) 據(jù) 鏈 路 層 傳感網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧 傳感網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)物 理 層 833.4.4 無線傳感網(wǎng)絡(luò)協(xié)議物理層 物理層通信協(xié)議主要解決傳輸介質(zhì)、傳輸頻段的選擇，無線收發(fā)器的設(shè)計(jì)，調(diào)制方式等問題。傳感網(wǎng)使用的傳輸介質(zhì)主要包括無線電、紅外線、光波等，其中無線電是最主要的傳輸介質(zhì)。使用這種介質(zhì)需要解決頻段選擇、調(diào)制方式選擇等問題。843.4.4 無線傳感網(wǎng)絡(luò)協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層（1）邏

38、輯鏈路子層這是數(shù)據(jù)鏈路層的上層部分，它為網(wǎng)絡(luò)層提供統(tǒng)一接口。該子層通過在IP包上加了8位目的地址服務(wù)接入點(diǎn)和源地址服務(wù)接入點(diǎn)來保證在不同類型網(wǎng)絡(luò)中傳輸。還有一個(gè)8或16位的控制字段用于流控制等輔助功能。（2）MAC子層傳感網(wǎng)的MAC協(xié)議旨在為資源（特別是能量）受限的大量傳感器節(jié)點(diǎn)建立具有自組織能力的多跳通信鏈路，實(shí)現(xiàn)公平的通信資源共享，處理數(shù)據(jù)包之間的碰撞，重點(diǎn)是如何節(jié)能。853.4.4 無線傳感網(wǎng)絡(luò)協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層MAC協(xié)議基于隨機(jī)競(jìng)爭的MAC協(xié)議 基于TM（時(shí)分多址）的MAC協(xié)議 863.4.4 無線傳感網(wǎng)絡(luò)協(xié)議網(wǎng)絡(luò)層 主要包括基于聚簇的路由協(xié)議、基于地理位置的路由協(xié)議、能量感知路由協(xié)議、以

39、數(shù)據(jù)為中心的路由協(xié)議等。 網(wǎng)絡(luò)層路由協(xié)議基于聚簇的路由協(xié)議 基于地理位置的路由協(xié)議 以數(shù)據(jù)為中心的路由協(xié)議 能量感知路由協(xié)議 873.4.4 無線傳感網(wǎng)絡(luò)協(xié)議傳輸層 此處與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的傳輸層擔(dān)負(fù)的任務(wù)大致相同，負(fù)責(zé)端到端的傳輸控制。無線傳感網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)或其他網(wǎng)絡(luò)相連時(shí)，傳輸層協(xié)議尤其重要。因無線傳感網(wǎng)的能量受限性、節(jié)點(diǎn)命名機(jī)制、以數(shù)據(jù)為中心等特征，使其傳輸控制較困難，故其傳輸層需要特殊的技術(shù)和方法。應(yīng)用層 應(yīng)用層位于模型的最高層，為各類應(yīng)用軟件提供各種面向作業(yè)的支持。相應(yīng)的協(xié)議主要針對(duì)各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與應(yīng)用層軟件之間的通信，以及中間服務(wù)與應(yīng)用層軟件之間的通信，最終實(shí)現(xiàn)各種感知信息、應(yīng)用信息、控制信息和管

40、理信息等的有序使用。883.4無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用領(lǐng)域 環(huán)境的監(jiān)測(cè)和保護(hù) 醫(yī)療護(hù)理軍事領(lǐng)域 生產(chǎn)作業(yè)893.4無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用領(lǐng)域環(huán)境的監(jiān)測(cè)與保護(hù) 英特爾研究實(shí)驗(yàn)室研究人員曾經(jīng)將32個(gè)小型傳感器接入互聯(lián)網(wǎng)，以讀出緬因州“大鴨島”上的氣候，用來評(píng)價(jià)一種海燕巢的條件。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)還可以跟蹤候鳥和昆蟲的遷移，研究環(huán)境變化對(duì)農(nóng)作物的影響，監(jiān)測(cè)海洋、大氣和土壤的成分等。 它也可以應(yīng)用在精致農(nóng)業(yè)中，監(jiān)測(cè)農(nóng)作物中的害蟲、土壤的酸堿度和施肥狀況等。903.4無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用領(lǐng)域軍事領(lǐng)域 由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有密集型、隨機(jī)分布的特點(diǎn)，非常適用于惡劣的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中，包括偵察敵情、監(jiān)控兵力、裝備和物資，判

41、斷生物化學(xué)攻擊等多方面用途。如美國國防部遠(yuǎn)景計(jì)劃研究局已投資幾千萬美元，幫助大學(xué)進(jìn)行“智能灰塵”（Smart Dust）傳感器技術(shù)的研發(fā)。 913.4無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用領(lǐng)域其他用途 英特爾正在對(duì)工廠中的一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測(cè)試，該網(wǎng)絡(luò)由40臺(tái)機(jī)器上的210個(gè)傳感器組成，這樣組成的監(jiān)控系統(tǒng)將可以大大改善工廠的運(yùn)作條件。它可以大幅降低檢查設(shè)備的成本，同時(shí)由于可以提前發(fā)現(xiàn)問題，因此將能夠縮短停機(jī)時(shí)間，提高效率，并延長設(shè)備的使用壽命。 923.5 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)涵蓋的范圍很廣，既包括允許用戶建立遠(yuǎn)距離無線連接的全球語音和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，也包括為近距離無線連接進(jìn)行優(yōu)化的紅外線技術(shù)及射頻技術(shù)等。 想象

42、一下這樣一個(gè)無線校園網(wǎng)：學(xué)生們一邊坐在草地上，愜意地喝著飲料，一邊通過無線網(wǎng)絡(luò)自由地與專家、老師進(jìn)行網(wǎng)上討論、訪問圖書館電子資源；課堂上老師和學(xué)生可通過手持無線設(shè)備進(jìn)行自由溝通和交流；奧運(yùn)會(huì)比賽的時(shí)候，通過無線，全校所有師生可實(shí)時(shí)在校內(nèi)任何地方看到賽事直播. 933.5.1無線網(wǎng)絡(luò)的類型 無線廣域網(wǎng) 無線城域網(wǎng)無線局域網(wǎng) 無線個(gè)人網(wǎng) 根據(jù)數(shù)據(jù)的傳輸距離94無線廣域網(wǎng) 無線廣域網(wǎng)（WWAN）技術(shù)可使用戶通過遠(yuǎn)程公用網(wǎng)絡(luò)或?qū)Ｓ镁W(wǎng)絡(luò)建立無線網(wǎng)絡(luò)連接。通過無線服務(wù)提供商負(fù)責(zé)維護(hù)的若干天線基站或衛(wèi)星系統(tǒng)，這些連接可以覆蓋廣大的地理區(qū)域，例如若干城市或者國家和地區(qū)。 目前的WWAN 技術(shù)被稱為第二代移動(dòng)通

43、信技術(shù)（2G）系統(tǒng)。2G系統(tǒng)主要包括移動(dòng)通信全球系統(tǒng)（GSM）、蜂窩式數(shù)字分組數(shù)據(jù)（CDPD）和碼分多址（CDMA）?，F(xiàn)在正努力從 2G 網(wǎng)絡(luò)向第三代移動(dòng)通信技術(shù)（3G）過渡。95無線城域網(wǎng) 無線城域網(wǎng)（WMAN）技術(shù)使用戶可以在城區(qū)的多個(gè)場(chǎng)所之間創(chuàng)建無線連接（如在一個(gè)城市或大學(xué)校園的多個(gè)辦公樓之間），而不必花費(fèi)高昂的費(fèi)用鋪設(shè)光纜、銅質(zhì)電纜和租用線路。WMAN使用無線電波或紅外光波傳送數(shù)據(jù)。96無線局域網(wǎng) 無線局域網(wǎng)（WLAN）技術(shù)可以使用戶在本地創(chuàng)建無線連接（例如，在公司或校園的大樓里，或在某個(gè)公共場(chǎng)所，如機(jī)場(chǎng)、賓館、酒店、候車室等）。97無線個(gè)人網(wǎng) 主要的 WPAN 技術(shù)是藍(lán)牙“Bluet

44、ooth”和紅外線。 無線個(gè)人網(wǎng)（WPAN）技術(shù)使用戶能夠?yàn)閭€(gè)人操作空間（POS）設(shè)備（如 PDA、移動(dòng)電話和筆記本電腦等）創(chuàng)建臨時(shí)無線通訊。POS 指的是以個(gè)人為中心，最大距離為 10米的一個(gè)空間范圍。 支持無線個(gè)人網(wǎng)的通信技術(shù)包括：藍(lán)牙、ZigBee、UWB、紅外（IrDA）、NFC、HomeRF等，它們?cè)诠?、成本、傳輸速率、傳輸距離、組網(wǎng)能力等方面又各有特點(diǎn)。 98無線個(gè)人網(wǎng) 谷歌Project Glass眼鏡實(shí)現(xiàn)了將微型投影儀+攝像頭+傳感器+存儲(chǔ)傳輸+操控設(shè)備的融合，并將眼鏡、智能手機(jī)、攝像機(jī)等集于一身。用戶只要通過眼部動(dòng)作等就能拍照、錄像、打電話，省去了從口袋中掏手機(jī)的麻煩，還能

45、拍照上傳、收發(fā)短信、查詢天氣路況等，并將地圖疊加到用戶的視野中；也可利用語音指令拍攝照片、攝制視頻、與他人在網(wǎng)上互動(dòng)等。 目前，還有如智能頭箍、手套手機(jī)、社交牛仔褲、衛(wèi)星導(dǎo)航鞋、體態(tài)監(jiān)測(cè)健身服等大批新產(chǎn)品正層出不窮。 可穿戴的智能設(shè)備993.5.2無線網(wǎng)絡(luò)常用設(shè)備類型 無線網(wǎng)卡 無線網(wǎng)橋 無線天線 100無線網(wǎng)卡 無線網(wǎng)卡的作用類似于以太網(wǎng)中的網(wǎng)卡，作為無線局域網(wǎng)的接口，實(shí)現(xiàn)與無線局域網(wǎng)的連接。 無線網(wǎng)卡根據(jù)接口類型的不同，主要分為三種類型，即PCMCIA無線網(wǎng)卡、PCI無線網(wǎng)卡和USB無線網(wǎng)卡。101無線網(wǎng)橋 無線網(wǎng)橋用于連接兩個(gè)或多個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)段，這些獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)段通常位于不同的建筑內(nèi)，相距

46、幾百米到幾十公里,廣泛應(yīng)用在不同建筑物間的互聯(lián)。 無線網(wǎng)橋的特點(diǎn)是功率大，傳輸距離遠(yuǎn)（最大可達(dá)約50km），抗干擾能力強(qiáng)等，不自帶天線，一般配備拋物面天線實(shí)現(xiàn)長距離的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接。 無線網(wǎng)橋的三種工作方式：點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)、中繼連接102無線天線 當(dāng)計(jì)算機(jī)與無線接入點(diǎn)（AP）或其他計(jì)算機(jī)相距較遠(yuǎn)時(shí)，隨著信號(hào)的減弱，傳輸速率會(huì)明顯下降，或者根本無法實(shí)現(xiàn)與AP或其他計(jì)算機(jī)之間通訊，此時(shí)，就必須借助于無線天線對(duì)所接收或發(fā)送的信號(hào)進(jìn)行增益（放大）。103無線天線 無線天線常見的類型有兩種：一種是室內(nèi)天線，優(yōu)點(diǎn)是方便靈活，缺點(diǎn)是增益小，傳輸距離短；另一種是室外天線。優(yōu)點(diǎn)是傳輸距離遠(yuǎn)。比較適合遠(yuǎn)距離傳輸。1

47、043.5.3無線網(wǎng)絡(luò)的接入方式網(wǎng)橋連接型訪問節(jié)點(diǎn)連接型HUB接入型無中心型根據(jù)不同的應(yīng)用環(huán)境，目前無線局域網(wǎng)采用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有:105網(wǎng)橋連接型 該結(jié)構(gòu)主要用于無線或有線局域網(wǎng)之間的互連。當(dāng)兩個(gè)局域網(wǎng)無法實(shí)現(xiàn)有線連接或使用有線連接存在困難時(shí)，可使用網(wǎng)橋連接型實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連接。 在這種結(jié)構(gòu)中局域網(wǎng)之間的通信是通過各自的無線網(wǎng)橋來實(shí)現(xiàn)的，無線網(wǎng)橋起到了網(wǎng)絡(luò)路由選擇和協(xié)議轉(zhuǎn)換的作用。106訪問節(jié)點(diǎn)連接型 在網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)的任何地方都可以接收到該信號(hào)，并可實(shí)現(xiàn)漫游通信。 這種結(jié)構(gòu)采用移動(dòng)蜂窩通信網(wǎng)接入方式，各移動(dòng)站點(diǎn)間的通信是先通過就近的無線接收站將信息接收下來，然后將收到的信息通過有線網(wǎng)傳入到“

48、移動(dòng)交換中心”，再由移動(dòng)交換中心傳送到所有無線接收站上。 107HUB接入型 在有線局域網(wǎng)中利用HUB可組建星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。同樣也可利用無線AP組建星型結(jié)構(gòu)的無線局域網(wǎng)，其工作方式和有線星形結(jié)構(gòu)很相似。但在無線局域網(wǎng)中一般要求無線AP應(yīng)具有簡單的網(wǎng)內(nèi)交換功能。108無中心型結(jié)構(gòu) 該結(jié)構(gòu)的工作原理類似于有線對(duì)等網(wǎng)的工作方式。它要求網(wǎng)中任意兩個(gè)站點(diǎn)間均能直接進(jìn)行信息交換。每個(gè)站點(diǎn)既是工作站，也是服務(wù)器。1093.5.4 無線網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn) 安裝便捷 使用靈活 經(jīng)濟(jì)節(jié)約 易于擴(kuò)展 更好的安全性 1103.5.5 模擬與數(shù)字通信技術(shù) 第一代移動(dòng)通信系統(tǒng)采用頻分多址(FDMA)的模擬調(diào)制方式，這種系統(tǒng)的主要缺

49、點(diǎn)是頻譜利用率低，信令干擾話音業(yè)務(wù)。 第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)主要采用時(shí)分多址(TDMA)的數(shù)字調(diào)制方式，提高了系統(tǒng)容量，并采用獨(dú)立信道傳送信令，使系統(tǒng)性能大為改善，但TDMA的系統(tǒng)容量仍然有限，越區(qū)切換性能仍不完善。 第一代、第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)111蜂窩移動(dòng)通信原理每10km20km的區(qū)域稱為單元（形似蜂窩），單元的中央建有一個(gè)基站，該單元內(nèi)所有手機(jī)都向該基站發(fā)送信號(hào)并接收基站發(fā)給的信號(hào)所有單元既相互分割，又彼此有所交疊，連成整個(gè)移動(dòng)通信服務(wù)網(wǎng)所有基站都通過微波或電纜、光纜與移動(dòng)交換中心通信手機(jī)每個(gè)時(shí)刻都處于某個(gè)特定單元的基站控制之下，通話時(shí)使用兩個(gè)頻率（一個(gè)上行頻率，一個(gè)下行頻率），同一單元內(nèi)同

50、一時(shí)刻的不同手機(jī)使用不同的頻率進(jìn)行通信，相互不影響每個(gè)蜂窩單元中有200多個(gè)信道(GSM)。相鄰單元不允許使用相同的頻率，不相鄰單元的頻率允許重用移動(dòng)交換中心電話交換中心112第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)傳輸?shù)氖菙?shù)字化的語音/文字信號(hào)使用頻段：900MHz/1800MHz我國使用的2種標(biāo)準(zhǔn)：GSM（歐洲移動(dòng)通信系統(tǒng)，也稱全球通、全數(shù)字系統(tǒng))中國電信的GSM網(wǎng)已基本實(shí)現(xiàn)縣以上城市的覆蓋, 接入號(hào)有139135、130采用頻分多路復(fù)用技術(shù)(分為124個(gè)上下行信道)和時(shí)分多路復(fù)用(每個(gè)信道8個(gè)連接)，每個(gè)蜂窩理論上支持992個(gè)連接，實(shí)際上可有200多個(gè)CDMA (碼分多址接入，Code Division Mu

51、ltiple Access)所有手機(jī)都占用相同帶寬和頻率，在整個(gè)頻段上進(jìn)行信號(hào)傳輸,但它們分別采用不同的編碼原理加以區(qū)分，即CDMA給每一手機(jī)分配一個(gè)唯一的碼序列（擴(kuò)頻碼），并用它對(duì)承載信息的信號(hào)進(jìn)行編碼抗干擾能力強(qiáng)，系統(tǒng)容量大，接通率高，噪聲小113第二代移動(dòng)通信系統(tǒng) 中國聯(lián)通、中國移動(dòng)所用的GSM移動(dòng)電話網(wǎng)采用的便是FDMA和TDMA兩方式的結(jié)合。GSM比模擬移動(dòng)電話有很大的優(yōu)勢(shì)，但在頻譜效率上僅是模擬系統(tǒng)的3倍，容量有限；話音質(zhì)量也很難達(dá)到有線電話水平；TDMA終端接入速率最高也只能達(dá)到9.6kbit/s；TDMA系統(tǒng)無軟切換功能，容易掉話，影響服務(wù)質(zhì)量。114第二代移動(dòng)通信系統(tǒng) CDM

52、A是Code Division Multiple Access (碼分多址)的縮寫，是第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)。 CDMA技術(shù)的原理是基于擴(kuò)頻技術(shù)，即將需傳送的具有一定信號(hào)帶寬信息數(shù)據(jù)，用一個(gè)帶寬遠(yuǎn)大于信號(hào)帶寬的高速偽隨機(jī)碼進(jìn)行調(diào)制，使原數(shù)據(jù)信號(hào)的帶寬被擴(kuò)展，再經(jīng)載波調(diào)制并發(fā)送出去。接收端使用完全相同的偽隨機(jī)碼，與接收的帶寬信號(hào)作相關(guān)處理，把寬帶信號(hào)換成原信息數(shù)據(jù)的窄帶信號(hào)即解擴(kuò)，以實(shí)現(xiàn)信息通信。 115C網(wǎng) C網(wǎng)即CDMA(Code Division Multiple Access) 網(wǎng)絡(luò)，又稱碼分多址，是在無線通訊上使用的技術(shù)，CDMA 允許所有的使用者同時(shí)使用全部頻帶(1.2288M

53、hz)，并且把其他使用者發(fā)出的訊號(hào)視為雜訊，完全不必考慮到訊號(hào)碰撞 (collision) 的問題。 CDMA的優(yōu)點(diǎn)包括： CDMA中所提供的語音編碼技術(shù)，其通話品質(zhì)比目前的GSM好，而且可以把用戶對(duì)話時(shí)周圍環(huán)境的噪音降低，使通話更為清晰。我國CDMA網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和經(jīng)營由中國聯(lián)通統(tǒng)一負(fù)責(zé)。聯(lián)通CDMA網(wǎng)在2019年1月8日全網(wǎng)開通。2019年1月28日上海聯(lián)通CDMA1X網(wǎng)的開通，代表著CDMA網(wǎng)絡(luò)的全面升級(jí)，可提供高速無線互聯(lián)網(wǎng)接入和豐富的無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。 2019年7月中國聯(lián)通以1100億元將CDMA網(wǎng)絡(luò)售于中國電信。 目前中國電信CDMA網(wǎng)絡(luò)的號(hào)段為133.153.180.189。 116G

54、網(wǎng) GSM全名為：Global System for Mobile Communications，中文為全球移動(dòng)通訊系統(tǒng)，俗稱全球通，是一種起源于歐洲的移動(dòng)通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，是第二代移動(dòng)通信技術(shù)，其開發(fā)目的是讓全球各地可以共同使用一個(gè)移動(dòng)電話網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，讓用戶使用一部手機(jī)就能行遍全球。我國于20世紀(jì)90年代初引進(jìn)采用此項(xiàng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，此前一直是采用蜂窩模擬移動(dòng)技術(shù)，即第一代GSM技術(shù)（2019年12月31日我國關(guān)閉了模擬移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)）。目前，中國移動(dòng)、中國聯(lián)通各擁有一個(gè)GSM網(wǎng)，為世界最大的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)。GSM系統(tǒng)包括 GSM 900：900MHz、GSM1800：1800MHz 及 GSM-1900：19

55、00MHz等幾個(gè)頻段 。 1173.5.6 3G移動(dòng)通信 第二次世界大戰(zhàn)期間因戰(zhàn)爭的需要而研究開發(fā)出CDMA技術(shù)，其思想初衷是防止敵方對(duì)己方通訊的干擾，在戰(zhàn)爭期間廣泛應(yīng)用于軍事抗干擾通信，后來由美國高通公司更新成為商用蜂窩電信技術(shù)。2019年，第一個(gè)CDMA商用系統(tǒng)運(yùn)行之后，CDMA技術(shù)理論上的諸多優(yōu)勢(shì)在實(shí)踐中得到了檢驗(yàn)，從而在北美、南美和亞洲等地得到了迅速推廣和應(yīng)用。全球許多國家和地區(qū)，包括中國香港、韓國、日本、美國都已建有CDMA商用網(wǎng)絡(luò)。 1183.5.6 3G移動(dòng)通信 國際電信聯(lián)盟在2000年5月確定W-CDMA、CDMA2000、TD-SCDMA以及WiMAX四大主流無線接口標(biāo)準(zhǔn)，寫

56、入3G技術(shù)指導(dǎo)性文件2000年國際移動(dòng)通訊計(jì)劃（簡稱IMT2000）。1193.5.6 3G移動(dòng)通信W-CDMA CDMA2000 TD-SCDMA WiMAX 120W-CDMA W-CDMA也稱為WCDMA，全稱為Wideband CDMA，也稱為CDMA Direct Spread，意為寬頻分碼多重存取。 這套系統(tǒng)能夠架設(shè)在現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)上，對(duì)于系統(tǒng)提供商而言可以較輕易地過渡，而GSM系統(tǒng)相當(dāng)普及的亞洲對(duì)這套新技術(shù)的接受度比較高。121CDMA 2000 CDMA2000是由窄帶CDMA(CDMA IS95)技術(shù)發(fā)展而來的寬帶CDMA技術(shù)，也稱為CDMA Multi-Carrier，由

57、美國高通北美公司為主導(dǎo)提出，摩托羅拉、Lucent和后來加入的韓國三星都有參與，韓國現(xiàn)在成為該標(biāo)準(zhǔn)的主導(dǎo)者。 該標(biāo)準(zhǔn)提出了從CDMA IS95(2G)-CDMA20001x-CDMA20003x(3G)的演進(jìn)策略。CDMA20001x被稱為2.5代移動(dòng)通信技術(shù).中國聯(lián)通就是采用這一方案向3G過渡，并已建成了CDMA IS95網(wǎng)絡(luò)。122TD-SCDMA 全稱為Time Division - Synchronous Code Division Multiple Access（時(shí)分同步CDMA），該標(biāo)準(zhǔn)是由中國大陸制定的3G標(biāo)準(zhǔn)，2019年6月29日，中國原郵電部電信科學(xué)技術(shù)研究院（大唐電信）向I

58、TU提出。 123TD-SCDMA該標(biāo)準(zhǔn)將智能無線、同步CDMA和軟件無線電等當(dāng)今國際領(lǐng)先技術(shù)融于其中，在頻譜利用率、對(duì)業(yè)務(wù)支持具有靈活性、頻率靈活性及成本等方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。由于中國龐大的市場(chǎng)，該標(biāo)準(zhǔn)受到各大主要電信設(shè)備廠商的重視，全球一半以上的設(shè)備廠商都宣布可以支持TDSCDMA標(biāo)準(zhǔn)。 該標(biāo)準(zhǔn)提出不經(jīng)過2.5代的中間環(huán)節(jié)，直接向3G過渡，非常適用于GSM系統(tǒng)向3G升級(jí)。 124TDSCDMA的優(yōu)勢(shì) 技術(shù)優(yōu)勢(shì)- TD-SCDMA相對(duì)其它3G備選技術(shù)擁有明顯的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、運(yùn)營及財(cái)務(wù)優(yōu)勢(shì)。 標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)勢(shì)-無論在資金上、技術(shù)上還是政策上，政府都給予了TD-SCDMA最大的支持。 用戶優(yōu)勢(shì) -我國的移動(dòng)電話

59、用戶數(shù)突破8億戶，這么大的基數(shù)給了TD-SCDMA最好的支持。125三種3G標(biāo)準(zhǔn)比較126WiMAX WiMAX 的全名是微波存取全球互通（Worldwide Interoperability for Microwave Access），又稱為80216無線城域網(wǎng)，是又一種為企業(yè)和家庭用戶提供“最后一公里”的寬帶無線連接方案。將此技術(shù)與需要授權(quán)或免授權(quán)的微波設(shè)備相結(jié)合之后，由于成本較低，將擴(kuò)大寬帶無線市場(chǎng)，改善企業(yè)與服務(wù)供應(yīng)商的認(rèn)知度。127128129WiMAX 國內(nèi)電信設(shè)備巨頭中興通訊投資50億元興建中興天津產(chǎn)業(yè)基地，主要研發(fā)WiMAX、RFID和激光電視及激光顯示等新技術(shù)。同時(shí)，另一電信

60、設(shè)備巨頭華為推出WiMAX全系列終端。1304G4G移動(dòng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 物 理 層 中 間 環(huán) 境 層 應(yīng) 用 層 4G移動(dòng)通信系統(tǒng)主要以正交頻分復(fù)用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）為技術(shù)核心 1314GOFDM OFDM可結(jié)合分集、時(shí)空編碼、干擾和信道間干擾抑制及智能天線技術(shù)，能大幅提高系統(tǒng)性能。其中各載波相互正交，每個(gè)載波在一個(gè)符號(hào)時(shí)間內(nèi)有整數(shù)個(gè)載波周期，每個(gè)載波的頻譜零點(diǎn)和相鄰載波的零點(diǎn)重疊，這便減小了載波間的干擾。由于載波間有部分重疊，所以比傳統(tǒng)的FDMA提高了頻帶利用率。 OFDM傳播過程中，高速數(shù)據(jù)流通過串并變換，分配