《物聯(lián)網(wǎng)工程導(dǎo)論》課件第六章

目錄6.26.36.56.1傳感器概述傳感器技術(shù)原理傳感器的特征參數(shù)

常見傳感器及應(yīng)用6.4傳感器網(wǎng)絡(luò)Zigbee6.6組建Zigbee網(wǎng)絡(luò)6.1傳感器概述6.1傳感器概述

人們?yōu)榱藦耐饨绔@取信息，必須借助于感覺器官。而單靠人們自身的感覺器官，在研究自然現(xiàn)象和規(guī)律以及生產(chǎn)活動(dòng)中它們的功能就遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。為適應(yīng)這種情況，就需要傳感器。新技術(shù)革命的到來，世界開始進(jìn)入信息時(shí)代。在利用信息的過程中，首先要解決的就是要獲取準(zhǔn)確可靠的信息，而傳感器是獲取自然和生產(chǎn)領(lǐng)域中信息的主要途徑與手段。傳感器（sensor）是一種檢測(cè)裝置，能感受到被測(cè)量物品的信息，并能將感受到的信息，按一定規(guī)律轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求。6.1傳感器概述

傳感器輸出電量有很多種形式，如電壓、電流、電容、電阻等，輸出信號(hào)的形式由傳感器的原理確定。通常，傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成，傳感器組成結(jié)構(gòu)如下圖所示。

敏感元件是指?jìng)鞲衅髦心苤苯痈惺芑蝽憫?yīng)被測(cè)量的部分；轉(zhuǎn)換元件是指?jìng)鞲衅髦心軐⒚舾性惺芑蝽憫?yīng)的被測(cè)量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測(cè)量的電信號(hào)的部分。6.1傳感器概述傳感器輸出的信號(hào)一般都很微弱，所以需要有信號(hào)調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行放大、運(yùn)算調(diào)制等，此外信號(hào)調(diào)理轉(zhuǎn)換電路以及傳感器的工作必須有輔助的電源，因此信號(hào)調(diào)理轉(zhuǎn)換電路以及所需的電源都應(yīng)作為傳感器組成的一部分。隨著IC發(fā)展，傳感器的信號(hào)調(diào)理轉(zhuǎn)換電路與敏感元件通常會(huì)集成在同一芯片上，安裝在傳感器的殼體里。6.2傳感器技術(shù)原理6.2.1應(yīng)變式傳感器

應(yīng)變式應(yīng)變式傳感器是基于測(cè)量物體受力變形所產(chǎn)生的變化的一種傳感器。電阻應(yīng)變片則是其最常采用的傳感元件。它是一種能將機(jī)械構(gòu)件上的變化轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感元件。電阻應(yīng)變片的基本構(gòu)造如下圖所示。一般由敏感柵、基底、引線、蓋片等組成。

根據(jù)傳感器工作原理我們可以分為應(yīng)變式、電容式、光電式、壓電式、磁電式等。6.2.1應(yīng)變式傳感器敏感柵實(shí)際上是一個(gè)電阻元件，是電阻應(yīng)變片感受構(gòu)件應(yīng)變的敏感部分。敏感柵由粘合劑將其固定在基底上。

基底的作用應(yīng)保證將構(gòu)件上應(yīng)變準(zhǔn)確地傳遞到敏感柵上去。因此它必須作得很薄，一般為0.03-0.06mm，使它能與試件及敏感柵牢固地粘結(jié)在一起。另外它還應(yīng)有良好的絕緣性能、抗潮性能和耐熱性能?；撞牧嫌屑?、膠膜、玻璃纖維布等。常見的應(yīng)變式傳感器如下圖所示。6.2.2電容式傳感器

電容式電容式傳感器以各種類型的電容器作為敏感元件，將被測(cè)物理量的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化，再由轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電壓、電流或頻率，以達(dá)到檢測(cè)的目的?；緲?gòu)造如下圖所示。電容式傳感器廣泛用于位移、角度、振動(dòng)、速度、壓力、成分分析、介質(zhì)特性等方面的測(cè)量。最常用的是平行板型電容器或圓筒型電容器。6.2.2電容式傳感器電容式傳感器的電容檢測(cè)元件是根據(jù)圓筒形電容器原理進(jìn)行工作的，電容器由兩個(gè)絕緣的同軸圓柱極板內(nèi)電極和外電極組成，在兩筒之間充以介電常數(shù)為ε的電解質(zhì)時(shí)，兩圓筒間的電容量為：式中，L為兩筒相互重合部分的長(zhǎng)度；D為外筒電極的直徑；d為內(nèi)筒電極的直徑；e為中間介質(zhì)的電介常數(shù)。

在實(shí)際測(cè)量中D、d、e是不變的，故測(cè)得C即可知道液位的高低。6.2.2電容式傳感器電容式傳感器基本工作原理：電容式傳感器是以各種類型的電容器作為傳感元件，由于被測(cè)量變化將導(dǎo)致電容器電容量變化，通過測(cè)量電路，可把電容量的變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。測(cè)知電信號(hào)的大小，由此可判斷被測(cè)量的大小。常見的電容傳感器的應(yīng)用有電容式位移傳感器、電容式物位傳感器、電容式指紋傳感器等，如下圖所示。6.2.2電容式傳感器電容傳感器的優(yōu)點(diǎn)如下。（1）溫度穩(wěn)定性好電容式傳感器的電容值一般與電極材料無關(guān)，這有利于選擇溫度系數(shù)低的材料。（2）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單（3）動(dòng)態(tài)響應(yīng)好電容式傳感器由于帶電極板間的靜電引力很小，需要的作用能量極小，質(zhì)量很輕，因此其固有頻率很高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短，能在幾兆赫茲的頻率下工作，特別適用于動(dòng)態(tài)測(cè)量。6.2.2電容式傳感器（4）可以非接觸測(cè)量且靈敏度高電容式傳感器可非接觸測(cè)量回轉(zhuǎn)軸的振動(dòng)或偏心率、小型滾珠軸承的徑向間隙等。當(dāng)采用非接觸測(cè)量時(shí)，電容式傳感器具有平均效應(yīng)，可以減小工件表面粗糙度等對(duì)測(cè)量的影響。6.2.3光電式傳感器

光電式光電式傳感器是基于光電效應(yīng)的傳感器，在受到可見光照射后即產(chǎn)生光電效應(yīng)，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。它除能測(cè)量光強(qiáng)之外，還能利用光線的透射、遮擋、反射、干涉等測(cè)量多種物理量，如尺寸、位移、速度、溫度等，因而是一種應(yīng)用極廣泛的重要敏感器件。優(yōu)點(diǎn)：光電式在測(cè)量時(shí)不與被測(cè)對(duì)象直接接觸，在測(cè)量中不存在摩擦和對(duì)被測(cè)對(duì)象幾乎不施加壓力。因此在許多應(yīng)用場(chǎng)合，光電式傳感器比其他傳感器有明顯的優(yōu)越性。

缺點(diǎn)：在某些應(yīng)用方面，光學(xué)器件和電子器件價(jià)格較貴，并且對(duì)測(cè)量的環(huán)境條件要求較高。6.2.3光電式傳感器光電式傳感器要將光信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，必須經(jīng)過兩個(gè)步驟：先將非電量的變化轉(zhuǎn)化成光量的變化；通過光電器件的作用，將光量的變化轉(zhuǎn)化成電量的變化，這樣就實(shí)現(xiàn)了非電量的變化。如下圖所示。下面是常見的光電器件：6.2.4壓電式傳感器

壓電式壓電式傳感器是一種自發(fā)電式傳感器，它以某些電介質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，在外力作用下，在電介質(zhì)表面產(chǎn)生電荷，從而實(shí)現(xiàn)非電量電測(cè)的目的。

壓電式傳感器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。優(yōu)點(diǎn)：頻帶寬、靈敏度高、信噪比高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠和重量輕等。

缺點(diǎn)：某些壓電材料需要防潮措施，而且輸出的直流響應(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。6.2.4壓電式傳感器壓電式傳感器結(jié)構(gòu)如下圖所示。壓電式傳感器具有著體積小、質(zhì)量小，頻響高、信噪比大等特點(diǎn)。因此在工程力學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、石油勘探、聲波測(cè)井、電聲學(xué)等諸多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。6.2.5磁電式傳感器

磁電式磁電感應(yīng)式傳感器是利用電磁感應(yīng)原理將被測(cè)量如振動(dòng)、位移、轉(zhuǎn)速等轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的一種傳感器。它是一種機(jī)—電能量變換型傳感器，利用導(dǎo)體和磁場(chǎng)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)而在導(dǎo)體兩端輸出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，其不需要供應(yīng)電源，電路簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，輸出阻抗小，又具有一定的頻率響應(yīng)范圍等優(yōu)點(diǎn)，所以有著廣泛的應(yīng)用，例如用來轉(zhuǎn)速測(cè)量、振動(dòng)測(cè)量以及扭矩測(cè)量等。6.2.5磁電式傳感器結(jié)構(gòu)原理如下圖所示：磁電感應(yīng)式傳感器由兩個(gè)基本元件組成：一個(gè)是產(chǎn)生恒定直流磁場(chǎng)的磁路系統(tǒng)，為了減小傳感器體積，一般采用永久磁鐵；另一個(gè)是線圈，由它與磁場(chǎng)中的磁通交鏈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。

感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與磁通變化率或者線圈與磁場(chǎng)相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度成正比，因此必須使它們之間有一個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)。作為運(yùn)動(dòng)部件，可以是線圈，也可以是永久磁鐵。所以，必須合理地選擇它們的結(jié)構(gòu)形式、材料和結(jié)構(gòu)尺寸，以滿足傳感器的基本性能要求。6.2.6霍爾式傳感器

霍爾式霍爾傳感器是根據(jù)霍爾效應(yīng)制作的一種磁場(chǎng)傳感器?；魻栃?yīng)于1879年在研究金屬的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)時(shí)發(fā)現(xiàn)的。后來發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體、導(dǎo)電流體等也有這種效應(yīng)，而半導(dǎo)體的霍爾效應(yīng)比金屬強(qiáng)得多，于是就利用這現(xiàn)象制成了各種霍爾元件，廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)及信息處理等方面。優(yōu)點(diǎn)：霍爾元件具有對(duì)磁場(chǎng)敏感、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、頻率響應(yīng)寬、輸出電壓變化大和使用壽命長(zhǎng)等，因此，在測(cè)量、自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。通過霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)定的霍爾系數(shù)，能夠判斷半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類型、載流子濃度及載流子遷移率等重要參數(shù)。6.2.6霍爾式傳感器霍爾效應(yīng)從本質(zhì)上講是運(yùn)動(dòng)的帶電粒子在磁場(chǎng)中受洛侖茲力作用引起的偏轉(zhuǎn)。當(dāng)帶電粒子被約束在固體材料中，這種偏轉(zhuǎn)就導(dǎo)致在垂直電流和磁場(chǎng)的方向上產(chǎn)生正負(fù)電荷的聚積，從而形成附加的橫向電場(chǎng)。

對(duì)于下圖中的半導(dǎo)體試樣，若在ab方向通以電流Is，在垂直方向加磁場(chǎng)B，則在垂直于電流和磁場(chǎng)方向的cd方向就開始聚積電荷而產(chǎn)生相應(yīng)的附加電場(chǎng)。電場(chǎng)的指向決定于測(cè)試樣品的電場(chǎng)類型。6.2.7智能傳感器

智能傳感器智能傳感器是具有信息處理功能的傳感器。智能傳感器帶有微處理機(jī)，具有采集、處理、交換信息的能力，是傳感器集成化與微處理機(jī)相結(jié)合的產(chǎn)物。與一般傳感器相比，智能傳感器通過軟件技術(shù)可實(shí)現(xiàn)高精度的信息采集，而且成本低；具有一定的編程自動(dòng)化能力。智能傳感器能將檢測(cè)到的各種物理量?jī)?chǔ)存起來，并按照指令處理這些數(shù)據(jù)，從而創(chuàng)造出新數(shù)據(jù)，智能傳感器之間也能夠進(jìn)行信息交流，并能自我決定應(yīng)該傳送的數(shù)據(jù)，舍棄異常數(shù)據(jù)，完成分析和統(tǒng)計(jì)計(jì)算等。6.2.7智能傳感器智能式傳感器結(jié)構(gòu)如下圖所示。智能傳感器具有以下功能：（1）信息存儲(chǔ)和傳輸（2）自補(bǔ)償和計(jì)算功能（3）自檢、自校、自診斷功能（4）復(fù)合敏感功能（5）智能傳感器的集成化6.3傳感器的特性參數(shù)6.3.1傳感器的靜態(tài)特性傳感器的基本特性主要分為靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性。

傳感器的靜態(tài)特性傳感器的靜態(tài)特性是指對(duì)靜態(tài)的輸入信號(hào)、傳感器的輸出量與輸入量之間所具有相互關(guān)系。因?yàn)檫@時(shí)輸入量和輸出量都和時(shí)間無關(guān)，所以它們之間的關(guān)系可以用一個(gè)不含時(shí)間變量的代數(shù)方程，或以輸入量作橫坐標(biāo)，把與其對(duì)應(yīng)的輸出量作縱坐標(biāo)而畫出的特性曲線來描述。傳感器靜態(tài)特性的主要參數(shù)有：線性度、靈敏度、遲滯、重復(fù)性、漂移等。6.3.1傳感器的靜態(tài)特性

傳感器的靜態(tài)特性1.線性度線性度指?jìng)鞲衅鬏敵隽颗c輸入量之間的實(shí)際關(guān)系曲線偏離擬合直線的程度。即在全量程范圍內(nèi)實(shí)際特性曲線與擬合直線之間的最大偏差值與滿量程輸出值之比。如下圖所示。6.3.1傳感器的靜態(tài)特性2.靈敏度靈敏度是傳感器靜態(tài)特性的一個(gè)重要指標(biāo)。其定義為輸出量的增量Δy與引起該增量的相應(yīng)輸入量增量Δx之比。它表示單位輸入量的變化所引起傳感器輸出量的變化，顯然，靈敏度S值越大，表示傳感器越靈敏。如下圖所示。

6.3.1傳感器的靜態(tài)特性3.遲滯傳感器在輸入量由小到大(正行程)及輸入量由大到小(反行程)變化期間其輸入輸出特性曲線不重合的現(xiàn)象稱為遲滯。也就是說，對(duì)于同一大小的輸入信號(hào)，傳感器的正反行程輸出信號(hào)大小不相等，這個(gè)差值稱為遲滯差值。如下圖所示。6.3.1傳感器的靜態(tài)特性4.重復(fù)性重復(fù)性是指?jìng)鞲衅髟谳斎肓堪赐环较蜃魅砍踢B續(xù)多次變化時(shí)，所得特性曲線不一致的程度，如下圖所示。

6.3.1傳感器的靜態(tài)特性5.漂移傳感器的漂移是指在輸入量不變的情況下，傳感器輸出量隨著時(shí)間變化，此現(xiàn)象稱為漂移。產(chǎn)生漂移的原因有兩個(gè)方面：一是傳感器自身結(jié)構(gòu)參數(shù)；二是周圍環(huán)境。6.測(cè)量范圍傳感器所能測(cè)量到的最小輸入量與最大輸入量之間的范圍稱為傳感器的測(cè)量范圍。7.量程

傳感器測(cè)量范圍的上限值與下限值的代數(shù)差，稱為量程。6.3.1傳感器的靜態(tài)特性8.精度

傳感器的精度是指測(cè)量結(jié)果的可靠程度，是測(cè)量中各類誤差的綜合反映，測(cè)量誤差越小，傳感器的精度越高。9.分辨率

傳感器能檢測(cè)到輸入量最小變化量的能力稱為分辨力。對(duì)于某些傳感器，如電位器式傳感器，當(dāng)輸入量連續(xù)變化時(shí)，輸出量只做階梯變化，則分辨力就是輸出量的每個(gè)“階梯”所代表的輸入量的大小。10.閾值

閾值是指能使傳感器的輸出端產(chǎn)生可測(cè)變化量的最小被測(cè)輸入量值，即零點(diǎn)附近的分辨力。

6.3.1傳感器的靜態(tài)特性11.穩(wěn)定性

穩(wěn)定性表示傳感器在一個(gè)較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)保持其性能參數(shù)的能力。理想的情況是不論什么時(shí)候，傳感器的特性參數(shù)都不隨時(shí)間變化。但實(shí)際上，隨著時(shí)間的推移，大多數(shù)傳感器的特性會(huì)發(fā)生改變。這是因?yàn)槊舾性驑?gòu)成傳感器的部件，其特性會(huì)隨時(shí)間發(fā)生變化，從而影響了傳感器的穩(wěn)定性。6.3.2傳感器的動(dòng)態(tài)特性

傳感器的動(dòng)態(tài)特性傳感器的動(dòng)態(tài)特性是指輸入量隨時(shí)間變化時(shí)傳感器的響應(yīng)特性。由于傳感器具有慣性和滯后性，當(dāng)被測(cè)量隨時(shí)間變化時(shí)，傳感器的輸出往往來不及達(dá)到平衡狀態(tài)，處于動(dòng)態(tài)過渡過程之中，所以傳感器的輸出量也是關(guān)于時(shí)間的函數(shù)，其間的關(guān)系要用動(dòng)態(tài)特性來表示。傳感器的動(dòng)態(tài)特性不僅與傳感器的“固有因素”有關(guān)，還與傳感器輸入量的變化形式有關(guān)。也就是說，同一個(gè)傳感器在不同形式的輸入信號(hào)作用下，輸出量的變化也是不同的，通常選用幾種典型的輸入信號(hào)作為標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)，研究傳感器的響應(yīng)特性。有瞬態(tài)響應(yīng)特性、頻率響應(yīng)特性。6.3.2傳感器的動(dòng)態(tài)特性（1）瞬態(tài)響應(yīng)特性傳感器的瞬態(tài)響應(yīng)是時(shí)間響應(yīng)。在研究傳感器的動(dòng)態(tài)特性時(shí)，有時(shí)需要從時(shí)域中對(duì)傳感器的響應(yīng)和過渡過程進(jìn)行分析，這種分析方法稱為時(shí)域分析法。（2）頻率響應(yīng)特性傳感器對(duì)不同頻率成分的正弦輸入信號(hào)的響應(yīng)特性，稱為頻率響應(yīng)特性。一個(gè)傳感器輸入端有正弦信號(hào)作用時(shí)，其輸出響應(yīng)仍然是同頻率的正弦信號(hào)，只是與輸入端正弦信號(hào)的幅值和相位不同。頻率響應(yīng)法是從傳感器的頻率特性出發(fā)研究傳感器的輸出與輸入的幅值比和兩者相位差的變化。6.4常見傳感器及應(yīng)用6.4.1常見傳感器按照原理分類包括電學(xué)式傳感器和磁學(xué)式傳感器。

電學(xué)式傳感器是非電量電測(cè)技術(shù)中應(yīng)用范圍較廣的一種傳感器，常用的有電阻式傳感器、電容式傳感器、電感式傳感器、磁電式傳感器及電渦流式傳感器等；

磁學(xué)式傳感器是利用鐵磁物質(zhì)的一些物理效應(yīng)而制成的，主要用于位移、轉(zhuǎn)矩等參數(shù)的測(cè)量。根據(jù)被測(cè)對(duì)象進(jìn)行劃分，常見的有溫度傳感器、濕度傳感器、壓力傳感器、位移傳感器、加速度傳感器。6.4.1常見傳感器1.溫度傳感器溫度傳感器是一種能夠?qū)囟茸兓D(zhuǎn)換為電信號(hào)的裝置。它是利用某些材料或元件的性能隨溫度變化的特性進(jìn)行測(cè)溫的，如將溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻、熱電動(dòng)勢(shì)、磁導(dǎo)率變化以及熱膨脹的變化等，然后再通過測(cè)量電路來達(dá)到檢測(cè)溫度的目的。下圖是常用的溫度傳感器。6.4.1常見傳感器2.濕敏傳感器濕敏傳感器是能夠感受外界濕度變化，并通過器件材料的物理或化學(xué)性質(zhì)變化，將濕度轉(zhuǎn)化成電信號(hào)的器件。濕度檢測(cè)較之其他物理量的檢測(cè)顯得困難，這首先是因?yàn)榭諝庵兴魵夂恳瓤諝馍俚枚?；另外，液態(tài)水會(huì)使一些高分子材料和電解質(zhì)材料溶解，一部分水分子電離后與溶入水中的空氣中的雜質(zhì)結(jié)合成酸或堿，使?jié)衩舨牧喜煌潭鹊厥艿礁g并加速老化，從而喪失其原有的性質(zhì)。6.4.1常見傳感器3.CCD圖像傳感器CCD圖像傳感器也稱為電荷耦合元件CCD。CCD是一種半導(dǎo)體器件，能夠把光學(xué)影像轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。CCD上植入的微小光敏物質(zhì)稱作像素，一塊CCD上包含的像素量越多，其提供的畫面分辨率也就越高。CCD的作用就像膠片一樣，但它是把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電荷信號(hào)，CCD上有許多排列整齊的光電二極管，能感應(yīng)光線，并將光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，經(jīng)外部采樣放大及模數(shù)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像信號(hào)。6.4.1常見傳感器4.氣敏傳感器氣敏傳感器是用來檢測(cè)氣體濃度和成分的傳感器，它對(duì)于環(huán)境保護(hù)和安全監(jiān)督方面起著極其重要的作用。氣敏傳感器將氣體種類及其與濃度有關(guān)的信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，根據(jù)這些電信號(hào)的強(qiáng)弱就可以獲得與待測(cè)氣體在環(huán)境中的存在情況有關(guān)的信息，從而可以進(jìn)行檢測(cè)、監(jiān)控、報(bào)警；還可以通過接口電路與計(jì)算機(jī)組成自動(dòng)檢測(cè)、控制和報(bào)警系統(tǒng)。氣敏傳感器的應(yīng)用主要有：一氧化碳?xì)怏w的檢測(cè)、瓦斯氣體的檢測(cè)、煤氣的檢測(cè)、氟利昂（R11、R12）的檢測(cè)、呼氣中乙醇的檢測(cè)、人體口腔口臭的檢測(cè)等。6.4.1常見傳感器5.壓力傳感器壓力傳感器是工業(yè)實(shí)踐中最為常用的一種傳感器。通常使用的壓力傳感器主要是利用壓電效應(yīng)制成的，這樣的傳感器稱為壓電傳感器。壓電式加速度傳感器是一種常用的加速度計(jì)，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)異的特點(diǎn)，在飛機(jī)、汽車、船舶、橋梁和建筑的振動(dòng)和沖擊測(cè)量中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，下面是常用傳感器圖所示。6.4.1常見傳感器6.加速度傳感器加速度傳感器是一種能夠測(cè)量加速度的傳感器。通常由質(zhì)量塊、阻尼器、彈性元件、敏感元件和適調(diào)電路等部分組成。傳感器在加速過程中，通過對(duì)質(zhì)量塊所受慣性力的測(cè)量，利用牛頓第二定律獲得加速度值。根據(jù)傳感器敏感元件的不同，常見的加速度傳感器包括電容式、電感式、應(yīng)變式、壓阻式、壓電式等。如下圖所示。6.4.2傳感器分類用途表常見傳感器分類與用途見下表：傳感器分類轉(zhuǎn)換原理傳感器名稱典型應(yīng)用轉(zhuǎn)換形式中間參量電參數(shù)電阻移動(dòng)電位器角點(diǎn)改變電阻電位器傳感器位移改變電阻絲或片尺寸電阻絲應(yīng)變傳感器、半導(dǎo)體應(yīng)變傳感器徽應(yīng)變、力、負(fù)荷利用電阻的溫度效應(yīng)熱絲傳感器氣流速度、液體流量電阻溫度傳感器溫度、輻射熱熱敏電阻傳感器溫度電容改變電容的幾何尺寸電容傳感器力、壓力、負(fù)荷、位移改變電容的介電常數(shù)液位、厚度、含水量電感改變磁路幾何尺寸、導(dǎo)磁體位置電感傳感器位移渦流去磁效應(yīng)渦流傳感器位移、厚度、含水量利用壓磁效應(yīng)壓磁傳感器力、壓力改變互感差助變壓器位移自整角機(jī)旋轉(zhuǎn)變壓器6.4.2傳感器分類用途表傳感器分類轉(zhuǎn)換原理傳感器名稱典型應(yīng)用轉(zhuǎn)換形式中間參量電參數(shù)頻率改變諧振回路中的固有參數(shù)振弦式傳感器壓力、力振筒式傳感器氣壓石英諧振傳感器力、溫度等計(jì)數(shù)利用莫爾條紋光柵大角位移、大直線位移改變互感感應(yīng)同步器利用拾磁信號(hào)磁場(chǎng)數(shù)字利用數(shù)字編號(hào)角度編碼器大角位移電能量電動(dòng)勢(shì)溫差電動(dòng)勢(shì)熱電偶溫度、電流霍爾效應(yīng)霍爾傳感器磁通、電流電磁感應(yīng)磁電傳感器速度、加速度光電效應(yīng)光電池光照度電荷輻射電離電離室離子計(jì)數(shù)、放射性強(qiáng)度壓電效應(yīng)壓電傳感器動(dòng)態(tài)力、加速度6.5傳感器網(wǎng)絡(luò)ZigBee6.5.1ZigBee網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)生現(xiàn)如今，以傳感器和自組織網(wǎng)絡(luò)為代表的無線應(yīng)用并不需要較高的傳輸帶寬，但卻需要較低的傳輸延時(shí)和極低的功率消耗。目前迫切需要一種符合傳感器和低端的、面向控制的、應(yīng)用簡(jiǎn)單的專用標(biāo)準(zhǔn)。ZigBee的出現(xiàn)正好解決了這一問題，它是一種基于低速無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的雙向無線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。ZigBee有著高通信效率、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本、高安全性以及全數(shù)字化等諸多優(yōu)點(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)使得ZigBee和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)完美地結(jié)合在一起?；赯igBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究和開發(fā)已得到越來越多的關(guān)注。6.5.2ZigBee網(wǎng)絡(luò)的主要特性ZigBee技術(shù)的主要特點(diǎn)如下。（1）數(shù)據(jù)傳輸速率低。

只有10k字節(jié)/秒到250k字節(jié)/秒，專注于低傳輸應(yīng)用。（2）功耗低。（3）成本低。

因?yàn)閆igBee數(shù)據(jù)傳輸速率低，協(xié)議簡(jiǎn)單，所以降低了成本。（4）時(shí)延短。

通常時(shí)延都在15毫秒至30毫秒之間。（5）安全。

ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，加密算法采用AES-128，同時(shí)可以靈活確定其安全屬性。6.5.2ZigBee網(wǎng)絡(luò)的主要特性（6）網(wǎng)絡(luò)容量大。

每個(gè)ZigBee設(shè)備可以與另外254臺(tái)設(shè)備相連接。（7）優(yōu)良的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠芰ΑigBee具有星、樹和叢網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的能力。ZigBee設(shè)備實(shí)際上具有無線網(wǎng)絡(luò)自愈能力，能簡(jiǎn)單地覆蓋廣闊范圍。（8）有效范圍小。

有效覆蓋范圍10～75米之間，具體依據(jù)實(shí)際發(fā)射功率的大小和各種不同的應(yīng)用模式而定，基本上能夠覆蓋普通的家庭或辦公室環(huán)境。（9）工作頻段靈活。

使用的頻段分別為2.4GHz(全球)、868MHz(歐洲)及915MHz(美國(guó))，均為免執(zhí)照頻段。6.5.3ZigBee網(wǎng)絡(luò)組成ZigBee的基礎(chǔ)是IEEE802.15.4，被稱作IEEE802.15.4（ZigBee）技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。IEEE僅處理的是低級(jí)MAC層和物理層協(xié)議，因此ZigBee聯(lián)盟對(duì)其網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和API進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，如下圖所示。每個(gè)協(xié)調(diào)器可連接多達(dá)255個(gè)節(jié)點(diǎn)，幾個(gè)ZigBee協(xié)調(diào)器就可以組成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。ZigBee聯(lián)盟還開發(fā)了安全層，以保證這種便攜設(shè)備不會(huì)意外泄漏其標(biāo)識(shí)，而且這種利用網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)距離傳輸不會(huì)被其它節(jié)點(diǎn)獲得。6.5.3ZigBee網(wǎng)絡(luò)組成ZigBee技術(shù)組成的無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)是一種低速率的無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)（LR－WPAN）。LR-WPAN主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)安裝容易、數(shù)據(jù)傳輸可靠、短距離通信、非常低的成本以及功耗，并擁有一個(gè)簡(jiǎn)單而靈活的通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。這種低速率無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉，具有有限的功率和靈活的吞吐量。

在一個(gè)LR-MPAN網(wǎng)絡(luò)中，可同時(shí)存在兩種類型的設(shè)備，一種是完整功能的設(shè)備（FFD），另一種是簡(jiǎn)化功能的設(shè)備（RFD）。

我們?cè)?.5.4節(jié)中具體介紹FFD與RFD。6.5.4ZigBee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與協(xié)議

ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

Zigbee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)中定義了三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式：星狀結(jié)構(gòu)，樹狀結(jié)構(gòu)，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。如下圖所示。星型網(wǎng)絡(luò)中所有的終端設(shè)備都只能與協(xié)調(diào)器相連。最大可連接的終端設(shè)備可達(dá)65535個(gè)。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)具有自修復(fù)功能，是一個(gè)高級(jí)別的冗余性網(wǎng)絡(luò)。一般情況下，它能自動(dòng)地選擇最優(yōu)的傳播路徑。當(dāng)路由器節(jié)點(diǎn)部署的密度足夠大時(shí)，一旦一條最優(yōu)的通信路徑中斷，網(wǎng)絡(luò)會(huì)自動(dòng)在冗余的其他路徑中選擇另一條最適合的路徑來維持正常通信。6.5.4ZigBee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與協(xié)議Zigbee網(wǎng)絡(luò)只支持2種物理設(shè)備；全功能設(shè)備(FFD)和精簡(jiǎn)功能設(shè)備(RFD)。其中FFD設(shè)備可提供全部服務(wù)，可充當(dāng)任何Zigbee節(jié)點(diǎn)，不僅可以發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，還具有路由功能，因此可以接收子節(jié)點(diǎn)；

而RFD設(shè)備只提供部分服務(wù)，只能充當(dāng)終端節(jié)點(diǎn)，不能充當(dāng)協(xié)調(diào)器和路由節(jié)點(diǎn)，它只負(fù)責(zé)將采集的數(shù)據(jù)信息發(fā)送給協(xié)調(diào)器和路由節(jié)點(diǎn)，并不具備路由功能，因此不能接收子節(jié)點(diǎn)，并且RFD之間的通信必須通過FFD才能完成。Zigbee標(biāo)準(zhǔn)在此基礎(chǔ)上定義了三種節(jié)點(diǎn)：Zigbee協(xié)調(diào)點(diǎn)(Coordinator)、路由節(jié)點(diǎn)(Router)和終端節(jié)點(diǎn)(EndDevice)。在網(wǎng)絡(luò)中，一個(gè)FFD可以同時(shí)和多個(gè)RFD或多個(gè)其他的FFD通信，而對(duì)于一個(gè)RDF來說，它只能和一個(gè)FFD進(jìn)行通信。6.5.4ZigBee協(xié)議架構(gòu)ZigBee協(xié)議棧構(gòu)架如下圖所示。物理層傳入數(shù)據(jù)請(qǐng)求、關(guān)聯(lián)、解除關(guān)聯(lián)和孤立通知請(qǐng)求。ZigBee設(shè)備對(duì)象（ZDO）負(fù)責(zé)接收和處理遠(yuǎn)程設(shè)備的不同請(qǐng)求。介質(zhì)訪問控制（MAC）層實(shí)現(xiàn)了IEEE802.15.4規(guī)范所要求的功能，并負(fù)責(zé)同物理層（PhysicalLayer）進(jìn)行交互。6.5.4ZigBee協(xié)議架構(gòu)典型的應(yīng)用程序總是與應(yīng)用層（APL）和應(yīng)用支持子層（APS）接口相關(guān)聯(lián)，APL模塊提供高級(jí)協(xié)議棧管理功能。APS層主要提供ZigBee端點(diǎn)接口。應(yīng)用程序?qū)⑹褂迷搶哟蜷_或關(guān)閉一個(gè)或多個(gè)端點(diǎn)并且獲取或發(fā)送數(shù)據(jù)。它還為鍵值對(duì)（KVP）和報(bào)文（MSG）數(shù)據(jù)傳輸提供了原語。當(dāng)首次對(duì)協(xié)調(diào)器編程時(shí)綁定表為空，主應(yīng)用程序必須調(diào)用正確的綁定API來創(chuàng)建新的綁定項(xiàng)。APS還有一個(gè)間接發(fā)送緩沖器RAM（RandomAccessMemory），用來存儲(chǔ)間接幀，直到目標(biāo)接收者請(qǐng)求這些幀為止。MAC_MAX_DATA_REQ_PERIOD編譯時(shí)間選項(xiàng)定義了確切的請(qǐng)求時(shí)間。節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求數(shù)據(jù)時(shí)間越長(zhǎng)，數(shù)據(jù)包需要保存在間接發(fā)送緩沖器里的時(shí)間也越長(zhǎng)，數(shù)據(jù)請(qǐng)求時(shí)間越長(zhǎng)需要的間接緩沖空間越大。6.5.4ZigBee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與協(xié)議

服務(wù)原語服務(wù)是一個(gè)協(xié)議層向其上一層提供的功能，而服務(wù)用戶的功能是建立在其下一層提供基礎(chǔ)之上的。服務(wù)是通過服務(wù)提供層和服務(wù)用戶之間的信息流來描述的，每個(gè)事件通過層間SPA發(fā)送一個(gè)服務(wù)原語。

服務(wù)原語是一個(gè)抽象的概念，它僅僅指定了實(shí)現(xiàn)特定的服務(wù)需要傳遞的信息，而與實(shí)現(xiàn)服務(wù)原語的具體方式無關(guān)。一種服務(wù)包括一個(gè)和多個(gè)服務(wù)原語，原語中的參數(shù)用來傳遞提供服務(wù)所要求的信息。原語通常分為如下幾種類型。6.5.4ZigBee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與協(xié)議Request：該原語用在上層向下層請(qǐng)求服務(wù)或者一個(gè)設(shè)備的下層向另一個(gè)設(shè)備

的對(duì)等層請(qǐng)求服務(wù)。Confirm：該原語與request原語作用相反，用在下層向上層返回服務(wù)或者對(duì)等

層向下層返回服務(wù)Indication：該原語用在上層不知道網(wǎng)絡(luò)事件發(fā)生的情況下，下層向上層通知

該事件的發(fā)生。Response：該原語用在一個(gè)設(shè)備的下層向另一個(gè)設(shè)備的對(duì)等層返回request要

求的服務(wù)。用來表示對(duì)用戶執(zhí)行上一條原語調(diào)用過程的響應(yīng)。Confirm：確認(rèn)原語，用來傳送一個(gè)或多個(gè)前面服務(wù)原語的執(zhí)行結(jié)果。primit_join與direct_join的區(qū)別：這是兩種原語，用來設(shè)定設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)的方式。6.5.4ZigBee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與協(xié)議NLME-PERMIT-JOINING.request原語：

該原語允許ZigBee協(xié)調(diào)器或路由器上層設(shè)定其MAC層連接許可標(biāo)志，在一定期間內(nèi)，允許其他設(shè)備同網(wǎng)絡(luò)連接。之后設(shè)備可以通過關(guān)聯(lián)（association）方式加入到網(wǎng)絡(luò)中，通常都是這種方式。NLME-DIRECT-JOIN.request原語：

該原語給出了ZigBee協(xié)調(diào)器或路由器的上層如何請(qǐng)求直接把另一個(gè)設(shè)備連接到自己的網(wǎng)絡(luò)，之后設(shè)備只能通過直接（direct）方式加入到網(wǎng)絡(luò)中，這種方式比較少。6.5.5ZigBee技術(shù)應(yīng)用范圍ZigBee可以應(yīng)用到幾乎所有行業(yè)的低數(shù)據(jù)速率的無線通信。其中，更適合在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、家庭自動(dòng)化、遙測(cè)遙控、汽車自動(dòng)化、農(nóng)業(yè)自動(dòng)化和醫(yī)療護(hù)理等方面的應(yīng)用。（1）智能家居ZigBee模塊可安裝在電視、燈泡、遙控器、游戲機(jī)、門禁系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)和其他家電產(chǎn)品中，實(shí)現(xiàn)家居的照明、溫度、安全和電氣智能控制。（2）工業(yè)應(yīng)用通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)收集廠區(qū)各種設(shè)備信息，并將信息送達(dá)中央控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析，以掌握工廠的整體信息。6.5.5ZigBee技術(shù)應(yīng)用范圍（3）智能交通沿著街道、高速公路及其其他地方布置大量ZigBee節(jié)點(diǎn)設(shè)備，人們就不會(huì)再擔(dān)心迷路；安裝在汽車?yán)锏膶?dǎo)航顯示器會(huì)告知當(dāng)前所處的位置，正向何處去；即使在GPS覆蓋不到的樓內(nèi)或隧道內(nèi)，仍能繼續(xù)使用ZigBee系統(tǒng)。（4）智能建筑通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)，智能建筑可以感知大樓內(nèi)隨處可能發(fā)生的火災(zāi)隱情，及早提供相關(guān)信息；及時(shí)掌握樓內(nèi)人員的出入信息，隨時(shí)隨地得到導(dǎo)航信息。（5）醫(yī)院應(yīng)用

ZigBee網(wǎng)絡(luò)可以幫助醫(yī)生及時(shí)、準(zhǔn)確收集急診病人的信息和檢查結(jié)果，快速準(zhǔn)備的做出診斷。攜帶ZigBee終端的患者不論走到哪里，都可以被24小時(shí)監(jiān)控體溫、脈搏等；6.6組建ZigBee網(wǎng)絡(luò)6.6.1ZigBee模塊的組網(wǎng)Zigbee網(wǎng)絡(luò)具有三種網(wǎng)絡(luò)形態(tài)節(jié)點(diǎn)：Coordinator（中心協(xié)調(diào)器），Router（路由器），EndDevice（終端節(jié)點(diǎn)）。1.中心協(xié)調(diào)器在一個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)有節(jié)點(diǎn)加入時(shí)，中心協(xié)調(diào)器會(huì)分配地址給子節(jié)點(diǎn)。沒有低功耗狀態(tài)。每個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)只需要且一個(gè)Coordinator，不同網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)ID號(hào)是不一樣的，如果在同一空間存在二個(gè)Coordinator，如果它們初始的網(wǎng)絡(luò)ID號(hào)一樣，則后上電的Coordinator的網(wǎng)絡(luò)ID號(hào)會(huì)自動(dòng)加一，以免引起網(wǎng)絡(luò)ID號(hào)沖突。6.6.1ZigBee模塊的組網(wǎng)2.路由器路由器負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)資料包，尋找最適合的路由路徑，當(dāng)有節(jié)點(diǎn)加入時(shí)，可為節(jié)點(diǎn)分配地址，不能進(jìn)入低功耗狀態(tài)，每個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)可能需要多個(gè)路由器，每個(gè)路由器可以收發(fā)數(shù)據(jù)也可以轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，當(dāng)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)全部由Coordinator（1個(gè)）及Router（多個(gè)）構(gòu)成時(shí)，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)才是真正的MESH網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)全部是自動(dòng)路由到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。3.終端節(jié)點(diǎn)終端節(jié)點(diǎn)選擇已經(jīng)存在的Zigbee網(wǎng)絡(luò)加入，可以收發(fā)數(shù)據(jù)，但是不能轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，EndDevice通常定義為電池供電設(shè)備，可周期性喚醒并執(zhí)行設(shè)定的任務(wù)，具有低功耗特征。6.6.1ZigBee模塊的組網(wǎng)下圖是ZigBee網(wǎng)絡(luò)圖：對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用的Zigbee網(wǎng)絡(luò)，用戶的配置通常是1個(gè)中心協(xié)調(diào)器+n個(gè)路由器（全功能節(jié)點(diǎn)），可根據(jù)需要選擇一定數(shù)量的終端節(jié)點(diǎn)。6.6.1ZigBee模塊的組網(wǎng)Zigbee模塊有二種類型的節(jié)點(diǎn)，即Coordinator（主節(jié)點(diǎn)）及Router（從節(jié)點(diǎn)），每個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)主節(jié)點(diǎn)及N個(gè)從節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，同一個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，所有的節(jié)點(diǎn)必須具有相同的頻道及網(wǎng)絡(luò)ID。下圖是ZigBee模塊圖。6.6.1ZigBee模塊的組網(wǎng)一般ZigBee模塊出廠時(shí)默認(rèn)的節(jié)點(diǎn)類型全部