CIMS基本知識與支撐技術物聯(lián)網(wǎng)

專題一：

CIMS基本知識與支撐技術(下)朱海平機械學院制造裝備數(shù)字化國家工程中心/工業(yè)工程系現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)技術物聯(lián)網(wǎng)概述RFID無線傳感器網(wǎng)絡22023/1/11物聯(lián)網(wǎng)的起源與發(fā)展1995年比爾·蓋茨在《未來之路》一書中就已經(jīng)提及類似于物品互聯(lián)的想法，只是當時受限于無線網(wǎng)絡、硬件及傳感設備的發(fā)展，并未引起重視。物聯(lián)網(wǎng)的起源與發(fā)展1999年，美國麻省理工大學Auto-ID研究中心的創(chuàng)建者之一的KevinAshton教授在他的一個報告中首次使用了“InternetofThings”這個短語Auto-ID中心的目標就是在Internet的基礎上建造一個網(wǎng)絡，實現(xiàn)計算機與物品（objects）之間的互聯(lián)，這里的物品包括各種各樣的硬件設備、軟件、協(xié)議等等。物聯(lián)網(wǎng)的起源與發(fā)展1999年至2003年，物聯(lián)網(wǎng)方面的工作局限于實驗室中，這一時期的主要工作集中在物品身份的自動識別，如何減少識別錯誤和提高識別效率是關注的重點。2003年，“EPC決策研討會”在芝加哥召開。作為物聯(lián)網(wǎng)方面第一個國際會議，該研討會得到了全球90多個公司的大力支持。從此，物聯(lián)網(wǎng)相關工作開始走出實驗室。EPC:

ElectronicProductCode(產(chǎn)品電子代碼)物聯(lián)網(wǎng)的起源與發(fā)展經(jīng)過工業(yè)界與學術界的共同努力，2005年物聯(lián)網(wǎng)終于大放異彩。這一年，國際電信聯(lián)盟（ITU）發(fā)布了題為《ITU互聯(lián)網(wǎng)報告2005：物聯(lián)網(wǎng)》的報告，物聯(lián)網(wǎng)概念開始正式出現(xiàn)在官方文件中。物聯(lián)網(wǎng)的起源與發(fā)展從此以后，物聯(lián)網(wǎng)獲得跨越式的發(fā)展，美國、中國、日本以及歐洲一些國家紛紛將發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)基礎設施列為國家戰(zhàn)略發(fā)展計劃的重要內容。在美國，IBM提出了“智慧地球”的構想，其中物聯(lián)網(wǎng)是不可缺少的一部分，2009年1月，美國將其提升到國家戰(zhàn)略。物聯(lián)網(wǎng)的起源與發(fā)展在歐洲，2009年6月，歐盟在比利時首都布魯塞爾向歐洲議會、歐洲理事會、歐洲經(jīng)濟與社會委員會和地區(qū)委員會提交了以《物聯(lián)網(wǎng)——歐洲行動計劃》為題的公告，其目的是希望歐洲通過構建新型物聯(lián)網(wǎng)管理框架來引領世界物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展。

物聯(lián)網(wǎng)的起源與發(fā)展歐盟委員會提出物聯(lián)網(wǎng)的三方面特性：第一，不能簡單的將物聯(lián)網(wǎng)看做互聯(lián)網(wǎng)的延伸，物聯(lián)網(wǎng)建立在特有基礎設施上，將是一系列新的獨立系統(tǒng)，當然，部分基礎設施仍要依存于現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)。第二，物聯(lián)網(wǎng)將伴隨新的業(yè)務共同發(fā)展；第三，物聯(lián)網(wǎng)包括了多種不同的通信模式，物與人通信，物與物通信，其中特別強調了包括機對機通信（M2M）。物聯(lián)網(wǎng)的起源與發(fā)展在我國，2009年8月溫家寶總理視察無錫中科院物聯(lián)網(wǎng)技術研發(fā)中心時指出并強調，要盡快突破物聯(lián)網(wǎng)核心技術，把傳感技術和TD的發(fā)展結合起來此后，我國官方對物聯(lián)網(wǎng)的多次提議和眾多規(guī)劃表示我國物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展已正式提上議事日程。物聯(lián)網(wǎng)概念物聯(lián)網(wǎng)的英英文名稱為為“TheInternetofThings”，由該名稱稱可見，物物聯(lián)網(wǎng)就是是“物物相相連的互聯(lián)聯(lián)網(wǎng)”從網(wǎng)絡結構構上看，物物聯(lián)網(wǎng)就是是通過Internet將眾多信息息傳感設備備與應用系系統(tǒng)連接起起來并在廣廣域網(wǎng)范圍圍內對物品品身份進行行識別的分分布式系統(tǒng)統(tǒng)。物聯(lián)網(wǎng)概念物聯(lián)網(wǎng)的概概念是在1999年提出的。。當時基于于互聯(lián)網(wǎng)、、RFID技術、EPC標準，在計計算機互聯(lián)聯(lián)網(wǎng)的基礎礎上，利用用射頻識別別技術、無無線數(shù)據(jù)通通信技術等等，構造了了一個實現(xiàn)現(xiàn)全球物品品信息實時時共享的實實物互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)“Internetofthings”（IOT，簡稱物聯(lián)聯(lián)網(wǎng)）。物聯(lián)網(wǎng)定義及及組成1.物聯(lián)網(wǎng)定義義目前較為公公認的物聯(lián)聯(lián)網(wǎng)的定義義是：通過射頻識識別（RFID）裝置、紅紅外感應器器、全球球定位系統(tǒng)統(tǒng)、激光掃掃描器等信信息傳感設設備，按約約定的協(xié)議議，把任何何物品與互互聯(lián)網(wǎng)相連連接，進行行信息交換換和通信，，以實現(xiàn)智智能化識別別、定位、、跟蹤、監(jiān)監(jiān)控和管理理的一種網(wǎng)網(wǎng)絡。當每個而不不是每種物物品能夠被被唯一標識識后，利用用識別、通通信和計算算等技術，，在互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)基礎上，，構建的連連接各種物物品的網(wǎng)絡絡，就是人人們常說的的物聯(lián)網(wǎng)。。物聯(lián)網(wǎng)定義及及組成物聯(lián)網(wǎng)中的的“物”的涵涵義要滿足足以下條件件才能夠被被納入“物物聯(lián)網(wǎng)”的的范圍：①要有相相應信息的的接收器；；②要有數(shù)數(shù)據(jù)傳輸通通路；③要有一一定的存儲儲功能；④要有CPU；物聯(lián)網(wǎng)定義及及組成⑤要有操操作系統(tǒng)；；⑥要有專專門的應用用程序；⑦要有數(shù)數(shù)據(jù)發(fā)送器器；⑧遵循物物聯(lián)網(wǎng)的通通信協(xié)議；；⑨在世界界網(wǎng)絡中有有可被識別別的唯一編編號。物聯(lián)網(wǎng)定義及及組成2.物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)發(fā)展與形成成物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)發(fā)展跟互聯(lián)聯(lián)網(wǎng)是分不不開的，主主要兩個層層面的意思思：物聯(lián)網(wǎng)的核核心和基礎礎仍然是互互聯(lián)網(wǎng)，它它是在互聯(lián)聯(lián)網(wǎng)基礎上上的延伸和和擴展;第二，物聯(lián)聯(lián)網(wǎng)是比互互聯(lián)網(wǎng)更為為龐大的網(wǎng)網(wǎng)絡，其網(wǎng)網(wǎng)絡連接延延伸到了任任何的物品品和物品之之間，這些些物品可以以通過各種種信息傳感感設備與互互聯(lián)網(wǎng)絡連連接在一起起，進行更更為復雜的的信息交換換和通信。。物聯(lián)網(wǎng)定義及及組成3物聯(lián)網(wǎng)的三三大特征一般認為,物聯(lián)網(wǎng)具有有以下的三三大特征:①全面感知利用RFID、傳感器、、二維碼等等隨時隨地地獲取物體體的信息。。②可靠傳遞遞通過無線網(wǎng)網(wǎng)絡與互聯(lián)聯(lián)網(wǎng)的融合合，將物體體的信息實實時準確地地傳遞給用用戶。物聯(lián)網(wǎng)定義及及組成③智能處理理利用云計算算、數(shù)據(jù)挖挖掘以及模模糊識別等等人工智能能技術，對對海量的數(shù)數(shù)據(jù)和信息息進行分析析和處理，，對物體實實施智能化化的控制。。物聯(lián)網(wǎng)概念念模型物聯(lián)網(wǎng)技術術概論物聯(lián)網(wǎng)是典典型的交叉叉學科，它它所涉及的的核心技術術包括IPv6技術、云計計算技術、、傳感技術術、RFID智能識別技技術、無線線通信技術術等。因此，從技技術角度講講，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)專業(yè)主要要涉及的專專業(yè)有：計計算機科學學與工程、、電子與電電氣工程、、電子信息息與通訊、、自動控制制、遙感與與遙測、精精密儀器、、電子商務務等等。物聯(lián)網(wǎng)技術概概論物聯(lián)網(wǎng)3層結構感知層智能嵌入式式標識、感知知協(xié)同、互動動網(wǎng)絡層融合接入信息存儲應用層數(shù)據(jù)挖掘決策物聯(lián)網(wǎng)技術概概論物聯(lián)網(wǎng)的技技術體系框框架物聯(lián)網(wǎng)技術體體系1.感知、網(wǎng)絡絡通信和應應用關鍵技技術①傳感和和識別技術術是物聯(lián)網(wǎng)感感知物理世世界獲取信信息和實現(xiàn)現(xiàn)物體控制制的首要環(huán)環(huán)節(jié)。傳感器將物物理世界中中的物理量量、化學量量、生物量量轉化成可可供處理的的數(shù)字信號號。識別技術實實現(xiàn)對物聯(lián)聯(lián)網(wǎng)中物體體標識和位位臵信息的的獲取。物聯(lián)網(wǎng)技術體體系②網(wǎng)絡通通信技術主要實現(xiàn)物物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)據(jù)信息和控控制信息的的雙向傳遞遞、路由和和控制.重點包括低低速近距離離無線通信信技術、低低功耗路由由、自組織織通信、無無線接入M2M通信增強、、IP承載技術、、網(wǎng)絡傳送送技術、異異構網(wǎng)絡融融合接入技技術以及認認知無線電電技術。物聯(lián)網(wǎng)技術體體系③海量信信息智能處處理綜合運用高高性能計算算、人工智智能、數(shù)據(jù)據(jù)庫和模糊糊計算等技技術，對收收集的感知知數(shù)據(jù)進行行通用處理理，重點涉涉及數(shù)據(jù)存存儲、并行行計算、數(shù)數(shù)據(jù)挖掘、、平臺服務務、信息呈呈現(xiàn)等。物聯(lián)網(wǎng)技術體體系④面向服服務的體系系架構（Service-orientedArchitecture，SOA）是一種松耦耦合的軟件件組件技術術，它將應應用程序的的不同功能能模塊化，，并通過標標準化的接接口和調用用方式聯(lián)系系起來，實實現(xiàn)快速可可重用的系系統(tǒng)開發(fā)和和部署。SOA可提高物聯(lián)聯(lián)網(wǎng)架構的的擴展性，，提升應用用開發(fā)效率率，充分整整合和復用用信息資源源。物聯(lián)網(wǎng)技術體體系2.支撐技術物聯(lián)網(wǎng)支撐撐技術包括括嵌入式系系統(tǒng)、微機機電系統(tǒng)（（MicroElectroMechanicalSystems，MEMS）、軟件和和算法、電電源和儲能能、新材料料技術等。。①微機電系系統(tǒng)可實現(xiàn)對傳感感器、執(zhí)行器器、處理器、、通信模塊、、電源系統(tǒng)等等的高度集成成，是支撐傳傳感器節(jié)點微微型化、智能能化的重要技技術。物聯(lián)網(wǎng)技術體系系②嵌入式系系統(tǒng)是滿足物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)對設備功能能、可靠性、、成本、體積積、功耗等的的綜合要求，，可以按照不不同應用定制制裁剪的嵌入入式計算機技技術，是實現(xiàn)現(xiàn)物體智能的的重要基礎。。③軟件和算法法是實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)功能、決定定物聯(lián)網(wǎng)行為為的主要技術術，重點包括括各種物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)計算系統(tǒng)的的感知信息處處理、交互與與優(yōu)化軟件與與算法、物聯(lián)聯(lián)網(wǎng)計算系統(tǒng)統(tǒng)體系結構與與軟件平臺研研發(fā)等。物聯(lián)網(wǎng)技術體系系④電源和儲儲能是物聯(lián)網(wǎng)關鍵鍵支撐技術之之一，包括電電池技術、能能量儲存、能能量捕獲、惡惡劣情況下的的發(fā)電、能量量循環(huán)、新能能源等技術。。⑤新材料技技術主要是指應用用于傳感器的的敏感元件實實現(xiàn)的技術。。傳感器敏感感材料包括濕濕敏材料、氣氣敏材料、熱熱敏材料、壓壓敏材料、光光敏材料等。。新敏感材料料的應用可以以使傳感器的的靈敏度、尺尺寸、精度、、穩(wěn)定性等特特性獲得改善善。物聯(lián)網(wǎng)技術體系系3.共性技術物聯(lián)網(wǎng)共性技技術涉及網(wǎng)絡絡的不同層面面，主要包括括架構技術、、標識和解析析、安全和隱隱私、網(wǎng)絡管管理技術等。。物聯(lián)網(wǎng)架構技技術目前處于于概念發(fā)展階階段。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)需具有統(tǒng)一一的架構，清清晰的分層，，支持不同系系統(tǒng)的互操作作性，適應不不同類型的物物理網(wǎng)絡，適適應物聯(lián)網(wǎng)的的業(yè)務特性。。物聯(lián)網(wǎng)技術體系系①標識和解解析技術是對物理實體體、通信實體體和應用實體體賦予的或其其本身固有的的一個或一組組屬性，并能能實現(xiàn)正確解解析的技術。。物聯(lián)網(wǎng)標識和和解析技術涉涉及不同的標標識體系、不不同體系的互互操作、全球球解析或區(qū)域域解析、標識識管理等。物聯(lián)網(wǎng)技術體系系②安全和隱隱私技術包括安全體系系架構、網(wǎng)絡絡安全技術、、“智能物體”的廣泛部署對對社會生活帶帶來的安全威威脅、隱私保保護技術、安安全管理機制制和保證措施施等。網(wǎng)絡管理技術術重點包括管管理需求、管管理模型、管管理功能、管管理協(xié)議等。。為實現(xiàn)對物聯(lián)聯(lián)網(wǎng)廣泛部署署的"智能物體"的管理，需要要進行網(wǎng)絡功功能和適用性性分析，開發(fā)發(fā)適合的管理理協(xié)議。物聯(lián)網(wǎng)技術物聯(lián)網(wǎng)概述RFID無線傳感器網(wǎng)網(wǎng)絡322022/12/30什么是RFIDRFID（RadioFrequencyIdentification）即無線射頻識別技術，是一種種通信技術，，可通過無線線電訊號識別別特定目標并并讀寫相關數(shù)數(shù)據(jù)。RFID可開發(fā)出許多多新的應用領領域，被視為為最可能帶動動下一波產(chǎn)業(yè)業(yè)革命的技術術之一。33一套完整的RFID系統(tǒng),由三個部份所所組成：閱讀器(Reader)、電子標簽(Tag)、應用軟件系系統(tǒng)(Softwaresystem)。其工作原理是是：Reader發(fā)射一特定頻頻率的無線電電波能量給Tag,用以驅動Tag電路將內部的的數(shù)據(jù)送出，，此時Reader便依序接收解解讀數(shù)據(jù),送給應用程序序做相應的處處理。ReaderTagSoftwaresystemRFID系統(tǒng)工作原理穿透性：非接接觸，非可視視化遠距離：可達達3-10m多點同時讀取取：無須逐一一掃描，同時時讀取150個目標可重復讀和寫寫：并可識別別移動目標無方向性：作作用范圍內，，任意方向，，均可讀取標識能力：IPv6，可給地球上上每平方米6.5*10E+23個地址耐環(huán)境性：在在水、油、黑黑暗或臟污環(huán)環(huán)境中，也可可讀取數(shù)據(jù)安全：先進的的標簽級別的的安全加密編編碼和算法缺點：無法穿穿透金屬RFID技術特點1897年：發(fā)明無線電

1880年：對電磁場的基本理解

1922年：雷達技術誕生

1950年：RFID在實驗室應用

1950年：航空業(yè)開始使用

1970年：RFID的商業(yè)應用

1960年：EAS的發(fā)明1970－1980年：工業(yè)自動化和動物識別的應用1987年：電子收費系統(tǒng)在挪威應用1990年：RFID開始在美國變熱，美國鐵路開始使用1990年：在SCM和企業(yè)系統(tǒng)中應用2000年：沃爾瑪開始籌備使用2003年：EPC標準和聯(lián)盟形成，標志RFID進駛快車道RFID發(fā)展歷史與現(xiàn)現(xiàn)狀RFID與條碼RFID的頻率區(qū)段低頻(LF，介于9～135KHz)讀取范圍短，約15～20厘米高頻(HF，為13.56MHz)讀取范圍最大大約為1.5米超高頻(UHF，介于300～1,200MHz，其中歐規(guī)為為868MHz，美國為915MHz)長距離讀取功功能，約為4～7米微波(2.45或5.8GHz)38RFID主要頻段的特特性39RFID標簽特性有源RFID無源RFID標簽電源內置于標簽內讀卡器通過無線電頻率傳輸能量標簽電池有無所需信號強度低高范圍可達100m3到5米讀取多標簽1000個3米內幾百個數(shù)據(jù)存儲128Kb可讀可寫128字節(jié)可讀可寫40RFID標簽的封裝41RFID標簽打印機42RFID讀寫器43RFID讀寫方式44出庫RFIDReaderRFIDAntennaRFIDTagRFID實驗出庫RFIDReaderRFIDAntennaRFIDTagRFID實驗出庫RFIDReaderRFIDAntennaRFIDTagRFID實驗出庫RFIDReaderRFIDAntennaRFID實驗基于RFID系統(tǒng)的基本結結構4950基于RFID系統(tǒng)的基本結結構51基于RFID系統(tǒng)的基本結結構DOD

工業(yè)制造兩個在線DLA配送中心SanJoaquin,CA和Susquehanna,PARFID企業(yè)部署HDSmithPurdueWal*MartTargetAlbertsonsBestBuyStaplesInternationalPaperBoeingPacificCycle航空業(yè)McCarran和香港國際機場AsianaAirlinesVirginAtlanticBoeing零售店供應鏈|零售業(yè)|CPG工業(yè)倉庫RFID的典型應用行行業(yè)52物流與供應鏈鏈領域

由于缺貨損失的收入*高達690億美元配送中心/商店/貨架的庫存周轉率較差問題供應商應遵循：對所有包裝箱和貨盤貼上標簽使用RFID實現(xiàn)可視性和貨架跟蹤自動化解決方案提高配送中心商店貨架的庫存周轉率實時可視性降低庫存更好的供需平衡結果供應商零售商商店零售商配送中心(DC)53制造領域入口主要優(yōu)勢區(qū)域配送中心心零售商店具有RFID功能的堅固耐耐用的移動數(shù)數(shù)據(jù)終端讀取器和天線RFID標標簽只讀讀寫雙極天線標簽簽制造廠避免手動庫存存管理準確管理庫存存提高存貨可視視性和可跟蹤蹤性減少庫存量減少倉儲要求求通過JIT和庫存共享提提高生產(chǎn)率減少庫存損耗耗提高對產(chǎn)品召召回的響應自動更新供應應系統(tǒng)更好的失竊檢檢測54零售店內可視性性RFID標標簽每個物品零售商制造工工廠每日庫存可見見性和每周、、每月庫存可可見性更好的貨架商商品可售性解決產(chǎn)品缺貨貨問題（平均均缺貨率7.1%）減少少失失竊竊商店店A商店店B55工業(yè)倉倉庫庫庫庫存存跟跟蹤蹤地面面上上的的標標簽簽可可用用于于跟跟蹤蹤叉叉車車位位置置裝運運、、收收貨貨和和檢檢驗驗處處理理時時間可可縮縮短短20倍至至60倍配送送中中心心可可節(jié)節(jié)省省20%的運運營營成成本本讀取取貨貨架架標標簽簽以以驗驗證證正正確確的的貨貨盤盤放放置置位位置置56下一一代代的的機機場場技技術術更出色的安全性提高了旅客安全檢查和登機的

速度和效率57藥品品跟跟蹤蹤與未未來醫(yī)醫(yī)藥藥管管制制的的符合合性性防止止失失竊竊和和假假冒冒提高高對對到到期期藥藥品品和和存存貨貨量量的的控控制制58圖書書館館管管理理病房管管理理病房管管理理汽車車生生產(chǎn)產(chǎn)車車間間的的數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)采采集集62PLC自動控制與AVI系統(tǒng)集成沖壓車間沖壓件庫存焊裝車間WBS涂裝車間PBS總裝車間成品車庫存內飾線底盤線合裝線打碼機控制條碼掃描RFID自動識別設備控制電子看板按燈智能料架條碼掃描RFID實現(xiàn)現(xiàn)焊焊裝轉轉序序、、PBS路由由等等多多個個環(huán)環(huán)節(jié)節(jié)的的自自動動控控制制單批次次和和批批量量控控制制路由器器等等設設備備的的狀狀態(tài)態(tài)監(jiān)監(jiān)控控基于于RFID的PBS控制控制器RFID讀取器裝配線RFID標簽RFID主要要的的效效益益降低低庫庫存存降低低人人員員成成本本改善工工作作效效率率、、提提升升管管理理效效率率可視視化化供供應應鏈鏈流流程程、、改改進進決決策策體體系系貨物物辨辨別別改善善對對供供應應鏈鏈的的整整合合、、提提高高顧顧客客滿滿足足提高高設設備備使使用用率率64物聯(lián)聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)技技術術物聯(lián)聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)概概述述RFID無線線傳傳感感器器網(wǎng)網(wǎng)絡絡652022/12/30無線傳感器器網(wǎng)絡絡無線傳傳感器器網(wǎng)絡絡（WirelessSensorNetworks，WSN）是由由大量量部署署在作作用區(qū)區(qū)域內內的、、具有有無線線通信信與計計算能能力的的微小小傳感感器節(jié)節(jié)點通通過自自組織織方式式構成成的能能根據(jù)據(jù)環(huán)境境自主主完成成指定定任務務的分分布式式智能能化網(wǎng)網(wǎng)絡系系統(tǒng)。。傳感網(wǎng)網(wǎng)絡的的節(jié)點點間距距離很很短，，一般般采用用多跳跳（multi-hop）的無線通通信方式進進行通信。。傳感器網(wǎng)絡絡可以在獨獨立的環(huán)境境下運行，，也可以通通過網(wǎng)關連連接到Internet，使用戶可可以遠程訪訪問。無線傳感器網(wǎng)絡絡傳感器網(wǎng)絡絡綜合了傳傳感器技術術、嵌入式式計算技術術、現(xiàn)代網(wǎng)網(wǎng)絡及無線線通信技術術、分布式式信息處理理技術等，，能夠通過各各類集成化化的微型傳傳感器協(xié)作作地實時監(jiān)監(jiān)測、感知知和采集各各種環(huán)境或或監(jiān)測對象象的信息，，通過嵌入式式系統(tǒng)對信信息進行處處理，并通通過隨機自自組織無線線通信網(wǎng)絡絡以多跳中中繼方式將將所感知信信息傳送到到用戶終端端。EPC信息服務（（EPCIS）模塊無線傳感器器網(wǎng)絡工程程案例圖傳感器的組成和結結構1.傳感器的組組成傳感器一般般由敏感元元件、轉換換元件和測測量電路三三部分組成成，有時還還加上輔助助電源，其其典型組成成如下圖所所示。傳感器的組成和結結構（1）敏感元件件敏感元件（（SensitiveElement）直接感受受被測量，，并輸出與與被測量成成確定關系系的某一物物理量的元元件。（2）轉換元件件轉換元件（（TransductionElement）是傳感器器的核心元元件，它以以敏感元件件的輸出為為輸入，把把感知的非非電量轉換換為電信號號輸出。轉轉換元件本本身可作為為一個獨立立的傳感器器使用。這這樣的傳感感器一般稱稱為元件傳傳感器。傳感器的組成和結結構轉換元件也也可不直接接感受被測測量，而是是感受與被被測量成確確定關系的的其它非電電量，再把把這一“其其它非電量量”轉換為為電量。這這時轉換元元件本身不不作為一個個獨立的傳傳感器使用用，而作為為傳感器的的一個轉換換環(huán)節(jié)。而在傳感器器中，尚需需要一個非非電量(同類的或不不同類的)之間的轉化化環(huán)節(jié)。這這一轉換環(huán)環(huán)節(jié)，需要要由另外一一些部件（（敏感元件件等）來完完成，這樣樣的傳感器器通常稱為為結構式傳傳感器。傳感器的組成和結結構（3）變換電路路變換電路（（TransductionCircuit）將上述電電路參數(shù)接接入轉換電電路，便可可轉換成電電量輸出。。實際上，有有些傳感器器很簡單，，僅由一個個敏感元件件（兼作轉轉換元件））組成，它它感受被測測量時直接接輸出電量量，如熱電電偶。有些傳感器器由敏感元元件和轉換換元件組成成，沒有轉轉換電路。。有些傳感器器，轉換元元件不止一一個，要經(jīng)經(jīng)過若干次次轉換，較較為復雜，，大多數(shù)是是開環(huán)系統(tǒng)統(tǒng)，也有些些是帶反饋饋的閉環(huán)系系統(tǒng)。傳感器的組成和結結構2傳感器的結結構形式（1）選擇固定定信號方式式的傳感器器直接結構構固定定信信號號方方式式是是把把被被測測量量以以外外的的變變量量固固定定或或控控制制在在某某個個定定值值上上，，以以金金屬屬導導線線的的電電阻阻為為例例，，電電阻阻是是金金屬屬的的種種類類、、純純度度、、尺尺寸寸、、溫溫度度、、應應力力等等的的函函數(shù)數(shù)。。如僅僅選選擇擇根根據(jù)據(jù)溫溫度度產(chǎn)產(chǎn)生生的的變變化化作作為為信信號號時時就就可可制制成成電電阻阻溫溫度度計計；；如果果選選擇擇尺尺寸寸或或應應力力而而變變化化作作為為信信號號時時就就可可制制成成電電阻阻應應變變片片。。傳感感器器的組組成成和和結結構構選擇擇固固定定的的信信號號方方式式的的傳傳感感器器采采用用直直接接結結構構形形式式。。這這種種傳傳感感器器是是由由一一個個獨獨立立的的傳傳感感元元件件和和其其它它環(huán)環(huán)節(jié)節(jié)構構成成，，直直接接將將被被測測量量轉轉換換為為所所需需輸輸出出量量。。直直接接式式傳傳感感器器的的構構成成方方法法如如下下圖圖所所示示。。傳感感器器的組組成成和和結結構構圖（（a）是僅有傳感元元件的最簡單單的一種，如如熱電偶和壓壓電元件；圖（b）是使用電源提提供輸出能量量，如光敏晶晶體管；圖（c）是利用磁鐵為為傳感元件提提供能量，如如磁電式傳感感器；而霍爾爾傳感器則是是（b）（c）兩種情況的的結合。圖（d）所示的傳感元元件是阻抗元元件，輸入信信號改變其阻阻抗值，為得得到具有能量量的輸出信號號，必須設計計包括元件在在內的變換電電路，如具有有電橋電路的的電阻應變傳傳感器等。傳感器的組成和結構構（2）選擇補償信信號方式的傳傳感器補償結結構大多數(shù)情況下下，傳感器特特征要到周圍圍環(huán)境和內部部各種因素的的影響，在這這些影響下不不能忽略時，，必須采取一一定措施，以以消除這些影影響。補償式傳感器器的構成方法法傳感器的組成和結構構（3）選擇差動式式信號方式的的傳感器差動動結構使被測量反向向對稱變化，，影響量同向向對稱變化，，然后取其差差，就能有效效地將被測量量選擇出來，，這就是差動動方式。傳感器差動式式結構傳感器的組成和結構構（4）選擇平均信信號方式的傳傳感器平均結結構平均信號方式式來源于誤差差分析理論中中對隨機誤差差的平均效應應和信號（數(shù)數(shù)據(jù)）的平均均處理，在傳傳感器結構中中，利用n個相同的轉換換元件同時感感受被測量，，則傳感器的的輸出為各元元件輸出之和和，而隨機誤誤差則減小為為單個元件的的誤差。采用平均結構構的傳感器有有光柵、磁柵柵、容柵、感感應同步器等等，在具有差差動作用的同同時，具有明明顯的平均效效果。傳感感器器的組組成成和和結結構構（5）選選擇擇平平衡衡信信號號方方式式的的傳傳感感器器閉閉環(huán)環(huán)結結構構閉環(huán)環(huán)傳傳感感器器采采用用控控制制理理論論和和電電子子技技術術中中的的反反饋饋技技術術，，極極大大地地提提高高了了性性能能。。同同開開環(huán)環(huán)傳傳感感器器相相比比較較，，閉閉環(huán)環(huán)傳傳感感器器在在結結構構上上增增加加了了一一個個由由反反向向傳傳感感器器構構成成的的反反饋饋環(huán)環(huán)節(jié)節(jié)，，其其原原理理結結構構如如下下圖圖所所示示。。傳感感器器網(wǎng)絡絡體體系系結結構構1.無線線傳傳感感器器網(wǎng)網(wǎng)絡絡的的體體系系結結構構無線線傳傳感感器器網(wǎng)網(wǎng)絡絡是是一一種種由由大大量量小小型型傳傳感感器器所所組組成成的的網(wǎng)網(wǎng)絡絡。。這這些些小小型型傳傳感感器器一一般般稱稱作作sensornode（傳傳感感器器節(jié)節(jié)點點））或或者者mote（灰灰塵塵））。。此種種網(wǎng)網(wǎng)絡絡中中一一般般也也有有一一個個或或幾幾個個基基站站（（稱稱作作sink）用來集集中從小小型傳感感器收集集的數(shù)據(jù)據(jù)。傳感器網(wǎng)絡體系系結構無線傳感感器構成成自組織織網(wǎng)絡傳感器網(wǎng)絡體系系結構傳感器網(wǎng)網(wǎng)絡系統(tǒng)統(tǒng)通常包包括傳感感器節(jié)點點（sensornode）、匯聚聚節(jié)點（（sinknode）和管理理節(jié)點。。大量傳傳感器節(jié)節(jié)點隨機機部署在在監(jiān)測區(qū)區(qū)域內部部或附近近，能夠夠通過自自組織方方式構成成網(wǎng)絡。。傳感器節(jié)點監(jiān)監(jiān)測的數(shù)據(jù)沿沿著其他傳感感器節(jié)點逐跳跳進行傳輸，，在傳輸過程程中監(jiān)測數(shù)據(jù)據(jù)可能被多個個節(jié)點處理，，經(jīng)過多跳后后路由到匯聚聚節(jié)點，最后后通過互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)或衛(wèi)星到達達管理節(jié)點。。用戶通過管理理節(jié)點對傳感感器網(wǎng)絡進行行配置和管理理，發(fā)布監(jiān)測測任務以及收收集監(jiān)測數(shù)據(jù)據(jù)。傳感器網(wǎng)絡體系結構構2.傳感器節(jié)點傳感器節(jié)點由由傳感器模塊塊、處理器模模塊、無線通通信模塊和能能量供應模塊塊四部分組成成。此外，可以選選擇的其他功功能單元包括括：定位系統(tǒng)統(tǒng)、運動系統(tǒng)統(tǒng)以及發(fā)電裝裝置等。傳感器網(wǎng)絡體系結構構(1)傳感器模塊由傳感器和模模數(shù)轉換功能能模塊組成，，負責區(qū)域內內信息的采集集和數(shù)據(jù)轉換換；(2)處理器模塊由嵌入式系統(tǒng)統(tǒng)構成，包括括CPU、存儲器、嵌嵌入式操作系系統(tǒng)等，負責責控制整個傳傳感器節(jié)點的的操作，存儲儲和處理本身身采集的數(shù)據(jù)據(jù)以及其他節(jié)節(jié)點發(fā)來的數(shù)數(shù)據(jù)；傳感器網(wǎng)絡體系結構構(3)無線通信模塊塊由無線通信模模塊組成，負負責與其他傳傳感器節(jié)點進進行無線通信信，交換控制制信息和收發(fā)發(fā)采集數(shù)據(jù)；；(4)能量供應模塊塊為傳感器節(jié)點點提供運行所所需的能量，，通常采用微微型電池。傳感器網(wǎng)絡體系結構構在傳感器網(wǎng)絡絡中，節(jié)點通通過各種方式式大量部署在在被感知對象象內部或者附附近。這些節(jié)點通過過自組織方式式構成無線網(wǎng)網(wǎng)絡，以協(xié)作作的方式感知知、采集和處處理網(wǎng)絡覆蓋蓋區(qū)域中特定定的信息，可可以實現(xiàn)對任任意地點信息息在任意時間間的采集，處處理和分析。。一個典型的傳傳感器網(wǎng)絡的的結構包括分分布式傳感器器節(jié)點（群））、sink節(jié)點、互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)和用戶界面面等。傳感器網(wǎng)絡體系結構構傳感節(jié)點之間間可以相互通通信，自己組組織成網(wǎng)并通通過多跳的方方式連接至Sink（基站節(jié)點）），Sink節(jié)點收到數(shù)據(jù)據(jù)后，通過網(wǎng)網(wǎng)關（Gateway）完成和公用用Internet網(wǎng)絡的連接。。整個系統(tǒng)通過過任務管理器器來管理和控控制這個系統(tǒng)統(tǒng)。傳感器網(wǎng)絡體系結構構3.傳感器網(wǎng)絡協(xié)協(xié)議棧協(xié)議棧包括物物理層、數(shù)據(jù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)網(wǎng)絡層、傳輸輸層和應用層層，與互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)協(xié)議棧的五五層協(xié)議相對對應。另外，協(xié)議棧棧還包括能量量管理平臺、、移動管理平平臺和任務管管理平臺。這些管理平臺臺使得傳感器器節(jié)點能夠按按照能源高效效的方式協(xié)同同工作，在節(jié)節(jié)點移動的傳傳感器網(wǎng)絡中中轉發(fā)數(shù)據(jù)，，并支持多任任務和資源共共享。傳感器網(wǎng)絡體系結構構傳感器網(wǎng)絡協(xié)協(xié)議棧傳感器網(wǎng)絡體系結構構無線傳感器網(wǎng)網(wǎng)絡的特征是是：（1）無線傳感器器網(wǎng)絡包括了了大面積的空空間分布;（2）能源受限制制（3）網(wǎng)絡自動配配置，自動識識別節(jié)點（4）網(wǎng)絡的自動動管理和高度度協(xié)作性傳感器網(wǎng)絡體系結構構5.無線傳感器網(wǎng)網(wǎng)絡中的關鍵鍵技術（1）網(wǎng)絡拓撲控控制（2）網(wǎng)絡協(xié)議（3）時間同步（4）定位技術（5）數(shù)據(jù)融合（6）嵌入式操作作系統(tǒng)傳感器網(wǎng)絡體系結構構6.傳感器網(wǎng)絡與與RFID、物聯(lián)網(wǎng)、泛泛在網(wǎng)等關系系（1）傳感器與RFID的關系射頻標簽（RFID）技術和傳感感器具有不同同的技術特點點，傳感器網(wǎng)網(wǎng)絡可以監(jiān)測測感應到的各各種信息，但但缺乏對物品品的標識能力力，而RFID技術恰恰具有有強大的標識識物品能力。。傳感器網(wǎng)絡較較長的有效距距離將會拓展展RFID技術的應用范范圍。傳感器網(wǎng)絡和和RFID技術的融合和和系統(tǒng)集成將將極大地推動動兩項技術的的應用。傳感器網(wǎng)絡體系結構構（2）傳感器網(wǎng)絡絡與物聯(lián)網(wǎng)的的關系物聯(lián)網(wǎng)的概念念最早提出于于1999年，在早期的的概念中，物物聯(lián)網(wǎng)實質上上等于RFID技術加互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)。RFID標簽可謂是早早期的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)最為關鍵的的技術與產(chǎn)品品環(huán)節(jié)。現(xiàn)在的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)概念其實是是傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)和無線通信信技術的結合合，等同于廣廣義上的傳感感器網(wǎng)絡（即即傳感網(wǎng)），，可以理解為為：物聯(lián)網(wǎng)是是從產(chǎn)業(yè)和應應用角度，傳傳感器網(wǎng)絡是是從技術角度度對同一事物物的不同表述述，其實質是是完全相同的的。傳感器網(wǎng)絡體系結構構（3）傳感器網(wǎng)絡絡與泛在網(wǎng)的的關系泛在（Ubiquitous）網(wǎng)，即廣泛泛存在的網(wǎng)絡絡，即在任何何時間、任何何地點、任何何人、任何物物都能順暢地地通信。泛在網(wǎng)是把不不屬于電信范范疇的技術，，如傳感器技技術、標簽技技術等各種近近距離通信技技術納入其中中，從而構建建起一個范疇疇更大的網(wǎng)絡絡體系。從這個意義上上說，現(xiàn)有的的FTTH、IPv6、3G、Wi-Fi、RFID、藍牙技術等等都是組成泛泛在網(wǎng)的重要要技術。傳感器網(wǎng)絡自組網(wǎng)技技術1.自組織網(wǎng)自組織網(wǎng)的典典型例子就是是傘兵空降通通訊聯(lián)絡，當當一隊傘兵空空降后，每人人持有一個紫紫蜂網(wǎng)絡模塊塊終端，降落落到地面后，，只要他們彼彼此間在網(wǎng)絡絡模塊的通信信范圍內，通通過彼此自動動尋找，很快快就可以形成成一個互聯(lián)互互通的紫蜂網(wǎng)網(wǎng)絡。而且且，，由由于于人人員員的的移移動動，，彼彼此此間間的的聯(lián)聯(lián)絡絡還還會會發(fā)發(fā)生生變變化化。。因因而而，，模模塊塊還還可可以以通通過過重重新新尋尋找找通通信信對對象象，，確確定定彼彼此此間間的的聯(lián)聯(lián)絡絡，，對對原原有有網(wǎng)網(wǎng)絡絡進進行行刷刷新新。。這這就就是是自自組組織織網(wǎng)網(wǎng)。。傳感感器器網(wǎng)絡絡自自組組網(wǎng)網(wǎng)技技術術(1)自組組織織網(wǎng)網(wǎng)通通信信網(wǎng)狀狀網(wǎng)網(wǎng)通通信信實實際際上上就就是是多多通通道道通通信信，，在在實實際際工工業(yè)業(yè)現(xiàn)現(xiàn)場場，，由由于于各各種種原原因因，，往往往往并并不不能能保保證證每每一一個個無無線線通通道道都都能能夠夠始始終終暢暢通通，，就像像城城市市的的街街道道一一樣樣，，可可能能因因為為車車禍禍，，道道路路維維修修等等，，使使得得某某條條道道路路的的交交通通出出現(xiàn)現(xiàn)暫暫時時中中斷斷，，此此時時由由于于我我們們有有多多個個通通道道，，車車輛輛（（相相當當于于我我們們的的控控制制數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)））仍仍然然可可以以通通過過其其他他道道路路到到達達目目的的地地。。而而這這一一點點對對工工業(yè)業(yè)現(xiàn)現(xiàn)場場控控制制而而言言則則非非常常重重要要。。傳感感器器網(wǎng)絡絡自自組組網(wǎng)網(wǎng)技技術術(2)動態(tài)態(tài)路路由由方方式式所謂謂動動態(tài)態(tài)路路由由是是指指網(wǎng)網(wǎng)絡絡中中數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)傳傳輸輸?shù)牡?/p>