物聯(lián)網(wǎng)概論-第5章 傳感器與無線傳感網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)概論TheIntroductionoftheInternetofThings物聯(lián)網(wǎng)概論第5章傳感器與無線傳感網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)概論5.1傳感器概述5.1.1傳感器的概念5.1.2傳感器的作用5.1.3傳感器的分類5.1.4傳感器的一般特性5.1.5傳感器的應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)概論5.1.1傳感器的概念

在物聯(lián)網(wǎng)的感知層中，信息的獲取與數(shù)據(jù)的采集主要采用自動識別技術(shù)和傳感器技術(shù)。傳感器技術(shù)和自動識別技術(shù)完全不同，傳感器是一種能把物理量或化學量轉(zhuǎn)變成便于利用的電信號的器件，可以感知周圍的溫度、速度、電磁輻射或氣體成分等，主要用來采集傳感器周圍的各種信息。物聯(lián)網(wǎng)概論5.1.1傳感器的概念

傳感器（Sensor；MeasuringElement；Transducer）是一種以一定的精確度把“被測量”轉(zhuǎn)換為與之有確定對應(yīng)關(guān)系的、便于應(yīng)用的某種物理量的測量裝置，能完成檢測任務(wù)；它的輸入量是某一被測量，可能是物理量，也可能是化學量、生物量等；它的輸出量是某種物理量，這種量要便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理、顯示等，這種量可以是氣、光、電量，但主要是電量；輸入與輸出的轉(zhuǎn)換規(guī)律已知，轉(zhuǎn)換精度要滿足測控系統(tǒng)的應(yīng)用要求。物聯(lián)網(wǎng)概論5.1.1傳感器的概念

物聯(lián)網(wǎng)概論5.1.2傳感器的作用

傳感器已經(jīng)滲透到各個領(lǐng)域，現(xiàn)在從基礎(chǔ)學科的研究到自動化工業(yè)生產(chǎn)，幾乎每一個項目都離不開各種各樣的傳感器。

在物聯(lián)網(wǎng)中，傳感器是整個物聯(lián)網(wǎng)中需求量最大和最為基礎(chǔ)的環(huán)節(jié)之一。物聯(lián)網(wǎng)的概念傳到我國以后，我國提出了感知中國的發(fā)展目標，在物聯(lián)網(wǎng)中人們?yōu)榱烁兄饨绛h(huán)境，同樣必須借助于傳感器的幫助。物聯(lián)網(wǎng)概論5.1.2傳感器的作用

物聯(lián)網(wǎng)概論5.1.3傳感器的分類

1.按工作原理分類物聯(lián)網(wǎng)概論5.1.3傳感器的分類

2.按用途分類

這種分類方法可以按不同用途作為分類的依據(jù)。3.按輸出信號分類

這種分類方法可以按信號的不同輸出方式作為分類的依據(jù)。按輸出信號傳感器可以分為模擬傳感器、數(shù)字傳感器、開關(guān)傳感器等。物聯(lián)網(wǎng)概論5.1.3傳感器的分類

4.按材料分類

這種分類方法按材料作為分類依據(jù)。在外界因素的作用下，所有材料都會做出相應(yīng)的、具有特征性的反應(yīng)。5.按工藝分類

6.按能量轉(zhuǎn)換的方式分類物聯(lián)網(wǎng)概論5.1.4傳感器的一般特性

傳感器要感受被測非電量的變化，并將其不失真地變換成相應(yīng)的電量，這取決于傳感器的基本特征。傳感器可以看成是二端口網(wǎng)絡(luò)，傳感器的基本特性可以用二端口網(wǎng)絡(luò)的輸入-輸出特性來表示。物聯(lián)網(wǎng)概論5.1.4傳感器的一般特性

傳感器的靜態(tài)特性是指當被測量的值處于穩(wěn)定狀態(tài)時，傳感器的輸出量與輸入量之間所具有的相互關(guān)系。這時輸入量和輸出量都和時間無關(guān)，所以它們之間的關(guān)系，即傳感器的靜態(tài)特性可以用一個不含時間變量的方程來表示。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、漂移和絕緣電阻等。物聯(lián)網(wǎng)概論5.1.4傳感器的一般特性

傳感器的動態(tài)特性，是指傳感器在輸入量隨時間變化時，它的輸出量隨時間變化的特性。這時當被測量隨時間變化時，傳感器的輸出量也是時間的函數(shù)，其間的關(guān)系需要用動態(tài)特性來表示。物聯(lián)網(wǎng)概論5.1.5傳感器的應(yīng)用

現(xiàn)在無論是宏觀上要觀察上千光年的茫茫宇宙，還是微觀上要觀察小到納米的粒子世界，或者是縱向上要觀察長達數(shù)十萬年的天體演化，都需要獲取準確可靠的信息，傳感器就是獲取上述準確可靠信息的主要途徑。物聯(lián)網(wǎng)概論5.1.5傳感器的應(yīng)用

傳感器現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于航天、航空、國防、科技和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等各個領(lǐng)域。一些傳感器，比如壓力傳感器、溫度傳感器、流量傳感器、水平傳感器等已經(jīng)比較成熟。傳感器的主要增長來自于無線傳感器、微機電系統(tǒng)（MicroElectro-MechanicalSystems，MEMS）傳感器、生物傳感器等新興傳感器。物聯(lián)網(wǎng)概論5.2傳感器的工作原理與選擇原則5.2.1應(yīng)變式傳感器5.2.2光電傳感器5.2.3超聲波傳感器5.2.4半導(dǎo)體傳感器5.2.5智能傳感器5.2.6傳感器選擇的一般原則物聯(lián)網(wǎng)概論5.2.1應(yīng)變式傳感器

當被測物理量作用在彈性元件上時，彈性元件的變形會引起應(yīng)變敏感元件阻值的變化，這樣就構(gòu)成了電阻應(yīng)變式傳感器。這種傳感器通過轉(zhuǎn)換電路可以將阻值的變化轉(zhuǎn)變成電壓輸出，電壓變化的大小就可以反映出被測物理量的大小。應(yīng)變式傳感器的靈敏度較高，目前已經(jīng)應(yīng)用于各種檢測系統(tǒng)中。物聯(lián)網(wǎng)概論5.2.2光電傳感器

光電傳感器是采用光電元件作為檢測元件的傳感器。光電傳感器的基礎(chǔ)是光電轉(zhuǎn)換元件的光電效應(yīng)，是將光通量轉(zhuǎn)換為電量的一種傳感器。由于光電測量方法靈活多樣，可測參數(shù)眾多，具有非接觸、高精度、高可靠性和反應(yīng)快等特點，使得光電傳感器在檢測和控制領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)概論5.2.2光電傳感器

光電傳感器一般由光源、光學通路和光電器件三部分組成，其中表示被測量可以直接引起光量變化的檢測方式，表示被測量在光傳播過程中調(diào)制光量的檢測方式。物聯(lián)網(wǎng)概論5.2.2光電傳感器

物聯(lián)網(wǎng)概論5.2.2光電傳感器

物聯(lián)網(wǎng)概論5.2.3超聲波傳感器

聲音是由物體振動產(chǎn)生的。人們能聽到的聲音頻率在20Hz-20KHz范圍內(nèi)，超過20KHz稱為超聲波，常用的超聲波頻率為幾十KHz至幾十MHz。超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器，對液體、固體的穿透本領(lǐng)很大，在不透明的固體中尤其適用，可穿透幾十米的深度。物聯(lián)網(wǎng)概論5.2.3超聲波傳感器

物聯(lián)網(wǎng)概論5.2.4半導(dǎo)體傳感器

半導(dǎo)體傳感器（SemiconductorTransducer）是利用半導(dǎo)體材料各種物理和化學特性制成的傳感器。半導(dǎo)體傳感器利用了近百種物理效應(yīng)和材料特性，種類繁多。半導(dǎo)體傳感器所采用的半導(dǎo)體材料多數(shù)是硅以及化合物，優(yōu)點是靈敏度高、響應(yīng)速度快、體積小、重量輕，便于集成化、智能化，能使檢測與轉(zhuǎn)換一體化。物聯(lián)網(wǎng)概論5.2.4半導(dǎo)體傳感器

物聯(lián)網(wǎng)概論5.2.4半導(dǎo)體傳感器

物聯(lián)網(wǎng)概論5.2.5智能傳感器

智能傳感器（IntelligentSensor，SmartSensor）是具有信息處理功能的傳感器。智能傳感器帶有微處理器，具有采集、處理和交換信息的能力，是對外界信息具有一定的檢測、自診斷、數(shù)據(jù)處理以及自適應(yīng)能力的傳感器。與傳統(tǒng)傳感器相比，智能傳感器可以通過軟件技術(shù)實現(xiàn)高精度的信息采集，具有一定的編程自動化能力，可實現(xiàn)多種多樣的功能。物聯(lián)網(wǎng)概論5.2.5智能傳感器

物聯(lián)網(wǎng)概論5.2.5智能傳感器

網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器是將通信技術(shù)、傳感器技術(shù)和計算機技術(shù)融合在一起，從而實現(xiàn)信息采集、信息傳輸和信息處理的統(tǒng)一與協(xié)同。網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器不僅將敏感元件、轉(zhuǎn)換電路和變送器結(jié)合為一體，實現(xiàn)了智能化，而且在內(nèi)部嵌入了通信協(xié)議，具有強大的通信功能，實現(xiàn)了信息的網(wǎng)絡(luò)化傳輸。物聯(lián)網(wǎng)概論5.2.5智能傳感器

物聯(lián)網(wǎng)概論5.2.5智能傳感器

智能微塵（SmartDust）是指具有電腦功能的一種超微型傳感器。智能微塵是以無線方式傳遞信息的傳感器，具有低成本、低功率（手機功率的1/1000）等特征，尺寸可以小到1mm以下。智能微塵可以探測周圍諸多的環(huán)境參數(shù)，能夠收集大量數(shù)據(jù)，并進行適當?shù)挠嬎闾幚?。物?lián)網(wǎng)概論5.2.5智能傳感器

物聯(lián)網(wǎng)概論5.2.6傳感器選擇的一般原則

如何選擇傳感器，是進行某個量的測量時首先要解決的問題。當傳感器確定之后，與之配套的測量方法和測量設(shè)備也就確定了。測量的成敗，在很大程度上取決于傳感器的選用是否合理。物聯(lián)網(wǎng)概論5.2.6傳感器選擇的一般原則1.確定傳感器的類型2.靈敏度的選擇3.線性范圍的選擇4.穩(wěn)定性的選擇5.精度的選擇物聯(lián)網(wǎng)概論5.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

5.3.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組成5.3.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點5.3.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)核心技術(shù)5.3.4無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議5.3.5無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)概論5.3.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組成

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WirelessSensorNetwork，WSN）由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的傳感器節(jié)點組成，這些節(jié)點數(shù)量很大、體積微小，通過無線通信方式形成一個多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)。

WSN是物聯(lián)網(wǎng)的基本組成部分，可以將客觀物理世界與信息世界融合在一起，能夠改變?nèi)伺c自然界的交互方式，極大地擴展現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的功能和人類認識世界的能力。物聯(lián)網(wǎng)概論5.3.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組成WSN通常包括傳感器節(jié)點（SensorNode）、匯聚節(jié)點（SinkNode）和管理節(jié)點。大量傳感器節(jié)點隨機部署在檢測區(qū)域（SensorField）內(nèi)部或者附近，通過自組織的方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點檢測到的數(shù)據(jù)沿著其他節(jié)點逐跳地進行傳輸，在傳輸過程中檢測數(shù)據(jù)可能被多個節(jié)點處理，經(jīng)過多跳路由后到達匯聚節(jié)點，最后通過互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星到達管理節(jié)點。物聯(lián)網(wǎng)概論5.3.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組成

物聯(lián)網(wǎng)概論5.3.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點WSN就是由大量廉價微型的傳感器節(jié)點，通過無線通信方式形成的一個特殊的Adhoc網(wǎng)絡(luò)。WSN隨機分布的集成有傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和通信模塊的微小節(jié)點通過自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，借助節(jié)點中內(nèi)置的形式多樣的傳感器，可以協(xié)作地測量所在周邊環(huán)境中的熱、紅外、聲納、雷達和地震波等信號。物聯(lián)網(wǎng)概論5.3.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點WSN是一種全新的信息獲取平臺，能夠?qū)崟r監(jiān)測和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)各種檢測對象的信息，并將這些信息發(fā)送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點，以實現(xiàn)指定范圍內(nèi)目標的檢測與跟蹤。WSN具有移動性和自組織性，是一個動態(tài)的大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)，在硬件資源有限、能量受限、無人值守的環(huán)境下，可以將數(shù)據(jù)傳送給用戶。物聯(lián)網(wǎng)概論5.3.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點

（1）動態(tài)性網(wǎng)絡(luò)

（2）硬件資源有限

（3）能量受限

（4）大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)

（5）以數(shù)據(jù)為中心

（6）廣播式通信

（7）無人值守

（8）易受物理環(huán)境影響物聯(lián)網(wǎng)概論5.3.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)核心技術(shù)

在確定采用WSN技術(shù)進行應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計后，首先面臨的問題是采用哪種組網(wǎng)模式。WSN可以采用下面的組網(wǎng)模式。

（1）扁平組網(wǎng)模式

（2）基于分簇的層次型組網(wǎng)模式

（3）網(wǎng)狀網(wǎng)模式

（4）移動匯聚模式物聯(lián)網(wǎng)概論5.3.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)核心技術(shù)

組網(wǎng)模式?jīng)Q定了網(wǎng)絡(luò)的總體拓撲結(jié)構(gòu)，但為了實現(xiàn)WSN的低能耗運行，還需要對節(jié)點連接關(guān)系的時變規(guī)律進行細粒度控制。目前主要的拓撲控制技術(shù)分為時間控制、空間控制和邏輯控制3種。物聯(lián)網(wǎng)概論5.3.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)核心技術(shù)

媒體訪問控制和鏈路控制可以解決無線網(wǎng)絡(luò)中普遍存在的沖突和丟失問題，能夠根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)流的狀態(tài)控制臨近節(jié)點、乃至網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點的信道訪問方式和順序，從而達到高效利用網(wǎng)絡(luò)容量、減低能耗的目的。物聯(lián)網(wǎng)概論5.3.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)核心技術(shù)WSN中的數(shù)據(jù)流向與Internet相反。在Internet中，終端設(shè)備主要從網(wǎng)絡(luò)上獲取信息；而在WSN中，終端設(shè)備是向網(wǎng)絡(luò)提供信息。因此，WSN網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的設(shè)計有自己的獨特要求。由于WSN對能量效率有苛刻的要求，研究人員通常利用媒體訪問控制的跨層服務(wù)來選擇轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點和數(shù)據(jù)流向。物聯(lián)網(wǎng)概論5.3.4無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議WSN的數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層都有反映自身特點的協(xié)議。在WSN中，數(shù)據(jù)鏈路層用于構(gòu)建底層的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，控制無線信道的合理使用，確保點到點或點到多點的可靠連接；網(wǎng)絡(luò)層則負責路由的查找和數(shù)據(jù)包的傳送。物聯(lián)網(wǎng)概論5.3.4無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

1.MAC協(xié)議MAC協(xié)議處于數(shù)據(jù)鏈路層，是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的底層部分，主要用于為數(shù)據(jù)的傳輸建立連接，以及在各節(jié)點之間合理有效地共享通信資源。MAC協(xié)議對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能有較大的影響，是保證網(wǎng)絡(luò)高效通信的關(guān)鍵協(xié)議之一。物聯(lián)網(wǎng)概論5.3.4無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

2.路由協(xié)