【大學(xué)課件】物聯(lián)網(wǎng)概論 無(wú)線單片機(jī)技術(shù)與傳感器技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)概論：無(wú)線單片機(jī)技術(shù)與傳感器技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)（IoT）正在改變我們的生活方式，連接著各種設(shè)備，從智能家居到工業(yè)自動(dòng)化。無(wú)線單片機(jī)和傳感器技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)的核心，它們負(fù)責(zé)收集數(shù)據(jù)、處理信息并與其他設(shè)備進(jìn)行通信。物聯(lián)網(wǎng)概念及應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)概念物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)將各種物理設(shè)備、傳感器、軟件連接到一起的網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)數(shù)據(jù)采集、分析和交互，實(shí)現(xiàn)物與物、物與人之間的互聯(lián)互通。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用廣泛，涵蓋智能家居、智慧城市、工業(yè)制造、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域。例如，智能家居可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制家電，智慧城市可以?xún)?yōu)化交通管理和資源分配。物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)11.感知層傳感器采集數(shù)據(jù)，例如溫度、濕度、光線等。22.網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)傳輸，例如無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、蜂窩網(wǎng)絡(luò)等。33.應(yīng)用層數(shù)據(jù)分析、處理和應(yīng)用，例如智能家居、智慧農(nóng)業(yè)等。微控制器技術(shù)嵌入式系統(tǒng)核心微控制器是嵌入式系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)控制和管理硬件，執(zhí)行應(yīng)用程序。多樣化功能微控制器包含多種功能模塊，例如CPU、內(nèi)存、I/O接口、定時(shí)器、中斷控制器等，滿足不同應(yīng)用需求。低功耗設(shè)計(jì)微控制器通常采用低功耗設(shè)計(jì)，適合電池供電的應(yīng)用場(chǎng)景，延長(zhǎng)設(shè)備運(yùn)行時(shí)間。無(wú)線通信技術(shù)藍(lán)牙技術(shù)藍(lán)牙技術(shù)是一種短距離無(wú)線通信技術(shù)，廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)、耳機(jī)等設(shè)備的連接。ZigBee技術(shù)ZigBee技術(shù)是一種低功耗、低數(shù)據(jù)速率的無(wú)線通信技術(shù)，適用于智能家居、工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域。LoRa技術(shù)LoRa技術(shù)是一種長(zhǎng)距離、低功耗的無(wú)線通信技術(shù)，適用于物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸。NB-IoT技術(shù)NB-IoT技術(shù)是一種窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，適用于低功耗、低數(shù)據(jù)速率的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。傳感器技術(shù)感知周?chē)h(huán)境傳感器將物理量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，例如溫度、濕度、光線、聲音。數(shù)據(jù)采集與傳輸傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)信號(hào)處理和傳輸，傳輸至微控制器或云端平臺(tái)。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用傳感器是物聯(lián)網(wǎng)的核心組件，為智能家居、智慧城市等應(yīng)用提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。微控制器架構(gòu)1核心處理器微控制器核心是中央處理器(CPU)，負(fù)責(zé)執(zhí)行程序并控制系統(tǒng)操作。2存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)程序代碼和數(shù)據(jù)，包括閃存(Flash)、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)和只讀存儲(chǔ)器(ROM)。3輸入/輸出(I/O)接口I/O接口用于與外部設(shè)備進(jìn)行通信，包括通用輸入/輸出(GPIO)引腳、串行通信接口(UART)等。4定時(shí)器/計(jì)數(shù)器定時(shí)器/計(jì)數(shù)器用于計(jì)時(shí)和產(chǎn)生時(shí)間信號(hào)，用于控制系統(tǒng)操作和處理事件。5模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)ADC用于將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，以便微控制器可以處理來(lái)自傳感器的模擬數(shù)據(jù)。6數(shù)字到模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)DAC用于將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，用于控制電機(jī)、LED等模擬設(shè)備。GPIO接口定義GPIO接口是指通用輸入輸出端口。它可以配置為輸入或輸出模式。功能GPIO可以用于控制外部設(shè)備，如LED燈、電機(jī)等。它也可以用于接收來(lái)自外部設(shè)備的信號(hào)，例如開(kāi)關(guān)、傳感器等。配置GPIO接口的配置取決于所用微控制器的型號(hào)?？梢酝ㄟ^(guò)軟件設(shè)置來(lái)配置GPIO接口的模式、方向和電平。應(yīng)用GPIO接口是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中常用的技術(shù)。它可以用于控制各種傳感器和執(zhí)行器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和控制功能。定時(shí)器/計(jì)數(shù)器定時(shí)器功能定時(shí)器用于產(chǎn)生特定時(shí)間間隔的定時(shí)信號(hào)，用于控制系統(tǒng)運(yùn)行流程和時(shí)間觸發(fā)事件。計(jì)數(shù)器功能計(jì)數(shù)器用于記錄外部事件發(fā)生的次數(shù)，可以用于測(cè)量時(shí)間、頻率或其他物理量。定時(shí)器/計(jì)數(shù)器類(lèi)型常見(jiàn)類(lèi)型包括定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、脈沖寬度調(diào)制器(PWM)和捕獲/比較模塊。應(yīng)用場(chǎng)景定時(shí)器和計(jì)數(shù)器廣泛應(yīng)用于各種應(yīng)用中，包括控制電機(jī)、測(cè)量時(shí)間、產(chǎn)生PWM信號(hào)等。中斷管理1中斷概念中斷是指在執(zhí)行程序時(shí)，由于外部或內(nèi)部事件引起的程序流程轉(zhuǎn)向，進(jìn)入中斷處理程序。2中斷優(yōu)先級(jí)多個(gè)中斷事件發(fā)生時(shí)，需要通過(guò)中斷優(yōu)先級(jí)來(lái)決定優(yōu)先處理哪一個(gè)。3中斷處理程序中斷處理程序是一段專(zhuān)門(mén)用來(lái)處理特定中斷事件的代碼，由中斷控制器調(diào)用執(zhí)行。4中斷向量表中斷向量表存放著不同中斷源對(duì)應(yīng)的中斷處理程序地址，用于快速查找和執(zhí)行中斷處理程序。ADC/DAC轉(zhuǎn)換模擬信號(hào)模擬信號(hào)是連續(xù)變化的信號(hào)，例如溫度、濕度、光照強(qiáng)度等。數(shù)字信號(hào)數(shù)字信號(hào)是離散變化的信號(hào)，通常用0和1表示，例如計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)。轉(zhuǎn)換器ADC/DAC轉(zhuǎn)換器用于將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，或?qū)?shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)。無(wú)線通信協(xié)議藍(lán)牙技術(shù)藍(lán)牙是一種短距離無(wú)線通信技術(shù)，適合用于連接智能設(shè)備，例如手機(jī)、耳機(jī)和智能家居設(shè)備。ZigBee技術(shù)ZigBee是一種低功耗、低成本的無(wú)線通信技術(shù)，適用于家庭自動(dòng)化、工業(yè)控制等領(lǐng)域。LoRa技術(shù)LoRa是一種長(zhǎng)距離、低功耗的無(wú)線通信技術(shù)，適合用于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，例如智能農(nóng)業(yè)和智慧城市。NB-IoT技術(shù)NB-IoT是一種窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，專(zhuān)門(mén)為低功耗、低帶寬的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計(jì)，例如智能水表和智能停車(chē)。藍(lán)牙技術(shù)11.低功耗藍(lán)牙技術(shù)功耗低，適合小型設(shè)備使用。22.短距離藍(lán)牙技術(shù)傳輸距離較短，通常在10米范圍內(nèi)。33.成本低藍(lán)牙模塊成本低廉，易于集成。44.應(yīng)用廣泛藍(lán)牙技術(shù)應(yīng)用于多種領(lǐng)域，如智能家居、可穿戴設(shè)備等。ZigBee技術(shù)低功耗ZigBee技術(shù)以低功耗和低成本為特點(diǎn)。自組網(wǎng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)可以自組網(wǎng)，無(wú)需集中控制節(jié)點(diǎn)。數(shù)據(jù)傳輸ZigBee可用于數(shù)據(jù)傳輸，例如傳感器數(shù)據(jù)。LoRa技術(shù)遠(yuǎn)距離低功耗LoRa技術(shù)采用獨(dú)特的擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離無(wú)線傳輸。功耗極低，適用于電池供電的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)靈活支持多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括星型、網(wǎng)狀和混合網(wǎng)絡(luò)。可根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景靈活配置。數(shù)據(jù)傳輸可靠采用先進(jìn)的錯(cuò)誤檢測(cè)和糾正機(jī)制，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾院涂煽啃?。支持多種數(shù)據(jù)速率和協(xié)議，滿足不同應(yīng)用需求。NB-IoT技術(shù)低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)NB-IoT是窄帶物聯(lián)網(wǎng)的簡(jiǎn)稱(chēng)，是面向低功耗、低速率、大連接數(shù)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的蜂窩網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。它利用現(xiàn)有的蜂窩網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供可靠、安全的無(wú)線連接。應(yīng)用場(chǎng)景NB-IoT技術(shù)廣泛應(yīng)用于智能抄表、環(huán)境監(jiān)測(cè)、智慧農(nóng)業(yè)、智慧城市等領(lǐng)域。它可以支持多種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，并提供更長(zhǎng)的電池壽命和更低的運(yùn)營(yíng)成本。常見(jiàn)傳感器類(lèi)型溫度傳感器溫度傳感器測(cè)量溫度變化。常見(jiàn)類(lèi)型包括熱電偶、熱敏電阻和紅外傳感器。濕度傳感器濕度傳感器測(cè)量空氣中的水分含量。常見(jiàn)類(lèi)型包括電容式傳感器和電阻式傳感器。壓力傳感器壓力傳感器測(cè)量施加在物體上的壓力。常見(jiàn)類(lèi)型包括電阻式壓力傳感器和壓電式壓力傳感器。光傳感器光傳感器測(cè)量光線的強(qiáng)度。常見(jiàn)類(lèi)型包括光敏電阻、光電二極管和光電倍增管。溫度傳感器原理溫度傳感器通過(guò)測(cè)量物理量變化，如電阻或電壓，將溫度轉(zhuǎn)換為可讀信號(hào)。類(lèi)型常見(jiàn)類(lèi)型包括熱敏電阻、熱電偶和鉑電阻，每種類(lèi)型都有不同的工作原理和應(yīng)用場(chǎng)景。應(yīng)用溫度傳感器廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療保健、農(nóng)業(yè)和智能家居等領(lǐng)域。優(yōu)點(diǎn)溫度傳感器成本低、精度高、響應(yīng)速度快，易于集成到物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中。濕度傳感器電容式濕度傳感器利用濕度變化影響電容值。測(cè)量精度高，響應(yīng)速度快，成本低。電阻式濕度傳感器利用濕度變化改變電阻值。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，但精度較低。光電式濕度傳感器利用濕度變化影響光線吸收率。測(cè)量范圍廣，抗干擾能力強(qiáng)，但成本較高。氣體傳感器1檢測(cè)氣體濃度氣體傳感器用于檢測(cè)特定氣體的濃度，例如一氧化碳、甲烷和二氧化碳。2提供報(bào)警信號(hào)當(dāng)氣體濃度超過(guò)安全閾值時(shí)，傳感器會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，提醒人們采取措施。3廣泛應(yīng)用氣體傳感器廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療保健、安全監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。4種類(lèi)繁多氣體傳感器種類(lèi)繁多，包括半導(dǎo)體氣體傳感器、電化學(xué)氣體傳感器、紅外氣體傳感器等。光電傳感器光敏電阻光敏電阻是電阻值隨光照強(qiáng)度變化而變化的元件。光照強(qiáng)度越高，電阻值越低。常用于光強(qiáng)檢測(cè)、自動(dòng)控制等應(yīng)用。光電二極管光電二極管是一種光電轉(zhuǎn)換器，可以將光能轉(zhuǎn)換為電能。它可以用于光強(qiáng)檢測(cè)、光通信等領(lǐng)域。光電三極管光電三極管是一種光敏器件，可以將光信號(hào)放大，常用于光控開(kāi)關(guān)、光檢測(cè)等應(yīng)用。智能傳感器智能傳感器概述智能傳感器將傳感器、微處理器和通信接口集成在一起。它們可以進(jìn)行信號(hào)處理、數(shù)據(jù)分析和決策，并直接與其他設(shè)備或系統(tǒng)進(jìn)行通信。智能傳感器應(yīng)用智能傳感器廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，例如智能家居、工業(yè)自動(dòng)化、醫(yī)療保健、環(huán)境監(jiān)測(cè)等。它們可以提高效率、可靠性和安全性。傳感器接口電路模擬信號(hào)采集電路模擬信號(hào)采集電路通常包括信號(hào)調(diào)理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）等。數(shù)字信號(hào)采集電路數(shù)字信號(hào)采集電路通常包括數(shù)字信號(hào)處理電路，例如濾波器、放大器等。傳感器接口電路設(shè)計(jì)傳感器接口電路的設(shè)計(jì)需要考慮傳感器類(lèi)型、信號(hào)特征、數(shù)據(jù)傳輸方式等因素。模擬信號(hào)采集1傳感器輸出大多數(shù)傳感器輸出模擬信號(hào)2ADC轉(zhuǎn)換將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)3數(shù)據(jù)處理微控制器處理數(shù)字信號(hào)模擬信號(hào)采集是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。傳感器通常輸出模擬信號(hào)，需要將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)才能被微控制器處理。ADC轉(zhuǎn)換器用于將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并將數(shù)據(jù)傳輸給微控制器進(jìn)行處理。數(shù)字信號(hào)采集數(shù)字信號(hào)采集是將傳感器輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的過(guò)程，是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。1傳感器接口電路傳感器接口電路負(fù)責(zé)將傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換為可被微控制器識(shí)別的數(shù)字信號(hào)。2模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）ADC將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。3數(shù)據(jù)采樣和量化對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采樣，將采樣值量化為數(shù)字信號(hào)。數(shù)字信號(hào)采集涉及傳感器接口電路、ADC轉(zhuǎn)換器以及數(shù)據(jù)采樣和量化等步驟，最終將傳感器數(shù)據(jù)以數(shù)字形式傳遞給微控制器，以便進(jìn)一步處理和分析。傳感器校準(zhǔn)確定校準(zhǔn)目標(biāo)明確傳感器測(cè)量范圍和精度要求，確定校準(zhǔn)目標(biāo)值。選擇校準(zhǔn)方法根據(jù)傳感器類(lèi)型和應(yīng)用場(chǎng)景，選擇合適的校準(zhǔn)方法，例如線性校準(zhǔn)、非線性校準(zhǔn)等。準(zhǔn)備校準(zhǔn)設(shè)備使用精度更高的標(biāo)準(zhǔn)儀器或設(shè)備作為校準(zhǔn)參考，確保校準(zhǔn)過(guò)程的準(zhǔn)確性。進(jìn)行校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)將傳感器置于不同條件下進(jìn)行測(cè)試，記錄傳感器輸出值和參考值。建立校準(zhǔn)曲線根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)建立傳感器輸出值和參考值之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，生成校準(zhǔn)曲線。應(yīng)用校準(zhǔn)結(jié)果將校準(zhǔn)曲線應(yīng)用于實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。傳感器信號(hào)處理1過(guò)濾去除噪聲和干擾2校準(zhǔn)調(diào)整數(shù)據(jù)精度和范圍3轉(zhuǎn)換將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)4壓縮減少數(shù)據(jù)大小，提升傳輸效率傳感器信號(hào)處理是將原始傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為有用的信息的過(guò)程，包括過(guò)濾、校準(zhǔn)、轉(zhuǎn)換和壓縮等步驟。這一過(guò)程確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，為后續(xù)的分析和應(yīng)用奠定基礎(chǔ)?；谖锫?lián)網(wǎng)的應(yīng)用案例智能家居智能家居系統(tǒng)通過(guò)傳感器、控制器和網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)家庭設(shè)備的自動(dòng)化控制和遠(yuǎn)程管理，為用戶(hù)提供更加便捷、舒適、安全的生活體驗(yàn)。智慧城市智慧城市利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，整合城市基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)，優(yōu)化交通管理、環(huán)境監(jiān)測(cè)、公共安全等方面，提高城市運(yùn)行效率和居民生活質(zhì)量。智能家居11.自動(dòng)化控制通過(guò)手機(jī)或語(yǔ)音控制，實(shí)現(xiàn)燈光、空調(diào)、窗簾等設(shè)備的自動(dòng)化控制。22.安全監(jiān)控智能攝像頭、門(mén)窗傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)控家居安全，并及時(shí)提醒用戶(hù)。33.能效管理智能設(shè)備根據(jù)用戶(hù)行為習(xí)慣，自動(dòng)調(diào)整設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，節(jié)省能源。44.個(gè)性化服務(wù)根據(jù)用戶(hù)喜好和需求，提供個(gè)性化的服務(wù)，例如音樂(lè)播放、新聞推送等。智慧城市智慧交通實(shí)時(shí)交通狀況監(jiān)測(cè)，優(yōu)化交通信號(hào)燈，提高交通效率，降低擁堵。智慧環(huán)保環(huán)境監(jiān)測(cè)，污染預(yù)警，資源回收利用，促進(jìn)綠色發(fā)展。智慧醫(yī)療遠(yuǎn)程醫(yī)療，健康管理，精準(zhǔn)醫(yī)療，提高醫(yī)療服務(wù)質(zhì)量。智慧能源智能電網(wǎng)，能源管理，節(jié)約能源，降低碳排放。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)生產(chǎn)效率優(yōu)化生產(chǎn)流程，提高資源利用率。自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)線，減少人工干預(yù)。數(shù)據(jù)分析收集和分析生產(chǎn)數(shù)據(jù)，優(yōu)化生產(chǎn)決策。預(yù)測(cè)性維護(hù)