物联网科技导论-李梅-第3章 传感技术

1、内容回顾内容回顾第2章介绍了常见的自动识别方法和技术，重点介绍了RFID技术IC卡系统构成，一维和二维条形码RFID的概念和系统组成，标签的存储方式、分类以及常用频率RFID标签防冲突方法（基于ALOHA协议/基于二进制树协议）本章重点介绍传感器技术，涉及传感器的基本概念和典型应用，以及常用的硬件平台和操作系统等内容。范东琦1、传感器概述2、传感器的设计部署3、WSN4、WSN网络协议第一种是震动传感器。它设在地表层，能将目标引起的地面震动信号转化为电信号，放大后发给监控中心。它的探测距离比很多传感器都远，但这一距离很受土质的影响：土质硬，探测距离就远；土质软，探测距离则近。此外，洼地、沟壕、

2、水溪几乎可以完全阻止它的探测。而对目标进行更准确的鉴别，如判断是徒手人员还是武装人员，判断是履带车辆还是轮式车辆，当时也还做不到。所以当越南人赶出大批的牛羊以假隐真，震动传感器的探头难免上当受骗。 第二种是声响传感器。这种传感器就像常见的“话筒”，可以把目标发出的声音信号转变为电信号发给监控中心，再还原为声音信号以进行识别。声响传感器分辨力强，探测范围大，但同时耗电量也较大，通常只能受人工指令信号控制探测，或者与耗电少的震动传感器联用。平时震动传感器工作时，声响传感器则关机，等震动传感器探测到目标后再启动声响传感器。这样虽能取长补短，但两种传感器只要被破坏一种，探测能力就会大大降低。因此，当越

3、南人的猩猩、猴子在树上蹿上跳下时，声响传感器起到的警示作用实在有限。第三种是磁性传感器。它能连续发出无线电信号形成一个静磁场。当铁磁金属制成的物体进入其中，会感应产生一个新磁场，扰动原来的静磁场并产生电信号，从而实现对携带武器的人和车辆的探测。磁性传感器鉴别目标性质的能力较强，反应速度也较快。但是它受到设备体积和重量的限制，使得探测距离较近。此外如果敌方采用磁屏障，也能有效限制其探测功能的发挥。传感器无线传感器无线传感器网络第一阶段:最早可以追溯至越战时期使用的传统的传感器系统。第二阶段:二十世纪80年代至90年代之间。主要是美军研制的分布式传感器网络系统、海军协同交战能力系统、远程战场传感器

4、系统等。这种现代微型化的传感器具备感知能力、计算能力和通信能力。 因此在1999年，商业周刊将传感器网络列为21世纪最具影响的21项技术之一 。第三阶段:21世纪开始至今，也就是911事件之后。这个阶段的传感器网络技术特点在于网络传输自组织、节点设计低功耗。除了应用于反恐活动以外，在其它领域更是获得了很好的应用，所以2002年美国国家重点实验室橡树岭实验室提出了“网络就是传感器”的论断。发展史：两条主线加州伯克莱分校SmartDust项目微型化传感器节点对无线传感器的研究始于20世纪90年代加州洛杉矶分校LWIN项目低功耗无线传感节点1996年，LWIM团队将多种传感器、控制和通信芯片集成在一

5、个设备上，开发了LWIM节点1998年，LWIM团队和Rockwell科学中心合作开发了WINS节点1999年，该校发布了WeC节点 之后，该校又发布了一系列节点，包括Mica、Mica2、Mica2Dot，MicaZ 计算机硬件的发展通常遵循摩尔定律摩尔定律：集成电路上可容纳的晶体管数量，约每隔18个月增加一倍，性能也将提升一倍。 无线传感器节点的发展并没有像摩尔定律预测的速度发展！时间硬件能力摩尔定律预测的曲线传感器节点发展曲线2004制约传感器性能提升的因素？功耗功耗的制约的制约：无线传感节点一般被部署在野外，不能通过有线供电。其硬件设计必须以节能节能为重要设计目标。 价格价格的制约的制

6、约：无线传感节点一般需要大量组网，以完成特定的功能。其硬件设计必须以廉价廉价为重要设计目标。 体积体积的制约的制约：无线传感节点一般需要容易携带，易于部署。其硬件设计必须以微型化微型化为重要设计目标。 人们为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官。 而单靠人们自身的感觉器官，在研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了。为适应这种情况，就需要传感器。因此可以说，传感器是人类五官的延长，又称之为电五官。传感器传感器作为信息获取的重要手段，与通信技术和计算机技术共同构成信息技术的三大支柱。中国物联网校企联盟认为，传感器的存在和发展，让物体有了触觉、味觉和嗅觉等感官，让物体慢慢变得活了起来

7、。”“传感器”在新韦式大词典中定义为：“从一个系统接受功率，通常以另一种形式将功率送到第二个系统中的器件”。无线传感节点无线传感节点的组成：无线传感节点的组成：电池、传感器、微处理器、无线通信芯片；相比于传统传感器，无线传感节点不仅包括传感器部件（左上图），还集成了微型处理器和无线通信芯片等，能够对感知信息进行分析处理和网络传输。分 类按用途分类压力敏和力敏传感器、位置传感器、液位传感器、能耗传感器、速度传感器、加速度传感器、射线辐射传感器、热敏传感器。按原理分类振动传感器、湿敏传感器、磁敏传感器、气敏传感器、真空度传感器、生物传感器等。按输出信号为标准分类模拟传感器：将被测量的非电学量转换成

8、模拟电信号。数字传感器：将被测量的非电学量转换成数字输出信号（包括直接和间接转换）。膺数字传感器：将被测量的信号量转换成频率信号或短周期信号的输出（包括直接或间接转换）。开关传感器：当一个被测量的信号达到某个特定的阈值时，传感器相应地输出一个设定的低电平或高电平信号。按其制造工艺分类集成传感器是用标准的生产硅基半导体集成电路的工艺技术制造的。通常还将用于初步处理被测信号的部分电路也集成在同一芯片上。薄膜传感器则是通过沉积在介质衬底（基板）上的，相应敏感材料的薄膜形成的。使用混合工艺时，同样可将部分电路制造在此基板上。厚膜传感器是利用相应材料的浆料，涂覆在陶瓷基片上制成的，基片通常是Al2O3制

9、成的，然后进行热处理，使厚膜成形。按测量目分类物理型传感器是利用被测量物质的某些物理性质发生明显变化的特性制成的。化学型传感器是利用能把化学物质的成分、浓度等化学量转化成电学量的敏感元件制成的。生物型传感器是利用各种生物或生物物质的特性做成的，用以检测与识别生物体内化学成分的传感器。按其构成分类基本型传感器：是一种最基本的单个变换装置。组合型传感器：是由不同单个变换装置组合而构成的传感器。应用型传感器：是基本型传感器或组合型传感器与其他机构组合而构成的传感器。按作用形式分类按作用形式可分为主动型和被动型传感器。主动型传感器又有作用型和反作用型，此种传感器对被测对象能发出一定探测信号，能检测探测

10、信号在被测对象中所产生的变化，或者由探测信号在被测对象中产生某种效应而形成信号。检测探测信号变化方式的称为作用型，检测产生响应而形成信号方式的称为反作用型。被动型传感器只是接收被测对象本身产生的信号，如红外辐射温度计、红外摄像装置等。主 要 特 性传感器动态特性所谓动态特性，是指传感器在输入变化时，它的输出的特性。在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得，并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感器的动态特

11、性也常用阶跃响应和频率响应来表示。阶跃响应当激励为单位阶跃函数时，电路的零状态响应称为单位阶跃响应，简称阶跃响应。频率响应系统对正弦信号的稳态响应特性。稳态是系统的运动在过渡过程结束后的状态。系统的频率响应由幅频特性和相频特性组成。幅频特性表示增益的增减同信号频率的关系；相频特性表示不同信号频率下的相位畸变关系。根据频率响应可以比较直观地评价系统复现信号的能力和过滤噪声的特性。传感器的线性度 通常情况下，传感器的实际静态特性输出是条曲线而非直线。在实际工作中，为使仪表具有均匀刻度的读数，常用一条拟合直线近似地代表实际的特性曲线、线性度（非线性误差）就是这个近似程度的一个性能指标。 拟合直线的选

12、取有多种方法。如将零输入和满量程输出点相连的理论直线作为拟合直线；或将与特性曲线上各点偏差的平方和为最小的理论直线作为拟合直线，此拟合直线称为最小二乘法拟合直线。传感器的灵敏度 灵敏度是指传感器在稳态工作情况下输出量变化y对输入量变化x的比值。 它是输出一输入特性曲线的斜率。如果传感器的输出和输入之间显线性关系，则灵敏度S是一个常数。否则，它将随输入量的变化而变化。 灵敏度的量纲是输出、输入量的量纲之比。例如，某位移传感器，在位移变化1mm时，输出电压变化为200mV，则其灵敏度应表示为200mV/mm。 提高灵敏度，可得到较高的测量精度。但灵敏度愈高，测量范围愈窄，稳定性也往往愈差。传感器的

13、分辨率分辨率是指传感器可感受到的被测量的最小变化的能力。也就是说，如果输入量从某一非零值缓慢地变化。当输入变化值未超过某一数值时，传感器的输出不会发生变化，即传感器对此输入量的变化是分辨不出来的。只有当输入量的变化超过分辨率时，其输出才会发生变化。通常传感器在满量程范围内各点的分辨率并不相同，因此常用满量程中能使输出量产生阶跃变化的输入量中的最大变化值作为衡量分辨率的指标。上述指标若用满量程的百分比表示，则称为分辨率。分辨率与传感器的稳定性有负相相关性。1、传感器概述2、传感器的设计部署3、WSN4、WSN网络协议硬 件 平 台1、传感器概述2、传感器的设计3、WSN4、WSN网络协议无线传感

14、器网络（Wireless Sensor Network, WSN）是由大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，以协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内被感知对象的信息，并最终把这些信息发送给网络的所有者。体 系 结 构无线传感器网络（WSN）是随着传感器技术、无线射频通信技术、微机电技术以及数字信号处理技术等的飞速发展而诞生的新兴研究领域。无线传感器网络节点是一种在微小的体积内集成数据采集、处理和无线通信等模块、并被随机撒布在工作区域的节点，这些节点通过自组织的方式构成无线网络，以协作的方式实时感知、采集和处理网络覆盖区的信息，并经过多跳的方式经由汇聚节点链路将整个

15、区域的信息传送到远程控制管理中心。反之远程控制管理中心也可以对网络节点进行实时监控和操作。下图是一个无线传感器网络系统结构A、B、C、D、E是传感器节点，在网络中充当数据采集者、数据中转站或簇头节点的角色。无线传感器网络节点硬件结构无线传感器网络节点硬件结构传感器传感器 AC/DC AC/DC 转换转换 处理器处理器 存储器存储器 网络网络 MAC 收发器收发器 能量供应模块能量供应模块 传感器模块传感器模块处理器模块处理器模块无线通信模块无线通信模块特 征与传统网络以数据传输服务为主要目的不同，WSN是一种以测控为目的的无线网络，它自身固有的一些特点如下：节点计算能力较低，能量和存储容量有限

16、由于WSN应用环境和条件的复杂性与限制，并随着传感器功能专一性、结构简单化发展，WSN节点也更加微型化，节点多采用电池供电，且电池常为一次性使用，所以节点能量比较有限，同时，由于节点硬件结构大多采用单片机作为主控和管理单元，其计算能力和存储空间都比较低，所以在网络协议设计方面应追求简单化。节点数量规模大，密度高为完成物理世界的高密度感知，WSN系统常常由上千上万个节点组成，以此来准确获取监控区域的相关信息。高密度的节点分布有利于利用简单的节点通过彼此间的协同工作来提高系统的可靠性和工作质量，提高网络的健壮性和鲁棒性。自组织节点通常都是随机撒布在监测区域，无法事先了解和设定网络的拓扑状态，所以需

17、要网络具备自组织能力，在工作时能有效建立网络拓扑和路由链路，来完成节点的组网和数据采集传输功能。另外，当监测区域的个别节点出现故障或者耗能殆尽之后节点死亡时，或者由于添加新的节点到现有网络中时，都需要网络能够自我进行拓扑调整变换，以保证整个网络能够继续健康工作。以数据为中心，节点具有数据融合能力传统的数据通信网络是以地址为中心的，各个终端是通过IP来相互识别和进行数据交换的，每个终端脱离网络都能独立工作；WSN是任务型网络，各个节点协同监测数据，是以数据为中心的网络，脱离整个网络，单个节点采集的数据没有现实意义。WSN中可能有多个节点同时收集到用户感兴趣的数据，而为了避免冗余数据重复发送造成能

18、量浪费，这些数据要经过数据融合处理后再传输。关 键 技 术链路层关键技术：数据链路层负责媒体接入控制和建立节点之间可靠的通信链路，主要由介质访问控制MAC组成。设计高效的调度机制、低能耗、低复杂性编解码、简捷的差错检测和同步的控制方案和协议是链路层的关键问题。网络层关键技术：网络层的主要任务是发现和维护路由。在无线传感器网络中，节点一般都采用多跳路由连接信源和信宿。但是，现存的DSDV/AODV/DSR等，一般不适合无线传感器的特点，它必须开发属于自己的路由协议。因此设计有效和安全的路由协议来提高通信连通性、降低能量消耗、延长网络生存时间始终是无线传感器网络的核心问题。安全策略和协议：由于无线

19、传感器网络的自身特点，使得实现传感器网络安全存在巨大的挑战。安全的路由协议、高效的密钥管理方案、安全的定位和认证机制已经有效地入侵检测都是该领域的关键问题和研究热点。数据融合技术：大多数无线传感器应用都是由大量节点构成的，共同完成数据采集的任务，因此，在信息采集过程中，会有许多节点采集到相同的数据，这些冗余数据不能全部的传给sink节点，这样会浪费大量的通信能量在这些冗余信息中，对于能量有限的传感器节点来说，这是不合适的。因此要在数据收集过程中，去除冗余信息，以减少网络不必要的能耗，于是数据融合技术被提出。拓扑控制和优化：由于传感器网络缺乏持续、稳定的能量补充，其首要设计目标是通过高效使用能量

20、来最大网络生命期，从而也能采集更多的兴趣数据。传感器网络的绝大部分能量消耗于通信传输环节，因此作为路由协议和MAC协议的运行平台，网络拓扑显然是实现生命期最大化的必要条件。好的拓扑控制能够提高路由协议和MAC协议的效率，为数据融合、时间同步和目标定位等技术提供必要的基础。定位技术及应用：传感器网络节点定位的目的就是获取各传感器节点在平面或空间中的绝对或相对位置信息，在传感器网络的许多应用中，用户关心的一个重要问题是：在什么位置或区域发生了什么事件。传感器网络节点感知、采集的数据必须绑定其位置信息，从而实现对这些数据的有效应用。应用军事应用：非常适合应用于恶劣的战场环境中，包括侦察敌情，监控兵力

21、、装备和物资，判断生物化学攻击等多方面的用途，这是因为无线传感器网络是由密集型、随机分布的节点组成的，自组织性和容错能力使其不会因为某些节点在恶意攻击中损坏而导致整个系统的崩溃，这一点是传统传感技术所无法比拟的。医疗应用：如果在病人身上或老人身上安特殊用途的传感器节点，如心率和血压监测设备。利用传感器网络，医生可以随时了解被监护病人或老人的情况，进行远程监控，掌握他们的身体状况，在危机情况时可以第一时间间进行救助。环境应用：随着人们对环境问题的关注度越来越高，需要采集的数据也越来越多，无线传感器网络的出现为随机性研究数据的获取提供了便利，它可以跟踪候鸟和昆虫的迁移，研究环境变化对农作物的影响，

22、监测海洋、大气和土壤的成分等。家庭和其他商业应用：无线传感器网络可以实现家居环境、工 作环境智能化，例如嵌入家电和家具中的传感器与执行机构组成的无线网络与Internet连接在一起将会对人们提供更加舒适、方便和具有人性化的智能家居和办公环境。无线传感器网络应用实验1结构应力测试结构应力测试建筑物对地震波响应测试建筑物对地震波响应测试无线传感器网络应用实验2室内外环境监测室内外环境监测楼宇自动化监测楼宇自动化监测无线传感器网络应用实验3http:/ Island监测动物生活习性监测动物生活习性扩展扩展无线传感器网络中的路由协议无线传感器网络中的路由协议无线传感器网络路由协议特点无线传感器网络路由

23、协议特点1.1.无线传感器网络中具有一无线传感器网络中具有一个或多个特殊节点：汇聚节个或多个特殊节点：汇聚节点。点。网络中节点感知和采集网络中节点感知和采集数据都是通过单跳或者多跳数据都是通过单跳或者多跳的方式，最终都是送达汇聚的方式，最终都是送达汇聚节点的，而网络中的除了汇节点的，而网络中的除了汇聚节点的其他任何节点是不聚节点的其他任何节点是不会成为数据流的最终目的节会成为数据流的最终目的节点，因此，无线传感器网络点，因此，无线传感器网络中数据流方向是中数据流方向是多对一多对一和和一一对多对多的特点。的特点。汇聚汇聚 节点节点 ABCD无线传感器网络路由协议特点（续）无线传感器网络路由协议特

24、点（续）2. .无线传感器网络中节点密集，邻节点采集的数据具有一定的相似性及关联无线传感器网络中节点密集，邻节点采集的数据具有一定的相似性及关联性，存在冗余信息。性，存在冗余信息。因此，信息需要经因此，信息需要经数据融合数据融合处理后再进行传输，以减少处理后再进行传输，以减少冗余数据的转发，降低网络中不必要的能量消耗。传统的路由协议没有考虑冗余数据的转发，降低网络中不必要的能量消耗。传统的路由协议没有考虑这方面的设计，所以现有的路由协议不能适用于无线传感器网络。这方面的设计，所以现有的路由协议不能适用于无线传感器网络。3.无线传感器网络大多是以数据为中心的网络。无线传感器网络大多是以数据为中心

25、的网络。用户只关心网络中某个方用户只关心网络中某个方向上发生的事件，而不关心网络中的具体的某个节点采集的信息，因此网向上发生的事件，而不关心网络中的具体的某个节点采集的信息，因此网络中的节点不一定都需要唯一的地址，而传统的网络都是以地址为中心的络中的节点不一定都需要唯一的地址，而传统的网络都是以地址为中心的网络。因此，多数的现有网络协议在以数据为中心应用的无线传感器网络网络。因此，多数的现有网络协议在以数据为中心应用的无线传感器网络中不能够很好地工作，无线传感器网络需要其独特的路由协议。中不能够很好地工作，无线传感器网络需要其独特的路由协议。无线传感器网络路由协议特点（续）无线传感器网络路由协

26、议特点（续）4.无线传感器网络中节点多数情况下是用电池供电，无线传感器网络中节点多数情况下是用电池供电，并并且大多部署在恶劣的环境内，无法更换电池，能量不能且大多部署在恶劣的环境内，无法更换电池，能量不能够持久提供，所以为了使网络能够工作更长的时间，能够持久提供，所以为了使网络能够工作更长的时间，能量效率必须放在路由的设计首要地位，服务质量（量效率必须放在路由的设计首要地位，服务质量（QosQos）放在次要考虑。而传统网络的路由协议均是以最求端到放在次要考虑。而传统网络的路由协议均是以最求端到端延时最小，网络利用率最高以及避免通信拥塞和均衡端延时最小，网络利用率最高以及避免通信拥塞和均衡网络流

27、量的最优路径为目的，其设计的出发点是不同，网络流量的最优路径为目的，其设计的出发点是不同，所以不能很好的应用在无线传感器网络中。所以不能很好的应用在无线传感器网络中。无线传感器网络路由协议的设计要求无线传感器网络路由协议的设计要求 针对无线传感器网络路由协议的上述特点，在设计路由协针对无线传感器网络路由协议的上述特点，在设计路由协议时需要满足下列要求。议时需要满足下列要求。1.1.能量高效能量高效。无线传感器网络路由协议不仅要选择能量消耗。无线传感器网络路由协议不仅要选择能量消耗小的传输路径。而且要从整个网络的角度考虑，选择使整小的传输路径。而且要从整个网络的角度考虑，选择使整个网络能量均衡消

28、耗的路由。个网络能量均衡消耗的路由。2.2.容错性容错性。传感器节点容易因为能量耗尽或环境影响而失效，。传感器节点容易因为能量耗尽或环境影响而失效，这要求路由协议具有一定的容错能力，部分传感器节点的这要求路由协议具有一定的容错能力，部分传感器节点的失效不应影响整个网络的运行。失效不应影响整个网络的运行。无线传感器网络路由协议的设计要求（续）无线传感器网络路由协议的设计要求（续）3.3.可扩展性可扩展性。在无线传感器网络中，监测区域范围内节。在无线传感器网络中，监测区域范围内节点密度不同，造成网络规模大小不同；节点失效、新节点密度不同，造成网络规模大小不同；节点失效、新节点的加入以及节点的移动，

29、都会使得网络拓扑结构动态点的加入以及节点的移动，都会使得网络拓扑结构动态发生变化，这就要求路由协议具有可扩展性，能够适应发生变化，这就要求路由协议具有可扩展性，能够适应网络结构的变化。网络结构的变化。4.4.安全性安全性。由于无线传感器网络的特点，特别容易受到。由于无线传感器网络的特点，特别容易受到攻击，而且大多数应用要求网络具有较高的安全性。因攻击，而且大多数应用要求网络具有较高的安全性。因此在设计路由协议时必须考虑安全性问题。此在设计路由协议时必须考虑安全性问题。无线传感器网络路由协议的分类无线传感器网络路由协议的分类目前，无线传感器网络并没有一个标准的路由协目前，无线传感器网络并没有一个

30、标准的路由协议的分类，根据不同的角度，有着不同的分类。议的分类，根据不同的角度，有着不同的分类。目前比较广泛被接受的分类标准是立足于网络拓目前比较广泛被接受的分类标准是立足于网络拓扑结构，将扑结构，将WSNWSN路由协议分为路由协议分为平面路由协议平面路由协议和和分层分层路由协议路由协议两大类。两大类。无线传感器网络路由协议的分类（续）无线传感器网络路由协议的分类（续）平面路由协议平面路由协议顾名思义，平面路由协议是指网络路由的逻辑视图顾名思义，平面路由协议是指网络路由的逻辑视图是平面结构，网络中各节点在路由功能上的地位是是平面结构，网络中各节点在路由功能上的地位是平等的，即每一个节点都能同等地能够充当数据采平等的，即每一个节点都能同等地能够充当数据采集节点和数据转发节点，彼此协同工作。集节点和数据转发节点，彼此协同工作。优点优点：网