物联网概论-2版-第4章+

1、物联网概论（第2版）点击此处结束放映物联网概论（第2版）点击此处结束放映电子教案物联网概论（第2版）物联网概论（第2版）第4章 传感器与无线传感网点击此处结束放映物联网概论（第2版） 人们为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官。而单靠人自身的感觉器官来研究自然现象和生产规律，显然是远远不够的。传感器是人类感觉器官的延长，能够感受到待测的物理量、化学量或生物量等信息。 在物联网中，传感器主要用于感知物体，这样任何物体都可以变得“有感觉、有思想”。传感器还可以组成无线传感网，无线传感网能够实时采集网络分布区域内目标对象的各种信息。点击此处结束放映物联网概论（第2版）点击此处结束放映传感器 物联网概

2、论（第2版）点击此处结束放映传感器 物联网概论（第2版）点击此处结束放映传感器 物联网概论（第2版）点击此处结束放映传感器 传感器概述4.1传感器的工作原理与应用4.2无线传感器网络4.3物联网概论（第2版）点击此处结束放映物联网概论（第2版） 点击此处结束放映传感器概述4.1物联网概论（第2版）传感器概述 4.1.1 传感器的概念 4.1.2 传感器的作用 4.1.3 传感器的分类 4.1.4 传感器的一般特性 4.1.5 传感器的技术特点 4.1.6 传感器的发展趋势 点击此处结束放映物联网概论（第2版）4.1.1 传感器的概念 国际电工委员会（IEC）对传感器（Sensor/Transd

3、ucer）的定义为：传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号。点击此处结束放映物联网概论（第2版）4.1.2 传感器的作用 传感器的作用可以通过与人类感觉器官的比较给出。传感器与人类5大感觉器官的比较见表4.1。点击此处结束放映物联网概论（第2版）4.1.3 传感器的分类 传感器的品种丰富，原理各异，检测对象门类繁杂，因此分类方法非常多。至今为止传感器没有统一的分类方法，人们通常是站在不同的角度，突出某一侧面对传感器进行分类。下面是几种常见的传感器分类方法。点击此处结束放映物联网概论（第2版）4.1.4 传感器的一般特性 传感器要感受“被测量”的变化，并将其不失真地变

4、换成相应的电量，这取决于传感器的特性。 传感器的一般特性是指传感器系统的输出-输入关系特性。 点击此处结束放映物联网概论（第2版）4.1.4 传感器的一般特性 传感器的静态特性 传感器的静态特性是指当被测量处于稳定状态时，传感器输出量与输入量之间的相互关系。衡量传感器静态特性的技术指标主要有线性度、灵敏度、迟滞、重复性、精度、分辨力、漂移、测量范围、量程等。 线性度是指传感器输出量与输入量之间的线性程度。右图给出了2种直线拟合的方法。点击此处结束放映物联网概论（第2版）4.1.4 传感器的一般特性传感器的动态特性 动态特性是指传感器输入量随时间变化时，输出量随时间变化的特性。有良好静态特性的传

5、感器，未必有良好的动态特性。 点击此处结束放映物联网概论（第2版）4.1.4 传感器的一般特性传感器常用的特性参数点击此处结束放映物联网概论（第2版）4.1.4 传感器的一般特性点击此处结束放映物联网概论（第2版）4.1.4 传感器的一般特性点击此处结束放映物联网概论（第2版）4.1.5 传感器的技术特点 传感器技术涉及传感器的机理研究与分析、设计与研制、性能与应用等。传感器技术有如下特点。1内容离散，涉及多个学科2种类繁多，彼此相互独立3技术复杂，工艺要求高4应用广泛，应用要求千差万别5生命力强，不会轻易退出历史舞台6品种多样，一种被测量可采用多种传感器点击此处结束放映物联网概论（第2版）4

6、.1.6 传感器的发展趋势 点击此处结束放映物联网概论（第2版）4.1.6 传感器的发展趋势 1传感器新原理、新材料、新工艺的发展趋势 2传感器微型化、多功能、集成化的发展趋势 3传感器智能化、多融合、网络化的发展趋势点击此处结束放映物联网概论（第2版） 点击此处结束放映传感器的工作原理与应用4.2物联网概论（第2版）传感器的工作原理与应用 4.2.1 应变式传感器 4.2.2 光电式传感器 4.2.3 超声波传感器 4.2.4 半导体传感器 4.2.5 生物传感器 4.2.6 传感器集成化、智能化和网络化点击此处结束放映物联网概论（第2版）传感器的工作原理与应用 传感器在原理和结构上千差万别

7、。传感器的工作原理不同，传感器的功能和应用领域也就不同。本节介绍几种典型传感器的工作原理与应用。点击此处结束放映物联网概论（第2版）4.2.1 应变式传感器 金属电阻应变式传感器是一种电阻式传感器。基于电阻变化的传感器十分常见，这是因为许多物理量（如力、力矩、位移、形变、速度、加速度等）都会对材料的电阻产生影响。金属电阻应变式传感器适合于静态测量和动态测量。点击此处结束放映物联网概论（第2版）4.2.1 应变式传感器 金属电阻应变式传感器的基本原理是：将“被测量”的变化转换成电阻值的变化，再将电阻值的变化转变成电压的变化。点击此处结束放映物联网概论（第2版）4.2.1 应变式传感器 当被测物加

8、速运动时，传感器受到一个与加速度方向相反的惯性力作用，传感器上的应变片就产生应变，应变片的电阻值将变化。点击此处结束放映物联网概论（第2版）4.2.2 光电式传感器 1光电式传感器的组成 光电式传感器是以光为测量媒介，以光电器件为转换元件的传感器。光电测量方法灵活多样，可测参数众多，具有非接触、高精度、高可靠性、反应快等特点。点击此处结束放映物联网概论（第2版）4.2.2 光电式传感器 2光电式传感器的分类 有什么样的光电元件，就有什么样的光电式传感器，因此光电式传感器的种类繁多。 点击此处结束放映物联网概论（第2版）4.2.2 光电式传感器 2光电式传感器的分类 有什么样的光电元件，就有什么

9、样的光电式传感器，因此光电式传感器的种类繁多。 点击此处结束放映物联网概论（第2版）4.2.2 光电式传感器 2光电式传感器的分类 有什么样的光电元件，就有什么样的光电式传感器，因此光电式传感器的种类繁多。 点击此处结束放映物联网概论（第2版）4.2.2 光电式传感器 3典型的光电式传感器 光敏电阻用于烟尘浊度监测 烟道里的烟尘浊度可以通过烟道里传输的光的变化来检测，如果烟道浊度增加，光源发出的光被烟尘颗粒吸收和折射增加，到达光检测器的光就会减少。烟尘浊度监测的工作原理如图4.10所示。点击此处结束放映物联网概论（第2版）4.2.2 光电式传感器 3典型的光电式传感器 点击此处结束放映物联网概

10、论（第2版）4.2.2 光电式传感器 3典型的光电式传感器 点击此处结束放映物联网概论（第2版）4.2.3 超声波传感器 超声波是一种振动频率高于声波的机械波，超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。 1超声波传感器的工作原理 超声波可以在气体、液体及固体中传播，传播中也有折射和反射现象，并在传播过程中有衰减。超声波在空气中衰减较快，而在液体及固体中衰减较小、传播较远。利用超声波的上述特性，可以做成各种超声传感器。点击此处结束放映物联网概论（第2版）4.2.3 超声波传感器 2典型的超声波传感器 超声波在医学上的应用 超声波在医学上的应用主要是诊断疾病。超声波诊断是利用超声波的反射，每

11、遇到一个反射面时，就会在示波器的屏幕上显示出回声，这些部位可能产生了病变。点击此处结束放映物联网概论（第2版）4.2.4 半导体传感器 半导体传感器是利用半导体材料的各种特性制成的传感器。半导体传感器利用了近百种效应和材料特性，种类繁多。 1半导体传感器的工作原理 半导体传感器按输入信息分为物理敏感、化学敏感和生物敏感半导体传感器。例如，物理敏感半导体传感器是将物理量转换成电信号的器件，按敏感对象分为光敏、热敏、力敏等不同的类型。点击此处结束放映物联网概论（第2版）4.2.4 半导体传感器 2典型的半导体传感器 （1）半导体压力传感器 对半导体材料施加一定的载荷而产生应力时，它的电阻率会发生变

12、化，这种物理现象称为半导体的压阻效应。半导体应变片比金属应变片的灵敏系数大得多。 点击此处结束放映物联网概论（第2版）4.2.4 半导体传感器 2典型的半导体传感器 （2）半导体温度传感器 半导体温度传感器分为接触型和非接触型两大类，其中接触型又分为热敏电阻与PN结型温度传感器。点击此处结束放映物联网概论（第2版）4.2.4 半导体传感器3半导体传感器的优点 （1）种类繁多 （2）响应时间短 （3）体积小、重量轻 （4）检测转换一体化 （5）应用广点击此处结束放映物联网概论（第2版）4.2.5 生物传感器 用固定化生物成分或生物体作为敏感元件的传感器称为生物传感器（biosensor），生物传

13、感器对酶、抗体、抗原、微生物、细胞、组织、核酸等敏感。 点击此处结束放映物联网概论（第2版）4.2.5 生物传感器 1967年，S.J.乌普迪克等研制出了第一个生物传感器葡萄糖传感器。 生物传感器大约经历了3个发展阶段。在第三个阶段，生物传感器是将生物成分直接固定在电子元件上，把生物感知和信号转换处理结合在一起。 生物传感器已成为世界科技发展的新热点。生物传感器目前仍处于开发阶段，对生物传感器的需求十分迫切。点击此处结束放映物联网概论（第2版）4.2.6 传感器集成化、智能化和网络化 传感器技术一个里程碑式的发展是20世纪60年代出现的硅传感器技术。硅传感器结合了硅材料优良的机械性能和电学性能

14、，其制造工艺与微电子集成工艺相容，使传感器技术开始向微型化、集成化、智能化和网络化的方向迅速发展。点击此处结束放映物联网概论（第2版）4.2.6 传感器集成化、智能化和网络化 1传感器集成化 微机电系统（MEMS）是由微传感器、微执行器、信号处理和控制电路、通信接口和电源等部件组成的一体化的微型器件系统。MEMS是传感器集成化的典型例子。 MEMS技术制作的微传感器采用与集成电路类似的生成技术，尺寸非常小，典型尺寸在m级。 点击此处结束放映物联网概论（第2版）4.2.6 传感器集成化、智能化和网络化 1传感器集成化 单轴加速度计已不能满足技术进步的需求，加速度传感器正朝着多轴的方向发展，用来检

15、测3个方向的加速度。 一种硅微机械三轴加速度传感器的结构如图所示，尺寸为6mm4mm1.4mm。点击此处结束放映物联网概论（第2版）4.2.6 传感器集成化、智能化和网络化 2传感器智能化 智能传感器（intelligent sensor或smart sensor）不仅仅是一个简单的传感器，它带有微处理器，具有采集、处理和交换信息的能力，是集成化传感器与微处理器相结合的产物。点击此处结束放映物联网概论（第2版）4.2.6 传感器集成化、智能化和网络化 3传感器网络化 单独的传感器数据采集已经不能适应现代技术的发展，取而代之的是由分布式数据采集系统组成的传感器网络。现在信息技术正朝着物联网的方向

16、发展，传感器网络化是传感器发展的必由之路，也是网络向物体信息延伸的必由之路。点击此处结束放映物联网概论（第2版）4.2.6 传感器集成化、智能化和网络化 3传感器网络化 智能微尘是以无线方式传递信息的传感器，具有低功率（手机功率的1/1000）、小尺寸（小到1mm以下）的特征。集成有传感器、计算电路、双向无线通信和供电模块的智能微尘已经缩小到沙粒般大小，但它却包含了从信息收集、信息处理到信息发送所必需的全部部件。点击此处结束放映物联网概论（第2版）点击此处结束放映无线传感器网络4.3物联网概论（第2版）无线传感器网络 4.3.1 无线传感器网络的概念 4.3.2 无线传感器网络的组成 4.3.

17、3 无线传感器网络的特点 4.3.4 无线传感器网络的核心技术 4.3.5 无线传感器网络协议 4.3.6 无线传感器网络应用点击此处结束放映物联网概论（第2版）无线传感器网络 无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是由在空间上相互离散的众多传感器相互协作组成的传感器网络系统。WSN的发展将帮助物联网实现信息感知能力的全面提升。点击此处结束放映物联网概论（第2版）4.3.1 无线传感器网络的概念 什么是 无线传感器网络？ 无线传感器网络（WSN）是由大量的、静止或移动的传感器节点，以自组织和多跳的方式构成的无线网络，目的是以协作的方式感知、采集、处理和传输在网

18、络覆盖区域内被感知对象的信息，并把这些信息发送给用户。 点击此处结束放映物联网概论（第2版）点击此处结束放映4.3.2 无线传感器网络的组成无线传感器网络通常包括哪些组成部分？ WSN通常包括传感器节点（Sensor Node）、汇聚节点（Sink Node）和管理节点。大量传感器节点随机部署在检测区域（Sensor Field）内部或者附近，传感器节点通过自组织的方式构成网络。物联网概论（第2版）点击此处结束放映4.3.2 无线传感器网络的组成 物联网概论（第2版）点击此处结束放映4.3.2 无线传感器网络的组成无线传感器网络数据传输方式？ 传感器节点检测到的数据采用多跳的方式，可能被多个节

19、点处理，经过多跳路由后到达汇聚节点。最后，再由汇聚节点通过互联网或卫星到达管理节点，达到对目标区域的监测。物联网概论（第2版）4.3.3 无线传感器网络的特点 WSN就是由大量廉价微型的传感器节点，通过无线通信方式形成的一个特殊的Ad hoc网络。 1Ad hoc网络 Ad hoc是一种多跳的临时性自治系统，网络中所有结点的地位平等，无须设置任何中心控制结点。比如，战场上部队快速展开和推进地震或水灾后的营救等。 相比之下，我们经常提及的移动通信网络一般都是有中心的。例如，蜂窝移动通信系统要有基站的支持。点击此处结束放映物联网概论（第2版）4.3.3 无线传感器网络的特点 1Ad hoc网络 A

20、d hoc的特点如下。 （1）自组织无中心网络 （2）多跳网络 （3）无线传输带宽有限点击此处结束放映物联网概论（第2版）4.3.3 无线传感器网络的特点 2无线传感器网络 WSN的特点如下。（1）动态性网络（2）硬件资源有限（3）能量受限（4）大规模网络（5）以数据为中心（6）广播式通信（7）无人值守（8）易受物理环境影响点击此处结束放映物联网概论（第2版）4.3.4 无线传感器网络的核心技术 WSN是多学科交叉的研究领域，因而包含了众多的研究方向。下面介绍WSN的核心技术。 点击此处结束放映物联网概论（第2版）4.3.4 无线传感器网络的核心技术 1组网模式 在确定采用WSN技术进行应用系

21、统的设计后，首先面临的问题是采用哪种组网模式。是否有基础设施的支持，汇报频度与延迟等应用需求如何，都决定了组网模式。点击此处结束放映物联网概论（第2版）4.3.4 无线传感器网络的核心技术2拓扑控制 组网模式决定了网络的总体拓扑结构，但还需要细粒度控制。主要的拓扑控制技术分为时间控制、空间控制和逻辑控制。3媒体访问控制和链路控制 媒体访问控制和链路控制可以解决无线网络中普遍存在的冲突和丢失问题。点击此处结束放映物联网概论（第2版）4.3.4 无线传感器网络的核心技术4路由、数据转发及跨层设计 WSN中的数据流向与Internet相反。在WSN中，终端设备是向网络提供信息。因此，WSN网络层协议的设计有独特要求。5QoS保障和可靠性设计 服务质量（Quality of Service，QoS）是传感器网络走向可用的关键技术之一