物联网概论-第5章 传感器与无线传感网

物联网概论TheIntroductionoftheInternetofThings第5章传感器与无线传感网5.1传感器概述5.2传感器的工作原理与选择原则5.3无线传感器网络5.1传感器概述5.1.1传感器的概念5.1.2传感器的作用5.1.3传感器的分类5.1.4传感器的一般特性5.1.5传感器的应用 5.1.6传感器的发展趋势

在物联网的感知层中，信息的获取与数据的采集主要采用自动识别技术和传感器技术。

传感器技术和自动识别技术完全不同，传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件，可以感知周围的温度、速度、电磁辐射或气体成分等，主要用来采集传感器周围的各种信息。5.1.1传感器的概念

传感器最早来自“感觉”一词。人用眼睛看，可以感觉到物体的开关、大小和颜色；用耳朵听，可以感觉到声音；用鼻子嗅，可以感觉气味。这种视觉、听觉、味觉和触觉是人感觉外界刺激所必须具备的感官，它们就是天然的传感器。 然而单靠人自身的感觉器官来研究自然现象和自然规律是远远不够的。5.1.1传感器的概念

目前，人类已进入了科学技术空前发展的信息社会时代。在这个瞬息万变的信息社会里，传感器为人类敏感地检测出形形色色的有用信息，充当着电子计算机、智能机器人、自动化设备、自动控制装置的“感觉器官”。如果没有传感器将各种各样的形态各异的信息转换为能够直接检测的信息，现代科学技术将是无法发展的。显而易见，传感器在现代科学技术领域占有极其重要的地位。5.1.1传感器的概念

社会进步到今天，人们周围使用着各种各样的传感器，如：

电冰箱、微波炉、空调机；

电视机；

录像机和摄像机；

液化气灶；

汽车5.1.1传感器的概念

社会进步到今天，人们周围使用着各种各样的传感器，如：

电冰箱、微波炉、空调机有温度传感器；

电视机有红外传感器；

录像机和摄像机有湿度传感器、光传感器；

液化气灶有气体传感器；

汽车有速度、压力、湿度、流量、氧气等多种传感器。5.1.1传感器的概念

通常传感器又称为变换器、转换器、检测器、敏感元件、换能器和一次仪表等。这些不同的提法，反映了在不同的技术领域中，只是根据器件用途对同一类型的器件使用不同的技术术语而已。

如从仪器仪表学科的角度强调，它是一种感受信号的装置，所以称为“传感器”；从电子学的角度，则强调它是能感受信号的电子元件，称为“敏感元件”，如热敏元件、磁敏元件、光敏元件及气敏元件等；在超声波技术中，则强调的是能量转换，称为“换能器”，如压电式换能器。在过程控制中称为变速器，在射线检测中称为发送器、接收器或探头。

这些不同的名称在大多数情况下并不矛盾，譬如，热敏电阻既可以称为“温度传感器”，也可以称为“热敏元件”。5.1.1传感器的概念5.1.1传感器的概念

国家标准《传感器通用术语》中定义传感器为：“能感受（或响应）规定的被测量并按照一定规律转换成可用信号的输出器件或装置”。

这里所谓的“可用信号”是指便于处理、传输的信号，一般为电信号，如电压、电流、电阻、电容、频率等。

本教材中的定义：传感器（Sensor；MeasuringElement；Transducer）是一种以一定的精确度把“被测量”转换为与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理量的测量装置，能完成检测任务；

它的输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等；它的输出量是某种物理量，这种量要便于传输、转换、处理、显示等，这种量可以是气、光、电量，但主要是电量；输入与输出的转换规律已知，转换精度要满足测控系统的应用要求。5.1.1传感器的概念传感器一般由敏感元件、转换元件和变换电路3部分组成。5.1.1传感器的概念图5.1传感器的一般组成由半导体材料组成的传感器基本是把敏感元件和转换元件合二为一。

传感器已经渗透到各个领域，现在从基础学科的研究到自动化工业生产，几乎每一个项目都离不开各种各样的传感器。 许多基础学科的研究，最大的障碍之一就是对象信息获取的困难，而一些新机理，高灵敏度的传感器的出现往往会导致该领域该学科内技术的突破。

传感器在自动化生产中地位更为突出。各种传感器可以监视和控制生产过程中的各种参数，从而使设备工作在最佳状态，是产品达到最好的质量等等。没有传感器，就不能实现自动化。

5.1.2传感器的作用5.1.2传感器的作用

在物联网中，传感器是整个物联网中需求量最大和最为基础的环节之一。物联网的概念传到我国以后，我国提出了感知中国的发展目标，在物联网中人们为了感知外界环境，同样必须借助于传感器的帮助。1.按工作/变换原理分类5.1.3传感器的分类 现有传感器的测量原理都是基于物理、化学和生物等各种效应和定律，这种分类方法便于从原理上认识输入与输出之间的变换关系，有利于专业人员从原理、设计及应用上作归纳性的分析与研究。1.按工作/变换原理分类5.1.3传感器的分类变

换

原

理传感器举例变换电阻电位器式、应变式、压阻式、光敏式、热敏式变换磁阻电感式、差动变压器式、涡流式变换电容电容式、湿敏式变换谐振频率振动膜式变换电荷压电式变换电势霍尔式、感应式、热电偶式表5.2传感器按工作原理分类表

2.

按用途分类

温度、湿度、压力、烟雾、水位、速度、加速度、射线辐射、能耗传感器等。3.按输出信号分类

按信号的不同输出方式，传感器可以分为模拟传感器、数字传感器、开关传感器等。5.1.3传感器的分类4.按材料分类

在外界因素的作用下，所有材料都会做出相应的、具有特征性的反应，可以用作传感器的敏感元件。可按材料的类别分类（金属、聚合物、陶瓷、混合物传感器），也可按材料的物理性质分类（绝缘体、半导体、导体、磁性材料传感器）。按照材料的晶体结构可分为单晶、多晶和非晶体材料传感器。

5.按工艺分类集成传感器-薄膜传感器厚膜传感器-陶瓷传感器

5.1.3传感器的分类6.按能量转换的方式分类 1）能量转换型：传感器将一种能量直接转换成另一种能量，直接由被测对象输入的能量使其工作。如热电偶、光电池等，这种类型传感器又称为有源传感器。 2）能量控制型：传感器不能转换能量形式，只能由被测量的变化控制外部供给能量的变化，即从外部获得能量使其工作。例如电阻式、电感式等传感器，这种类型的传感器必须由外部提供激励源（电源等），因此又称为无源传感器。5.1.3传感器的分类静态特性动态特性5.1.4传感器的一般特性

传感器要感受被测非电量的变化，并将其不失真地变换成相应的电量，这取决于传感器的基本特征。传感器可以看成是二端口网络，传感器的基本特性可以用二端口网络的输入-输出特性来表示。动态特性5.1.4传感器的一般特性 动态特性是指当被测量的值随时间变化时，传感器的输出量随时间变化的特性。这时输入量和输出量都是与时间有关的函数。实际中，传感器的动态特性常用它对标准输入信号的响应来表示。标准输入信号动态特性单位阶跃阶跃响应或瞬态响应正弦信号频率响应或稳态响应静态特性5.1.4传感器的一般特性线性度灵敏度迟滞重复性漂移绝缘电阻传感器输出与输入之间的实际关系偏离拟合直线的程度，线性度说明的是传感器的非线性程度。静态特性是指当被测量的值处于稳定状态时，传感器的输出量与输入量之间所具有的相互关系。这时输入量和输出量都和时间无关，所以它们之间的关系，即传感器的静态特性可以用一个不含时间变量的方程来表示。5.1.4传感器的一般特性

图5.2直线拟合的方法静态特性5.1.4传感器的一般特性线性度灵敏度迟滞重复性漂移绝缘电阻传感器输出量的变化量△y与对应的输入变化量△x之比灵敏度是输出输入特性曲线的斜率灵敏度的量纲是输出与输入的量纲之比，位移传感器200mV/mm输入输出量纲相同时，灵敏度为放大倍数静态特性5.1.4传感器的一般特性线性度灵敏度迟滞重复性漂移绝缘电阻迟滞：传感器在输入量由小到大（正行程）和输入量由大到小（反行程）变化时，输出-输入特性曲线不重合的现象。迟滞差值：对于同一大小的输入信号，正反行程输出信号的差值。静态特性5.1.4传感器的一般特性线性度灵敏度迟滞重复性漂移绝缘电阻传感器在相同测量方法、相同测量仪器、相同观测者、相同使用条件、相同地点、在短时期内输入量按同一方向做全程连续多次变化时，特性曲线不一致的程度。静态特性5.1.4传感器的一般特性线性度灵敏度迟滞重复性漂移绝缘电阻外部干扰信号掺杂进传感器，经放大后成了主要信号，这是传感器所传送的信号发生了改变，即产生漂移。主要包括零点漂移和灵敏度漂移，又各分为时间漂移和温度漂移。静态特性5.1.4传感器的一般特性线性度灵敏度迟滞重复性漂移绝缘电阻绝缘电阻：在室温条件下施加规定的直流电压时，从传感器的规定部分之间测得的电阻值。绝缘电阻的大小会影响传感器的各项性能，当绝缘电阻低于某个值时，传感器将无法正常工作。传感器常用的特性参数见教材P108

随着电子计算机、生产自动化、现代信息、军事、交通、化学、环保、能源、海洋开发、遥感、宇航等科学技术的发展，对传感器的需求量与日俱增，其应用已渗入到国民经济的各个部门以及人们的日常生活之中。可以说，从太空到海洋，从各种复杂的工程系统到人们日常生活的衣食住行，都离不开各种各样的传感器，传感技术对国民经济的发展日益起着巨大的作用。5.1.5传感器的应用传感器应用现状

据统计，传感器应用增长最快的是汽车领域，其次是过程控制领域和通信领域。

一些传感器已经比较成熟，市场规模较大，比如压力传感器、温度传感器、流量传感器、水平传感器等。

传感器的主要增长来自于无线传感器、微机电系统（MicroElectro-MechanicalSystems，MEMS）传感器、生物传感器等新兴传感器。5.1.5传感器的应用传感器应用现状1．传感器在汽车领域的应用 现代汽车越来越多的部件采用传感器进行控制。传感器把汽车运行中的各种信息（温度，车速、发动机运转情况等）转化成电量传输给计算机，从而控制发动机处于最佳的工作状态。 5.1.5传感器的应用传感器应用举例1．传感器在汽车领域的应用

传感器在汽车上的应用已不只局限于对行驶速度、行驶距离、发动机旋转速度以及燃料剩余量等有关参数的测量。由于汽车交通事故的不断增多和汽车对环境的危害，传感器在一些新的设施，如汽车安全气囊系统、防盗装置、防滑控制系统、防抱死装置、电子变速控制装置、排气循环装置、电子燃料喷射装置及汽车“黑匣子”等都得到了实际应用。可以预测，随着汽车电子技术和汽车安全技术的发展，传感器在汽车领域的应用将会更为广泛。5.1.5传感器的应用传感器应用举例2．传感器在工业检测和自动控制系统中的应用

在石油、化工、电力、钢铁、机械等加工工业中，传感器在各自的工作岗位上担负着相当于人们感觉器官的作用，它们每时每刻地按需要完成对各种信息的检测，再把大量测得的信息通过自动控制、计算机处理等进行反馈，用以进行生产过程、质量、工艺管理与安全方面的控制。5.1.5传感器的应用传感器应用举例3．传感器在家用电器领域的应用

传感器已在现代家用电器中得到普遍应用，譬如，在电子炉灶、自动电饭锅、吸尘器、空调器、电子热水器、热风取暖器、风干器、报警器、电熨斗、电风扇、游戏机、电子驱蚊器、洗衣机、洗碗机、照像机、电冰箱、彩色电视机、录像机、录音机、收音机、电唱机及家庭影院等方面都得到了广泛应用。5.1.5传感器的应用传感器应用举例4．传感器在机器人上的应用

传感器在机器人的控制中起到非常重要的作用。机器人中使用的传感器相当于人类的五官，具有知觉功能和反应能力，可以感知各种想象，并传给计算机，由计算机控制其完成各种动作。

5.1.5传感器的应用传感器应用举例5．传感器在医疗及人体医学上的应用

应用医用传感器可以对人体的表面和内部温度、血压及腔内压力、血液及呼吸流量、肿瘤、血液的分析、脉波及心音、心脑电波等进行高准确度的诊断。5.1.5传感器的应用传感器应用举例6．传感器在环境保护领域的应用

环球的大气污染、水质污浊及噪声已严重地破坏了地球的生态平衡和我们赖以生存的环境，这一现状已引起了世界各国的重视。为保护环境，利用传感器制成的各种环境监测仪器正在发挥着积极的作用。5.1.5传感器的应用传感器应用举例7．传感器在航空航天领域的应用

为了解飞机或火箭的飞行轨迹，并把它们控制在预定的轨道上，就要使用传感器进行速度、加速度和飞行距离的测量。

要了解飞行器飞行的方向，就必须掌握它的飞行姿态，飞行姿态可以使用红外水平线传感器陀螺仪、阳光传感器、星光传感器及地磁传感器等进行测量。

5.1.5传感器的应用传感器应用举例8．传感器在桥梁监控系统中的应用

5.1.5传感器的应用传感器应用举例 通过传感器收集桥梁运行过程中的各项数据，实时评价桥梁结构的健康状况。

通过数据线的连接，传感器被布置在了桥体突出部位、桥体侧面和桥体下方等一些容易变形和受损的地方，可以实时监测桥梁的位移、加速度、弹性形变等各种数据。桥梁身上有任何损耗，都能通过传感器“把脉”，发布“病症”，工作人员只要打开电脑就可以知道什么位置，哪个部件出了毛病，然后“对症下药”。整座立交桥上将分布有成百上千个传感器，桥梁的使用变化情况将在传感器的感知下一目了然。1．基础、应用两头依附

基础依附是指传感器技术的发展依附于敏感机理、敏感材料、工艺设备和计测技术四大基础。 应用依附是指传感器技术属于应用技术，其发展要以市场为导向，实行需求牵引。

5.1.5传感器的应用传感器产业特点2．技术、投资两个密集

技术密集是指传感器技术是多种技术的集合产物，传感器在研发和制造过程中，技术存在多样性、边缘性、综合性和技艺性。技术密集自然要求人才密集。 投资密集是指研发传感器技术、研发和生产传感器设备都需要一定的投资强度，且正确的投资能够带来更大的经济效益。

5.1.5传感器的应用传感器产业特点3．产品、产业两大分散

产品结构和产业结构分散是指传感器品种繁多，生产、研发机构分布在多个领域，应用渗透到各个产业。只有按照市场需求，不断调整产业结构和产品结构，才能实现传感器产业全面、协调、持续健康的发展。 5.1.5传感器的应用传感器产业特点传感器技术是一项新兴的高科技技术，是电子信息产业中的基础行业。传感器是新技术革命和信息化社会的重要技术基础，美国早在20世纪80年代就声称世界已进入传感器时代，成立了国家技术小组，帮助政府来组织和领导各大公司与研究部门的传感器技术开发工作。日本则把传感器技术列为十大技术之一。日本工商界人士声称“支配了传感器技术就能够支配新时代”。世界技术发达国家对开发传感器技术都十分重视。美、日、英、法、德和独联体等都把传感器技术列为国家重点开发的关键技术之一。我国从20世纪60年代开始传感技术的研究与开发，我国为了满足对传感器的需求，国家先后制订了有关传感器产业的一系列方针政策，这些政策有力地促进了传感器技术水平的提高和发展，在国民经济建设各个领域，特别是满足军事装备和重点工程需求方面起到日益重要的作用。5.1.6传感器的发展趋势传感器技术是一项与现代技术密切相关的尖端技术，近年来发展很快，主要特点及发展趋势表现在以下几个方面：将采用系列高新技术设计开发新型传感器2.传感器的微型化与低功耗3.传感器的集成化与多功能化4.传感器的智能化5.传感器的数字化6.传感器的网络化5.1.6传感器的发展趋势l）微电子机械系统（MicroElectroMechanicalSystems，MEMS）技术、纳米技术将高速发展，成为新一代微传感器、微系统的核心技术，是21世纪传感器技术领域中带有革命性变化的高新技术。2）发现与利用新效应，比如物理现象、化学反应和生物效应，发展新一代传感器。3）加速开发新型敏感材料，微电子、光电子、生物化学、信息处理等各种学科各种新技术的互相渗透和综合利用，可望研制出一批先进传感器。将采用系列高新技术设计开发新型传感器5.1.6传感器的发展趋势4）各应用领域对传感器的研究开发提出许多新的要求，其中重要的一点就是扩展检测范围，不断突破检测参数的极限。

空间技术、海洋开发、环境保护以及地震预测等都要求检测技术满足观测研究宏观世界的要求。细胞生物学、遗传工程、光合作用、医学及微加工技术等又希望检测技术跟上研究微观世界的步伐。5）提高传感器的性能。检测技术的发展，必然要求传感器的性能不断提高。5.1.6传感器的发展趋势将采用系列高新技术设计开发新型传感器各种控制仪器设备的功能越来越大，要求各个部件体积越小越好，因而传感器本身体积也是越小越好，功耗越低越好。微传感器的特征之一就是体积小，其敏感元件的尺寸一般为微米级。目前形成产品的主要是微型压力传感器和微型加速度传感器等，它们的体积只有传统传感器的几十乃至几百分之一，质量从千克级下降到几十克乃至几克。5.1.6传感器的发展趋势2.传感器的微型化与微功耗5.1.6传感器的发展趋势3.传感器的集成化与多功能化

传感器的集成化一般包含两方面含义：

其一是将传感器与其后级的放大电路、运算电路、温度补偿电路等制成一个组件，实现一体化。与一般传感器相比，它具有体积小、反应快、抗干扰、稳定性好等优点。

其二是将同一类传感器集成于同一芯片上构成二维阵列式传感器，或称面型固态图像传感器，可用于测量物体的表面状况。5.1.6传感器的发展趋势3.传感器的集成化与多功能化

传感器的多功能化是与“集成化”相对应的一个概念，是指传感器能感知与转换两种以上的不同物理量。

例如：

使用特殊的陶瓷把温度和湿度敏感元件集成在一起成温、湿度传感器；

将检测几种不同气体敏感元件用厚膜制造工艺制作在同一基片上，制成检测氧、氨、乙醇、乙烯4种气体的多功能传感器；

在同一硅片上制作应变计和温度敏感元件，制成同时测量压力和温度的多功能传感器，该传感器还可以实现温度补偿。5.1.6传感器的发展趋势4.传感器的智能化

利用人工神经网、人工智能和信息处理技术（如传感器信息融合技术、模糊理论等）使传感器具有更高级的智能，具有分析、判断、自适应、自学习的功能。随着科学技术的发展，智能传感器的功能将逐步增强。

智能传感器可充分利用计算机的计算和存储能力，对传感器的数据进行处理，并对内部行为进行调节，使采集的数据最佳。5.1.6传感器的发展趋势4.传感器的智能化

智能传感器技术是测量技术、半导体技术、计算技术、信息处理技术、微电子学和材料科学互相结合的综合密集型技术。

智能传感器与一般传感器相比具有自补偿能力、自校准功能、自诊断功能、数值处理功能、双向通信功能、信息存储记忆和数字量输出功能。

智能化传感器的研究与开发，美国处于领先地位。美国宇航局在开发宇宙飞船时称这种传感器为灵巧传感器(SmartSensor)，在宇宙飞船上这种传感器是非常重要的。5.1.6传感器的发展趋势5.传感器的数字化

随着现代化的发展，传感器的功能已突破传统的功能，其输出不再是单一的模拟信号，而是经过微电脑处理好的数字信号，有的甚至带有控制功能，这就是所说的数字传感器。数字传感器的特点是：①数字传感器将模拟信号转换成数字信号输出，提高了传感器输出信号抗干扰能力，特别适用于电磁干扰强、信号距离远的工作现场；②软件对传感器线性修正及性能补偿，减少系统误差；③一致性与互换性好。5.1.6传感器的发展趋势6.传感器的网络化

传感器网络化是利用TCP/IP协议，使现场测控数据就近接入网络，并与网络上有通信能力的节点直接进行通信，实现数据的实时发布和共享。

传感器网络化是传感器领域发展的一项新兴技术。传感器网络化的目标是采用标准的网络协议，同时采用模块化结构将传感器和网络技术有机地结合起来。能及时完成如传感器故障诊断、软件升级等工作，传感器操作过程更加简化，功能更换和扩张更加方便。5.2传感器的工作原理与选择原则5.2.1应变式传感器5.2.2光电传感器5.2.3超声波传感器5.2.4半导体传感器5.2.5智能传感器5.2.6传感器选择的一般原则

电阻应变式传感器的工作原理：5.2.1电阻应变式传感器

当金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值将发生变化，这种现象称为金属的电阻应变效应。电阻应变式传感器工作原理是基于电阻应变效应原理。用金属电阻丝制作成电阻应变片，粘贴在弹性元件特定表面上，当力、扭矩、速度、被测物理量作用在弹性元件上时，弹性元件的变形会引起应变片的敏感栅的变形，其电阻值也发生相应变化，这样就构成了电阻应变式传感器。通过转换电路可以将电阻值的变化转换为电压或电流的变化，还可以将这种变化用显示记录设备进行显示记录。

电阻应变式传感器的工作原理：5.2.1电阻应变式传感器1——敏感栅，由高电阻系数的细丝弯曲而成的栅状电阻元件，它是应变片的转换原件2——基片，是将传感器弹性体的应变传递到敏感栅1的中间介质，很薄3——覆盖层，用于保护敏感栅、引线的形状和相对位置4——引线，用来连接敏感栅电阻元件与测量电路，一般由低阻镀锡铜丝制成。

图5.3电阻应变片的结构

优点：精度高，测量范围广，寿命长，结构简单，频响特性好，能在恶劣条件下工作，易于实现小型化、整体化和品种多样化等。缺点：对于大应变有较大的非线性、输出信号较弱，但可以采取一定的补偿措施。5.2.1电阻应变式传感器

电阻应变式传感器的优缺点：应变式传感器的灵敏度较高，目前已经应用于各种检测系统中。

1.应变式测力传感器2.应变式压力传感器3.应变式扭矩传感器4.应变式位移传感器5.测温应变计6.应变式加速度传感器5.2.1电阻应变式传感器典型的电阻应变式传感器：

光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。光电传感器的基础是光电转换元件的光电效应，光电传感器首先将被测量的变化转换成光通量的变化，再利用光电元件将光通量转换为电量。

由于光电测量方法灵活多样，可测参数众多，具有非接触、高精度、高可靠性和反应快等特点，使得光电传感器在检测和控制领域获得了广泛的应用。5.2.2光电传感器光电传感器的工作原理：

光电传感器一般由光源、光学通路和光电器件三部分组成，其中x1表示被测量可以直接引起光量变化的检测方式，x2表示被测量在光传播过程中调制光量的检测方式。5.2.2光电传感器光电传感器的工作原理：光电效应：

外光电效应：光线作用下，电子逸出物体表面的现象，如光电管内光电效应：光线作用下，物体的电阻率发生变化或产生光生电动势的现象，多在半导体内部5.2.2光电传感器光电导效应：光线作用下，电子吸收光子能力，从键合状态过渡到自由状态，从而引起材料电阻率的变化。如光敏电阻。光生伏特效应：光线作用下，能够使物体产生一定方向的电动势，如光电池、光敏晶体管。光电传感器的工作原理：5.2.2光电传感器检测距离长，10m以上对检测物体的限制少，玻璃、塑料、木材。液体、金属等都可以响应时间短，光传输高速，传感器电路由电子器件构成，无机械性工作时间可实现非接触的检测，对传感器损伤小，根据故使用寿命长可实现颜色判别，根据不同颜色物体对光的反射率和吸收率不同便于调整。价格便宜光电传感器的优点：5.2.2光电传感器典型的光电传感器：烟尘浊度监测仪 防止工业烟尘污染是环保的重要任务之一。为了消除工业烟尘污染，首先要知道烟尘排放量，因此必须对烟尘源进行监测、自动显示和超标报警。烟道里的烟尘浊度是用通过在烟道里传输的光的变化来检测的。如果烟道浊度增加，光源发出的光被烟尘颗粒的吸收和折射增加，到达光检测器的光减少，因而光检测器输出信号的强弱便可反映烟道浊度的变化。5.2.2光电传感器典型的光电传感器：光敏电阻

光敏电阻是利用半导体的内光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。主要用于光的测量、光的控制和光电转换，如光控调光电路、光控开关、光通量检测、光通量调整。5.2.2光电传感器 在半导体光敏材料两端装上电极引线，将其封装在带有透明窗的管壳里就构成CDS光敏电阻如图所示。为了增加灵敏度，两电极常做成梳状。构成光敏电阻的材料有金属的硫化物、硒化物、碲化物等半导体。

半导体的导电能力取决于半导体导带内载流子数目的多少。当光敏电阻受到光照时，价带中的电子吸收光子能量后跃迁到导带，成为自由电子，同时产生空穴，电子—空穴对的出现使电阻率变小。光照愈强，光生电子—空穴对就越多，阻值就愈低。当光敏电阻两端加上电压后，流过光敏电阻的电流随光照增大而增大。典型的光电传感器：光敏电阻

5.2.2光电传感器典型的光电传感器：CCD图像传感器

1969年，美国科学家威拉德·博伊尔和乔治·史密斯发明了一种半导体装置，可以把光学影像转化为数字信号，这就是CCD（电荷耦合元件）图像传感器。实质上是应用爱因斯坦的光电效应理论，即光照射到某些物质上，能够引起物质的电性质发生变化。 在CCD上植入微小的光敏物质（高感光度的半导体材料，称为像素），CCD将光线照射时导致的电信号变化转换成数字信号，从而实现图像的高效获取、存储、编辑、传输、处理和复原等。5.2.2光电传感器典型的光电传感器：CCD图像传感器

5.2.2光电传感器 CCD图像传感器已成为打印机、传真机、摄像机、数码相机、扫描仪、数字摄像机和多媒体系统的核心部件，还广泛应用于工业领域。此外，在医学中为诊断疾病或进行显微手术等而对人体内部进行的拍摄中，也大量应用了CCD图像传感器及相关设备。 CCD图像传感器有体积小、重量轻、分辨率高、灵敏度高、动态范围宽、光敏元的几何精度高、光谱响应范围宽、工作电压低、功耗小、寿命长、抗震性和抗冲击性好、不受电磁场干扰和可靠性高等一系列优点。典型的光电传感器：CCD图像传感器

人们能听到的声音是由于物体振动产生的，它的频率在20HZ-20KHZ范围内，超过20KHZ称为超声波，低于20HZ的称为次声波。常用的超声波频率为几十KHZ至几十MHZ。它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够定向传播等特点。 超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，有两种形式：横向振荡（横波）及纵向振荡（纵波）。在工业中应用主要采用纵向振荡。5.2.3超声波传感器超声波

超声波可以在气体、液体及固体中传播，其传播速度不同。另外，它也有折射和反射现象，并且在传播过程中有衰减。 在空气中传播的超声波，衰减较快，其频率较低，一般为几十KHZ，而在固体、液体中则频率可用得较高，衰减较小，传播较远。对液体、固体的穿透本领很大，尤其是不透明的固体，可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射，形成反射回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。 利用超声波的特性，可做成各种超声传感器，配上不同的电路，制成各种超声测量仪器及装置，并在通迅，医疗家电等各方面得到广泛应用。5.2.3超声波传感器超声波

倒车雷达用于测距上，倒车雷达一般由超声波传感器、控制器、反馈器三个部分组成。 在汽车处于倒档状态时，倒车雷达开始工作，由传感器发射超声波信号，一旦车后方出现障碍物，超声波被障碍物反射，传感器会接收到反射波信号，通过控制器对反射波信号进行处理（超声波信号从发射到接收回波信号的时间及在介质中的传播速度等）来判断障碍物的所处位置以及和车身的距离，最后由反馈器通过声音(蜂鸣器)、数据(距离显示)、图像(显示屏模拟)等方式将信息反馈给驾驶员。

5.2.3超声波传感器超声波传感器的应用：倒车雷达

超声波在医学上的应用主要是诊断疾病，它已经成为了临床医学中不可缺少的诊断方法。超声波诊断的优点是：对受检者无痛苦、元损害、方法简便、显像清晰、诊断的准确率高等。在医学临床上应用的超声诊断仪有许多类型，如A型、B型、M型、扇形和多普勒超声型等。B型是其中一种，而且是临床上应用最广泛和简便的一种

。基于超声波反射原理的医学诊断：当超声波在人体组织中遇到两层不同的介质界面时，在界面产生反射回声。每遇到一个反射面时，回声就会在示波器上显示出来，这些部位就产生了病变。5.2.3超声波传感器超声波传感器的应用：医学5.2.3超声波传感器超声波传感器的应用：医学5.2.3超声波传感器超声波传感器的应用：工业材料的无损探伤测量材料厚度液位测试

半导体传感器（SemiconductorTransducer）是利用半导体材料各种物理和化学特性制成的传感器。半导体传感器利用了近百种物理效应和材料特性，种类繁多。

半导体传感器所采用的半导体材料多数是硅以及化合物，优点是灵敏度高、响应速度快、体积小、重量轻，便于集成化、智能化，能使检测与转换一体化、应用广。5.2.4半导体传感器半导体传感器的工作原理5.2.4半导体传感器半导体传感器分类工作原理具体分类物理敏感将物理量转换成电信号光敏、热敏、力敏、磁敏等化学敏感将化学量转换成电信号，氧化还原反应、光化学反应、离子交换反应气敏、湿敏、离子敏感生物敏感将生物量转换成电信号，酶的生化反应、抗原体反应、氧化反应半导体传感器的工作原理5.2.4半导体传感器

半导体气敏传感器是利用气体在半导体表面的氧化和还原反应导致敏感元件阻值变化而制成的。若气体浓度发生变化，其阻值也将变化。根据这一特性，可以从阻值的变化得知吸附气体的种类和浓度。

半导体气敏传感器可用于工厂和车间的各种有害气体检测、工业装置的废气成分检测和一般家庭的可燃性气体泄露检测。

半导体气敏传感器5.2.4半导体传感器 按照半导体变化的物理特征，半导体气敏传感器可分为电阻型和非电阻型两类。

电阻型半导体气敏传感器是利用敏感元件吸附气体后电阻值随着被测气体的浓度改变来检测气体的浓度或成分的；

非电阻型半导体气敏传感器是利用敏感元件吸附气体后二极管伏安特性和场效应管的阈值电压变化来检测被测气体的。此类器件的制造工艺成熟，便于器件集成化，因而其性能稳定且价格便宜。半导体气敏传感器5.2.4半导体传感器半导体气敏传感器5.2.4半导体传感器半导体气敏传感器5.2.4半导体传感器 半导体温度传感器利用半导体器件的温度敏感性来测量温度，具有成本低廉，线性度好等优点。半导体温度传感器5.2.4半导体传感器

湿度是表示空气中水蒸气的含量的物理量，常用绝对湿度、相对湿度、露点等表示。利用水分子易于吸附在固体表面并渗透到固体内部的特性，可以制成湿度传感器。湿度传感器主要包括电阻式和电容式两个类别。

电阻式湿度传感器也称为湿敏电阻，利用氯化锂，碳，陶瓷等材料的电阻率的湿度敏感性来探测湿度。现在比较成熟的湿敏电阻有氯化锂湿敏电阻和半导体陶瓷湿敏电阻。

电容式湿度传感器也称为湿敏电容，利用材料的介电系数的湿度敏感性来探测湿度。半导体湿度传感器5.2.4半导体传感器

氯化锂湿敏电阻是利用吸湿性盐类潮解,离子导电率发生变化而制成的测湿元件。

半导体陶瓷湿敏电阻通常是用两种以上的金属氧化物半导体材料混合烧结而成的多孔陶瓷。有些材料的电阻率随湿度增加而下降,故称为负特性湿敏半导体陶瓷，有些材料的电阻率随湿度增大而增大，故称为正特性湿敏半导体陶瓷(为叙述方便，有时将半导体陶瓷简称为半导瓷)。半导体湿度传感器5.2.4半导体传感器半导体湿度传感器5.2.4半导体传感器DT-88204合1多功能环境测试仪

集声速表，光度表，湿度表及温度表为一体的仪表，可用于工业及民用。声级范围可用于测试工厂，学校，办公室，机场及家庭的噪声。检测相应的高保真装置。光度功能用于测试照明领域是否有充足的亮度，光的感应性能是否稳定等。温湿度功能是由一个湿度半导体传感器和一个K型热电偶完成的。半导体湿度传感器

智能传感器（IntelligentSensor，SmartSensor）是具有信息处理功能的传感器。智能传感器带有微处理器，具有采集、处理和交换信息的能力，是对外界信息具有一定的检测、自诊断、数据处理以及自适应能力的传感器。

与传统传感器相比，智能传感器可以通过软件技术实现高精度的信息采集，具有一定的编程自动化能力，可实现多种多样的功能。为监控系统和操作员提供相关信息，以提高工作效率及减少维护成本。5.2.5智能传感器5.2.5智能传感器

智能传感器是将传感器的敏感元件、信号调理电路、微处理器MPU(MicroProcessorUnit)及数字信号接口电路集成在一块芯片上构成。一个良好的‘智能传感器’是由微处理器驱动的传感器与仪表的套装。5.2.5智能传感器传感器将被测信号转换成电信号；信号调理电路将电信号滤波、放大、转换；微处理器是智能传感器的核心，

◆对智能传感器的数据进行计算、存储和处理；

◆通过反馈电路对传感器进行调节；◆充分发挥各种软件的功能，完成硬件难以完成的任务，大大降低了传感器的制造难度和成本，提高了传感器的性能。数字信号接口电路将传感器数据以适用于记录和显示的形式输出。 便于与记录及显示设备相连。传统的传感器构成的应用系统智能传感器构成的应用系统5.2.5智能传感器5.2.5智能传感器腕式血压计

．智慧型全自动加压及减压．可同时测量收缩压、舒张压及脉搏．储存60组测量值记忆．可查阅单笔或全部测量值．3分种自动断电省电装置．智能侦错装置、自动侦测电力．大型数字液晶显示屏幕．高准确度

网络化智能传感器是将通信技术、传感器技术和计算机技术融合在一起，从而实现信息采集、信息传输和信息处理的统一与协同。

网络化智能传感器不仅将敏感元件、转换电路和变送器结合为一体，实现了智能化，而且在内部嵌入了通信协议，利用TCP/IP协议，使现场测控数据就近接入网络，并与网络上有通信能力的节点直接进行通信，实现数据的实时发布与共享。具有强大的通信功能，实现了信息的网络化传输。5.2.5智能传感器1、网络化智能传感器5.2.5智能传感器下图显示的是Honeywell公司开发的PPT系列智能压力传感器的外形以及内部结构。内含微处理器-数字补偿、组态、控制、通讯。用于压力测量和标定，在气象仪器、气压计和雨量计、航空仪表、医疗设备、环境监测、过程控制等领域应用广泛。5.2.5智能传感器2、智能压力传感器3、智能温湿度传感器温湿度智能传感器外形

5.2.5智能传感器应用领域：数据采集器

变送器

自动化过程控制

汽车行业

楼宇控制&暖通空调

电力

计量测试

医药业插针式温湿度传感器

智能微尘（SmartDust）是指具有电脑功能的一种超微型传感器。智能微尘是以无线方式传递信息的传感器，具有低成本、低功率（手机功率的1/1000）等特征，尺寸可以小到1mm以下，执行一条指令平均只需12pJ能耗。

5.2.5智能传感器4、智能微尘5.2.5智能传感器 每一粒微尘都是由传感器、微处理器、通信系统和电源四大部分组成。主被动传输装置及探测接收装置共同构成通信系统；模拟I/O、DSP、控制模块构成微处理器；电源电容、太阳能电池、薄膜电池都属于电源部分；传感器是相对独立的模块。 智能微尘主要基于微机电系统（MEMS）技术和集成电路技术，具有体积微小、功耗极低等特点。4、智能微尘5.2.5智能传感器 正是因为智能微尘体积微小功耗极低，使其在组成监测网络时具有独特的优势，如多角度多方位信息融合、低成本高冗余度、近距离接触等。 智能微尘以自组织方式构成的无线网络，是一种不需要基础设施的自创造、自组织和自管理的网络。它们能够相互定位、收集数据并向观察者传递信息，如果一个微尘功能失常，其他微尘会对其进行修复，并不会影响观察数据的获取。4、智能微尘5.2.5智能传感器

智能微尘可以探测周围诸多的环境参数，能够收集大量数据，并进行适当的计算处理，利用双向无线通信装置将这些信息在相距1000英尺的微尘器件间往来传送。

数量众多的微尘部署到现场环境中后，形成一张无线传感网。举凡人体生命体征、能源用量、土壤温度、交通地图、生产效率等，都可以远程跟踪，实时处理并放入智能网络。 智能微尘的应用范围很广，除了主要应用于军事领域外，还可用于健康监控，环境监控，医疗等许多方面。4、智能微尘5.2.5智能传感器4、智能微尘（1）军事应用:

智能微尘系统也可以部署在战场上，远程传感器芯片能够跟踪敌人的军事行动，智能微尘可以被大量地装在宣传品，子弹或炮弹壳中，在目标地点撒落下去，形成严密的监视网络，敌国的军事力量和人员、物资的运动自然一清二楚。 美国五角大楼希望在战场上放置这种微小的无线传感器，以秘密监视敌军的行踪。美国国防部在四年以前就已经把它列为一个重点研发项目。如果像美国预想的那样，智能微尘用在战场上，美国的军事实力又将与其他国家再度拉开距离。智能微尘还可以用于防止生化攻击——智能微尘可以通过分析空气中的化学成分来预告生化攻击。此外，智能微尘还有许多具体的军事应用。5.2.5智能传感器4、智能微尘（2）远程健康监控:

通过这种无线装置，可以定期检测人体内的葡萄糖水平、脉搏或含氧饱和度，将信息反馈给本人或你的医生，用它来监控病人或老年人的生活。 将来老年人或病人生活的室内将会布满各种智能微尘监控器，如嵌在手镯内的传感器会实时发送老人或病人的血压情况，地毯下的压力传感器将显示老人的行动及体重变化，门框上的传感器了解老人在各房间之间走动的情况，衣服里的传感器送出体温的变化，甚至于抽水马桶里的传感器可以及时分析排泄物并显示出问题……这样，老人或病人即使单独一个人在家也是安全的。5.2.5智能传感器4、智能微尘（3）医疗应用:

英特尔正在研究通过检测压力来预测初期溃疡的“SmartSocks”，以及通过检测伤口化脓情况来确定有效的含有抗生物质的“智能绷带”。 如果一个胃不好的病人吞下一颗米粒大小的小金属块就可以在电脑中看到自己胃肠中病情发展的状况，对任何一个胃不好的人来说无疑都是一个福音。智能微尘将来可以植入人体内，为糖尿病患者监控血糖含量的变化。糖尿病人可能需要看着电脑屏幕上显示的血糖指数才能决定合适自己的食物。5.2.5智能传感器4、智能微尘（4）防灾领域的应用:

智能微尘可能会用于发生森林火灾时通过从直升机飞播温度传感器来了解火灾情况。作为进一步的应用，将用于通过传感器网络调查北太平洋海洋板块的美国华盛顿大学“海洋项目”及美国正在推进的行星网络项目中。

5.2.5智能传感器4、智能微尘（5）大面积，长距离无人监控:

以中国西气东输及输油管道的建设为例，由于这些管道在很多地方都要穿越大片荒无人烟的无人区。这些地方的管道监控一直都是道难题，传统的人力巡查几乎是不可能的事，而现有的监控产品，往往复杂且昂贵。智能微尘的成熟产品布置在管道上将可以实时地监控管道的情况，一旦有破损或恶意破坏都能在控制中心实时了解到。如果智能微尘的技术成熟了，仅西气东输这样的一个工程就可能带来上亿元的资金节省。5.2.5智能传感器4、智能微尘（5）大面积，长距离无人监控:

电力监控方面同样如此，据了解，由于电能一旦送出就无法保存，因此，电力管理部门一般都会层层要求下级部门每月上报地区用电要求，但地区用电量的随时波动使这一数据根本无法准确，国内有些地方供电局就常常因数据误差太大而遭上级部门的罚款。但一旦用智能微尘来监控每个用电点的用电情况，这种问题就将迎刃而解。5.2.5智能传感器4、智能微尘 总之，智能微尘技术潜在的应用价值非常之大，可监测城市的交通流量便于交通管理，监测各种家电的用电情况以避开高峰期，感应工业设备的非正常振动来确定制造工艺缺陷，监控动物的种群迁徙、监控超市的商品消耗量等等。而且，微尘器件的价格将大幅下降，已在50到100美元之间，预计5年之内将降到1美元左右，这预示着智能微尘具有广阔的市场前景。5.2.5智能传感器4、智能微尘

如何选择传感器，是进行某个量的测量时首先要解决的问题。当传感器确定之后，与之配套的测量方法和测量设备也就确定了。测量的成败，在很大程度上取决于传感器的选用是否合理。5.2.6传感器选择的一般原则确定传感器的类型灵敏度的选择线性范围的选择稳定性的选择精度的选择5.2.6传感器选择的一般原则确定传感器的类型灵敏度的选择线性范围的选择稳定性的选择精度的选择5.2.6传感器选择的一般原则即使是同一物理量，也有多种原理的传感器可选，要根据被测量的特点、使用环境和传感器的使用条件等选择，传统/智能；体积要求；价格；是否接触式线性范围：输入输出成正比的范围线性范围越宽，量程越大，越能保证测量精度没有绝对线性的传感器，在满足精度的前提下，可以将非线性误差较小的传感器近似看成线性的。传感器的精度，关系到整个测量系统的测量准确性，精度越高，价格越贵，精度满足要求即可。确定传感器的类型灵敏度的选择线性范围的选择稳定性的选择精度的选择5.2.6传感器选择的一般原则在传感器的线性范围内，灵敏度越高越好，但灵敏度越高，干扰噪声也越容易被混入放大影响测量精度，所以一般要求较高的信噪比。稳定性：传感器使用一段时间后，其性能保持不变的能力传感器本身的结构及使用环境都会影响其稳定性，对于要求长时间使用不易更换的场合，一定要选择稳定性好的传感器，经得住长时间的考验。5.3无线传感器网络

5.3.1无线传感器网络的组成5.3.2无线传感器网络的特点5.3.3无线传感器网络核心技术5.3.4无线传感器网络协议5.3.5无线传感器网络的应用Adhoc网络（自组织网络）5.3.2无线传感器网络的特点

Ad

Hoc网络是一种多跳的临时性自治系统，是移动通信技术和计算机网络技术相结合的网络。没有有线基础设施的支持，网络中的节点均由移动主机构成。每个节点地位平等，无需设置任何中心控制节点。每个主机的通信范围有限，因此数据通过多个主机的转发才能到达目的地（多跳）。主机同时还是路由器，担负着寻找路由和转发报文的工作。 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Adhoc网络。Adhoc网络（自组织网络）5.3.2无线传感器网络的特点

在Ad

Hoc网络中，当两个移动主机在彼此的通信覆盖范围内时，它们可以直接通信。但是由于移动主机的通信覆盖范围有限，如果两个相距较远的主机要进行通信，则需要通过它们之间的移动主机B的转发才能实现。因此在Ad

Hoc网络中，主机同时还是路由器，担负着寻找路由和转发报文的工作。在Ad

Hoc网络中，每个主机的通信范围有限，因此路由一般都由多跳组成，数据通过多个主机的转发才能到达目的地。故Ad

Hoc网络也被称为多跳无线网络。

无线传感器网络（WirelessSensorNetwork，WSN）简称无线传感网，由部署在监测区域内的大量的体积微小传感器节点组成，通过无线通信方式实现信息感知和短距离传输任务，形成一个多跳的自组织网络。

WSN是物联网的基本组成部分，可以将客观物理世界与信息世界融合在一起，能够改变人与自然界的交互方式，极大地扩展现有网络的功能和人类认识世界的能力。5.3.1无线传感器网络的组成 WSN通常包括传感器节点（SensorNode）、汇聚节点（SinkNode）和管理节点。大量传感器节点随机部署在检测区域（SensorField）内部或者附近，通过自组织的方式构成网络。节点中内置的形式多样的传感器，可以协作地实时监测和采集网络分布区域内各种检测对象的信息，如所在周边环境中的热、红外、声纳、雷达和地震波等信号信息，并将这些信息发布到网关节点，以实现指定范围内目标的检测与跟踪。传感器节点：是一种微型嵌入式设备，由“传感器模块+处理器模块+无线通信模块+电源模块+其它外围电路”组成。

5.3.1无线传感器网络的组成

传感器节点：是一种微型嵌入式设备，由“传感器模块+处理器模块+无线通信模块+电源模块+其它外围电路”组成。

传感器模块：包括各种传感器和A/D转换器，用于监控区域内的众多环境数据的采集和转换，执行控制器发来的各种命令。

处理器模块：是节点的核心，用于完成数据处理、数据存储、执行通信协议和节点调度管理等工作。

无线通信模块：负责和其它节点进行数据交换，包括数据的无线发送、接收和传输等。

电源模块：是所有电子系统的基础，电源模块的设计直接关系到节点的寿命，一般采用微型电池。

网关：网关相当于一个网络协调员，负责管理节点认证和消息缓冲，是有线和无线通信的桥梁，同时将接收到的数据进行融合、压缩及异构互联。监控中心：负责数据处理和信息发布。

传感器节点检测到的数据沿着其他节点逐跳地进行传输，在传输过程中检测数据可能被多个节点处理，经过多跳路由后到达汇聚节点，最后通过互联网或卫星到达管理节点。5.3.1无线传感器网络的组成用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据。5.3.1无线传感器网络的组成

作用：合理的节点部署方案，可以提高网络工作效率、优化利用网络资源，同时可根据需求的变化改变活跃节点数量，动态调整网络节点密度。此外，在某些节点发生故障或能量耗尽失效时，可进行网络重组，保证网络性能不受大的影响。 WSN节点部署就是在指定的监测区域内，通过适当的方法布置传感器节点，以满足某种特定需求。 一般通过一定的算法来实现。常用的算法有：移动节点部署算法、静止节点部署算法、异构/混合节点部署算法等。WSN节点部署：（1）动态性网络（2）大规模网络（3）以数据为中心（4）广播式通信（5）能量受限（6）硬件资源有限（7）无人值守（8）易受物理环境影响5.3.2无线传感器网络的特点（1）动态性网络 无线传感网是一个动态的网络，节点可以随处移动；一个节点可能会因为电池能量耗尽或其他故障，退出网络运行；一个节点也可能由于工作的需要而被添加到网络中。无线传感器网络的拓扑结构可能发生动态变化，无线传感网能够适应这种变化，使网络具有可调性和重构性。

5.3.2无线传感器网络的特点（2）大规模网络

为了获取精确信息，在监测区域通常部署大量传感器节点，传感器节点数量可能达到成千上万，甚至更多。通过不同空间视角获得的信息具有更大的信噪比；通过分布式处理大量采集的信息能够提高监测的精确度，降低对单个节点传感器的精度要求；大量冗余节点的存在，使得系统具有很强的容错性能；大量节点能够增大覆盖的监测区域，减少洞穴或者盲区。 因此无线传感器网络主要不是依靠单个设备能力的提升，而是通过大规模、冗余的嵌入式设备的协同工作来提高系统的可靠性和工作质量。5.3.2无线传感器网络的特点（3）以数据为中心

在WSN中，人们只关心某个区域某个观测指标的数据，而不会去关心具体某个节点的观测值，以数据为中心的特点要求传感器网络能够脱离传统网络的寻址过程，快速有效的组织起各个节点的信息并融合提取出有用信息直接传送给用户。5.3.2无线传感器网络的特点（4）广播式通信 在WSN中，节点数目庞大，采用广播方式，可以加快传播的范围和速度，节省电力。5.3.2无线传感器网络的特点（5）能量受限 在WSN中，网络节点一般采用电池供电，所以电池能量用完，这个节点则死亡失效，所以节能省电是WSN研究的一个重要课题。（可以充电，利用太阳能自主获取能源等）（6）硬件资源有限 受到价格、体积、功耗等限制，传感器节点是一种微型嵌入式设备，因此其携带的处理器能力比较弱，存储器容量比较小。5.3.2无线传感器网络的特点（7）无人值守、易受物理环境影响 首先，WSN特别适合部署在恶劣环境或人类不宜到达的区域；其次，在WSN中网络节点规模巨大，不可能人工监管每个节点，WSN往往是在无人值守的状态下工作，切易受到物理环境的影响。 这就要求传感器节点非常坚固，可靠性高，不易损坏，以适应各种复杂环境。WSN的软硬件必须具有较强的鲁棒性和较高的容错性。

在确定采用WSN技术进行应用系统的设计后，首先面临的问题是采用哪种组网模式。WSN可以采用下面的组网模式。（1）扁平组网模式：所有节点角色相同，相互协作完成数据的交流和汇聚（2）基于分簇的层次型组网模式：分为普通传感节点和簇头节点，传感节点将数据先发送到簇头节点，再由簇头节点汇聚到后台，簇头节点需要完成更多的工作，消耗更多的能量，要按需更换簇头，避免簇头节点因能量消耗过渡而死亡。（3）网状网模式：在传感器节点形成的网络上增加一层固定的无线网络，用来收集节点数据，实现节点之间的信息通信，以及网内的数据融合。（4）移动汇聚模式：使用移动终端收集目标区域的传感数据，并转发到后端服务器。5.3.3无线传感器网络核心技术1、组网模式

组网模式决定了网络的总体拓扑结构，但为了实现WSN的低能耗运行，还需要对节点连接关系的时变规律进行细粒度控制。拓扑控制的目的是在实现网络连通的同时保证信息的能量高效、可靠地传输。

目前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种。5.3.3无线传感器网络核心技术2、拓扑结构时间控制：控制每个节点睡眠工作的占空比，控制调度各节点睡眠的起始时间，让节点交替工作。空间控制：通过控制节点的发送功率，改变节点的连通区域，使 网络呈现不同的连通状态，从而控制能耗、提高网络容量。逻辑控制：通过邻居表，将不理想的节点排除在外，从而形成更稳固、可靠和强健的网络拓扑结构。5.3.3无线传感器网络核心技术2、拓扑结构

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，能够根据网络中数据流的状态控制临近节点、乃至网络中所有节点的信道访问方式和顺序，从而达到高效利用网络容量、减低能耗的目的。 WSN中的数据流向与Internet相反。在Internet中，终端设备主要从网络上获取信息；而在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自己的独特要求。由于WSN对能量效率有苛刻的要求，研究人员通常利用媒体访问控制的跨层服务来选择转发节点和数据流向。5.3.3无线传感器网络核心技术3、媒体访问控制和链路控制无线传感器网络的协议栈WSN的通信协议栈包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层，如右图所示，与互联网协议栈的五层协议相对应。另外，协议栈还包括能量管理平台、移动管理平台和任务管理平台。这些管理平台使得传感器节点能够按照能源高效的方式协同工作，在节点移动的传感器网络中转发数据，并支持多任务和资源共享。5.3.4无线传感器网络协议 WSN的数据链路层和网络层都有反映自身特点的协议。在WSN中，数据链路层用于构建底层的基础网络结构，控制无线信道的合理使用，确保点到点或点到多点的可靠连接；网络层则负责路由的查找和数据包的传送。5.3.4无线传感器网络协议1、物理层协议在WSN中，物理层是数据传输的最底层，向下直接与传输介质相连，物理层协议是各种网络设备进行互联时必须遵循的底层协议。物理层具有如下功能：为终端设备传送数据提供物理通道；承载数据传输，提供数据传输服务；具有一定的管理能力，进行信道状态评估、能量检测、收发管理以及物理层属性管理。5.3.4无线传感器网络协议物理层具有如下功能：为终端设备传送数据提供物理通道，数据通路可以是一种物理介质，也可以是多种物理介质连接而成；WSN可以通过各种介质进行通信，常见的通信介质主要包括电磁波和声波。电磁波是最主要的无线通信介质，而声波一般仅用于水下无线通信。根据电磁波的波长，又可以分为无线电波、微波、红外线以及光波（光通信）等。物理层主要用来承载数据传输，提供数据传输服务，物理层应该能保证数据传输的正确性，还必须提供足够的带宽，减小信道拥塞；物理层必须有一定的管理能力，进行信道状态评估、能量检测、收发管理以及物理层属性管理。5.3.4无线传感器网络协议

MAC：MediumAccessControl，媒体访问控制，主要解决对于一个共享信道，当信道的使用发生竞争冲突时，如何采用有效的协调机制或服务准则来分配信道的使用权的问题。

MAC协议处于数据链路层，是无线传感器网络协议的底层部分，主要用于节点间链路的建立，为数据的传输建立连接，保证所有的节点可以公平、合理、有效地利用有限的带宽和共享通信资源。另外，网络的节能也由MAC层实现。 MAC协议对无线传感器网络的性能有较大的影响，是保证网络高效通信的关键协议之一。

5.3.4无线传感器网络协议2、MAC协议（1）MAC协议的设计原则 WSN与现有的无线网络技术（AdHoc，移动电话通信网络、蓝牙技术等）有很大的区别，如下表所示，导致已有网络中的许多技术并不能直接应用到WSN中。5.3.4无线传感器网络协议2、MAC协议5.3.4无线传感器网络协议2、MAC协议WSN无线AdHoe网络节点监测周围环境事件，检测区域的事件可以激活WSN无感知行为，网络通信由用户应用管理节点尺寸微小节点较大（如PDA、LAPTOPS等）节点电能有限有固定的电能供给节点成本低节点成本较高

节点部署一次成形，节点维护与失效处理困难节点维护相对方便，节点供电可以更换电池节点寿命与节点附带的电池有关节点电池可以更换节点密度高，冗余度大低密度、低冗余短距离通信（3～30m）长距离传输（10～500m）节点处理能力和存储能力有限节点处理能力、存储能力较强节点周期性处于工作、休眠状态节点大部分时间监听无线信道以数据为中心的通信方式；数据包目的根据采集的数据属性而定

用户间根据需求进行通信非连续通信，只在检测到数据时才进行通信大部分持续通信，如多媒体数据流低带宽（1～250Kbps）

高带宽（如IEEE802．1lx达到1～54Mbps）网络操作面向任务

网络运行面向应用（1）MAC协议的设计原则

在WSN的设计中主要根据7个标准进行MAC层协议设计：高性能、高可扩展性、高自适应性、简单、节能、对上层协议的良好支持和安全性。 其中节能是最主要的设计原则。每个传感器节点由电池供电，受环境和其他条件的限制，节点的电池能量通常难以进行补充。MAC协议直接控制节点的节能问题，即让传感器节点尽可能处于休眠状态，以减少能耗。 可扩展性(Scalability)WSN中的节点在数目和分布密度、位置方面很容易发生变化，或者由于节点能量耗尽，新节点的加入引起的网络拓扑结构的变化。设计MAC协议时也应具有可扩展性，以适应拓扑结构的动态性：。5.3.4无线传感器网络协议2、MAC协议（2）MAC协议的分类

目前研究者已经提出了很多MAC层设计的建议方案和MAC协议，但还没有统一的分类方式。根据节点访问信道的方式，可以将WSN的MAC协议分为以下3类：

★基于竞争的MAC协议

★基于调度算法的MAC协议

★非碰撞的MAC协议5.3.4无线传感器网络协议2、MAC协议（2）MAC协议的分类

★基于竞争的MAC协议

“竞争”的含义是连接到信道上的节点遵循某种规则竞争信道，得到使用权的节点可以进行通信。基于竞争的MAC层协议还有CSMA/CA、S-MAC、T-MAC、WiseMAC和B-MAC等。

CSMA/CA（带冲突避免的载波侦听多路访问方式）是典型的基于竞争的MAC协议。传输之前，先侦听介质中是否有使用同一信道的载波存在，若不存在说明信道空闲，将直接进入数据传输状态；若系统检测到存在载波，则在随机退避一段时间后重新检测信道，退避的时间长短由具体的协议指定。5.3.4无线传感器网络协议2、MAC协议（2）MAC协议的分类

★基于调度算法的MAC协议 为了解决竞争的MAC协议带来的冲突，研究人员提出了基于调度算法的MAC协议。在传感器节点发送数据之前，根据某种调度算法把信道进行划分，这样多个传感器节点就可以通过使用不同的信道无冲突地同时发送数据了。比如TDMA算法。

5.3.4无线传感器网络协议2、MAC协议（2）MAC协议的分类

★非碰撞的MAC协议

非碰撞的MAC协议在理论上能完全避免碰撞冲突从而可以保证实时性。流量自适应介质访问(TRAMA)协议就是一个高能效的，非碰撞无冲突的MAC协议。 TRAMA协议是将时间分成连续时隙，用基于各节点流量信息的分布式选举算法来决定哪个节点可以在某个特定的时隙传输，以此来达到一定的吞吐量和公平性。

同时，通过避免把时隙分配给无流量的节点，并让非发送和接收节点处于睡眠状态达到节省能量的目的。但是TRAMA