第3章传感器、传感网与无线传感器网络技术的发展

第3章

传感器、智能传感网

与

无线传感器网络技术1讲解第1、2章习题2第

3章知识点结构33.1传感器概述

3.1.1感知能力与传感器的发展1.人的感知能力眼、耳、鼻、舌、皮肤是人类感知外部物理世界的重要感官随着人类对外部世界的改造，对未知领域与空间的拓展，人类需要的信息来源、种类、数量、精度不断增加，对信息获取的手段也提出了更高的要求，而传感器是能够满足人类对各种信息感知需求的主要工具42．传感器的基本概念传感器（sensor）是由敏感元件和转换元件组成的一种检测装置，能感受到被测量，并能将检测和感受到的信息，按一定规律变换成为电信号（电压、电流、频率或相位）输出，以满足感知信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制的要求。传感器结构与工作原理示意图53.1.2传感器的分类传感器分类的基本方法：根据传感器功能分类根据传感器工作原理分类根据传感器感知的对象分类根据传感器的应用领域分类6常用物理传感器

与化学传感器73.1.3物理传感器1.物理传感器物理传感器的原理是利用力、热、声、光、电、磁、射线等物理效应，将被测信号量的微小变化转换成电信号物理传感器可以进一步分为：力传感器、热传感器、声传感器、光传感器、电传感器、磁传感器与射线传感器等7类8（1）力传感器力传感器是能感受外力并将其转换成可用输出信号的传感器。力传感器的种类繁多，常用的力与压力传感器有电阻应变式、半导体应变式、压阻式、电感式、电容式、谐振式压力传感器，以及光纤压力传感器等用金属应变丝作为敏感元件的压力传感器原理示意图9不同用途的

力传感器10（2）温度传感器（3）声传感器11（4）光传感器图像传感器光纤传感器12分布式光纤传感系统分布式光纤传感系统利用光纤作为传感敏感元件和传输信号介质，探测出沿着光纤不同位置的温度和应变的变化，实现分布、自动、实时、连续、精确的测量。分布式光纤传感系统应用领域包括：

—智能电网的电力电缆表面温度检测、事故点定位

—发电厂和变电站的温度监测、故障点检测和报警

—水库大坝、河堤安全与渗漏监测

—桥梁与高层建筑结构安全性监测

—公路、地铁、隧道地质状况的监测分布光纤温度传感系统可以在易燃、易爆的环境下同时测量上万个点，可以对每个温度测量点进行实时测量与定位13（5）电传感器电传感器可以分为：电阻式、电容式、电感式传感器电阻式传感器利用变阻器将非电量转换成电阻信号的原理制成的。电阻式传感器主要用于位移、压力、应变、力矩、气流流速、液面与液体流量等参数的测量电容式是利用改变电容器的几何尺寸或介质参数，来使电容量变化的原理制成的。电容式传感器主要用于压力、位移、液面、厚度、水分含量等参数的测量电感式是利用改变电感磁路的几何尺寸或磁体位置，来使电感或互感量变化的原理制成的，主要用于压力、位移、力、振动、加速度等参数的测量。14（6）磁传感器磁传感器是最古老的传感器，指南针是磁传感器的最早的一种应用磁传感器将磁信号转化成为电信号输出磁电式传感器目前已经被高性能磁敏感材料的新型磁传感器所替代15（7）射线传感器射线传感器是将射线强度转换出可输出的电信号的传感器射线传感器可以分为：X射线传感器、γ射线传感器、β射线传感器、辐射剂量传感器射线传感器已经在环境保护、医疗卫生、科学研究与安全保护领域广泛使用163.1.4化学传感器化学传感器可以将化学吸附、电化学反应过程中被测信号的微小变化转换成电信号的一类传感器

按传感方式的不同，可分为：

—接触式化学传感器

—非接触式化学传感器按结构形式的不同，可以分为：

—分离型化学传感器

—组装一体化化学传感器按检测对象的不同，可以分为：

—气体传感器

—离子传感器

—湿度传感器

173.1.5生物传感器生物传感器是由生物敏感元件和信号传导器组成生物敏感元件可以是生物体、组织、细胞、酶、核酸或有机物分子不同的生物元件对于光强度、热量、声强度、压力有不同的感应特性18生物传感器的分类3.1.6传感器性能指标线性度灵敏度分辨率迟滞重复性漂移测量范围精度193.2智能传感器与无线传感器的发展

3.2.1智能传感器的发展智能传感器的特点：自学习、自诊断与自补偿能力复合感知能力灵活的通信能力智能传感器的发展为传感器技术的研究提出了很多富有挑战性的课题203.2.2微机电系统对智能传感器发展的影响微机电系统的基本概念微机电系统（MEMS）是指集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路，直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统MEMS为传感器微型化、智能化与网络化的实现提供了技术支持，也为智能传感器应用与产业发展拓展了新的空间MEMS是在微电子技术基础上发展起来的多学科交叉的新兴学科，它以微电子及机械加工技术为依托，研究涉及微电子学、机械学、力学、自动控制科学、材料科学等多个学科21用MEMS技术制造的微型传感器223.2.3无线传感器的研究UGS的无线传感器外形与应用2324相关视频资料/v_show/id_XMjk5NTc3ODUwOA==.html?from=y1.2-1-84.4.1-1.1-1-2-0-0%26source%3Dautoclick#paction/v_show/id_XMzA4NTIwOTA1Ng==.html#pactionhttp:///us/265364041/84364151.shtml/x/page/h0368fpp08y.html253.3无线传感器网络

3.3.1从无线分组网到无线自组网1.无线分组网的研究IEEE将无线自组网定义为一种特殊的自组织、对等式、多跳、无线移动网络（MANET），它是在无线分组网的基础上发展起来的无线自组网有多个英文名称，如Adhocnetwork、Self-organizingnetwork、Infrastructurelessnetwork与Multi-hopnetwork1991年5月，IEEE正式采用“Adhoc网络”术语Adhoc在英语中的含义是“forthespecificpurposeonly”，即“专门为某个特定目的、即兴的、事先未准备的”意思262.无线自组网的基本概念Adhoc网络物理结构与

拓扑结构27Adhoc网络的特点:自组织与独立组网无中心多跳路由动态拓扑无线传输的局限与节点能量的限制性网络生存时间的限制Adhoc网络的主要应用领域:军事领域民用领域283.3.2从无线自组网到无线传感器网络

无线传感器网络的概念

无线传感器网络（wirelesssensornetwork,WSN）：就是由部署在检测区域内的大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作的感知，采集和处理网络覆盖区域中对象的信息，并发送给观察者。

传统网络：人人

无线传感器网络：人自然界29

与现有网络的区别

无线自组网(mobilead-hocnetwork）1.几十到上百个节点2.无线通信，各个节点的关系是对等的3.首要目标是保证高质量的传输服务和高带宽利用

无线传感器网络(WSN)1.节点更为庞大，成千上万，节点分布更为密集2.环境影响和干扰很大，本身能量不足，因此节点很容易出现故障，影响网络拓扑结构3.首要目标是能源的高效使用。军事应用

通过飞机或炮弹直接将传感器节点撒播到指定区域，从而能非常隐蔽和近距离准确的收集战场信息。为火控和制导系统提供精确制导，利用生物和化学传感器探测生化武器的成分。除了探测之外还可以鉴别身份和追踪目标。

环境和生态监测这是中科院对雪豹进行监测拍摄的照片。

医疗护理包括监测人体的各种生理数据，跟踪和监控医院内医生和患者的行动，医院的药物管理。值得一提的是应用在人工视网膜中，替代视网膜的芯片有100个微型的传感器组成并置入人眼，可以使得失明者或视力极差者能够恢复到一个可以接受的视力水平。

建筑物状态监测这是利用传感器网络来监控建筑物的安全状态。LWIM与WINS无线传感器网络的研究LWIM与WINS无线传感器节点37智能尘埃项目的研究智能尘埃(SmartDust)项目研究的目标是通过MEMS技术，实现传感、计算与通信能力的集成，用智能传感器技术去增强微型机器人的环境感知与智慧处理能力各种智能尘埃节点38无线传感器网络技术发展的过程393.3.3无线传感器网络特点与结构无线传感器网络特点:网络规模:与应用相关自组织网络：应用环境限制，需要自组织拓扑结构的动态变化：动态重构以数据为中心：应用最重要40无线传感器网络的基本结构无线传感器网络节点类型:传感器节点汇聚节点管理节点41电源能量对无线传感器节点设计的限制无线传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统，它的处理能力、存储能力和通信能力相对较弱，通过自身携带的能量有限的电池（钮扣电池或干电池）供电汇聚节点既可以是一个具有增强功能的传感器节点，有足够的能量提供给更多的内存与计算资源，也可以是没有监测功能仅带有无线通信接口的特殊网关设备42基于功能的无线传感器网络结构模型433.3.4无线传感器网络关键技术研究无线传感器网络研究的主要内容443.3.5无线传感器网络通信协议与标准*1.无线局域网与IEEE802.11标准802.11协议层次结构模型45802.11节点发送数据帧过程462.蓝牙技术与协议蓝牙（Bluetooth）一种用于将计算机与通信设备、附加部件和外部设备，通过短距离的、低功耗的、低成本的无线信道连接的无线标准473.无线个人区域网与IEEE802.15.4标准LR-WPAN是指在一个个人操作空间内，将使用相同无线信道，将个人计算机、键盘、鼠标、智能手机、打印机、投影仪，以及各种PDA设备互联起来的无