《物联网导论（微课版）》第3章课件

物联网导论第三章感知教师姓名所在大学回顾物联网双世界视图物联网的参考模型

ITU

+IWF物联网的功能域物联网导论2物联网导论3物联网的参考模型是：国际标准，所有生产厂商遵守行业标准，建议生产厂商遵守抽象思维框架，简化对工程系统的理解难度理论模型，通过理论演绎唯一确定ABCD提交单选题1分物联网导论4在物联网中，网关的作用是隔断外部设备对物联网系统的攻击避免不同的物联网系统间的数据泄露进行协议和格式转换实现终端互联将来自终端的数据透明转发到核心网ABCD提交单选题1分物联网导论5IT技术与OT技术的分水岭处于数据抽象层数据累积层物理设备与控制器层连通层ABCD提交单选题1分导入物联网导论6本章内容物联网导论73.1概述3.3传感器技术及应用3.4无线传感器网络技术及应用3.5案例解析3.2感知技术的发展概述3.1物联网导论8概述“感”与“知”是不同层面的概念，然而，两者共同构成了物联网中从数据采集到信息理解的连续流程，紧密联系，难以割裂。物联网导论9什么是感？什么是知？12感“感”（sensing），即使用传感器检测或测量物质世界中的变量的过程。传感器（sensor）是“感”的核心，它是一种设备或系统，可以将物质世界的物理量、化学量或生物量转换为适宜的信号。例如，摄像头（图像传感器）可以捕获环境中的光线，产生图像数据，这些数据将在后续步骤加工处理。物联网导论10知“知”（perception），即从传感器产生的数据中提取有意义的信息的过程，通常涉及到数据的解析、解释和理解，以获得对物质世界的高阶认识。例如，在车辆驾驶过程中，通过分析摄像头产生的图像数据，可以识别车辆前方的道路标志、行人车辆或其他障碍物。物联网导论11会意。从口矢。识敏,故出于口者疾如矢也。认识、知道的事物，可以脱口而出。感知物联网中的传感器，逐渐从传统意义上的简单物理量转换发展为兼具传感、计算和通信能力的微型系统，使得“感”与“知”日益相互交融、难以割裂。因此，在没有歧义的情况下，我们将其统称为“感知”。感知是物联网的前提和基础，是物联网有别于通用信息系统的本质特征。如果失去感知功能，将从本质上切断物质世界与信息世界的联系，物联网系统也将不复存在。物联网导论12感知技术的发展3.2物联网导论13传感器将待观测的事件或物理化学参量转换为以电磁波为主要形式的输出信号的装置就是现代意义上的传感器（Sensor）。待观测的各种类型的物理、化学和生物量都被统一地转换为电信号。电信号成为通用的中介桥梁，各种参量从此可以被统一地传输、处理和分析。同时，伴随着电子技术的发展，电信号的放大、调理、传输、处理和存储设备更易于设计及实现，也易于实现微型化和集成化。物联网导论14传感器技术的意义现代信息技术的三大基础：传感器技术：信息的采集“感官”通信技术：信息的传输“神经”计算机技术：信息的处理“大脑”物联网的基础技术之一，处于物联网构架的感知识别层。传感器的存在和发展，让物体有了触觉、味觉和嗅觉等感官。物联网导论15传感器-模拟信号阶段

例：测量温度，热敏电阻物联网导论16模拟量输出模拟传感器的缺点1模拟信号的长距离传输会导致信号衰减噪声累积放大器无法改善信噪比长距离传输受到很大限制17物联网导论模拟传感器的缺点2考虑：每个热敏电阻有不同的工作曲线模拟器件的一致性比较差，互换性差需要对每个模拟传感器单独校准18物联网导论数字信号可以长距离传输数字信号的取值是有限的（VS模拟信号无限）

放弃某些性质

获得另外一些性质如果噪声不超过门限，则容易恢复原数字信号

信号再生（Regeneration）物联网导论19传感器的数字化“模拟式传感器”+“数字变送”在不改变传感器本身的制造、补偿、调整工艺前提下，仅将属于仪表的放大和A/D变换电路转移至传感器壳内或附近的接线盒中，从而实现数字信号的传输。由于输出是数字信号，克服了模拟传感器信号传输距离短、抗干扰能力差等缺点。物联网导论20感知技术的发展物联网导论21泛在互连智能融合12绿色无源3感知技术的泛在互连趋势单个传感器只能观察物质世界的一个位置，只能监测一种参量。如果能够将分布在不同位置的、不同感知类型的大量传感器组网连通，就可以基于传感器之间的相互协作实现对被观测对象的多点多类型感知，这就是传感器的泛在互连。物联网导论22感知技术的泛在互连趋势泛在互连使得传感器间实现了普遍而丰富的数据共享。现代汽车内的电子系统由大量的传感器组成，诸如电子燃油喷射装置、电动门窗、主动悬架、车载雷达等，其互连能够使驾驶员充分了解车辆各个部位多样类型的信息如果车辆与道路上部署的传感器节点、车辆与车辆之间还可以进一步泛在互连，就有可能在车辆之间共享视野，发现处于本车感知盲区中的异常情况，实现所谓的超视距感知（over-the-horizonperception）。物联网导论23感知技术的智能融合趋势传感器节点自身具备一定的计算能力，也能与物联网中各类具有更强大的计算设备协同实现海量异构传感器源的数据融合（datafusion），实现对物质世界的智能感知，这就是感知技术的“智能融合”趋势。物联网导论24感知技术的无源绿色趋势传感器节点执行传感、通信或计算任务时，都需要消耗能量。尽管单个传感器节点的能耗有限，但成千上万的传感器节点长期运行消耗的总能量消耗是非常可观的。无源绿色逐渐成为感知技术发展的重要主题之一。物联网导论25无源VS有源无源（passive）传感器能在不连接电源线及电池的情况下，从外部环境中捕获能量维持工作，可能的能量采集源包括太阳能、热能、振动、电磁波等多种形式。有源（active）传感器需要额外的电源或电池供应，为此还需要部署专门的供电线缆或者安装电池。在沙漠、战场、森林等户外场景，供电线缆几乎无法敷设，而电池也只能维持有限的时间，在电池耗尽后需要还更换新的电池。无源技术极大地降低了部署和维护成本，提升了部署和维护的灵活性，尤其适合在偏远或难以维护的环境中长期监测和采集数据。物联网导论26绿色发展绿色发展是与“无源”紧密联系的另一个主题。绿色物联网：物联网采用节能硬件和软件设计，以减少现有应用和服务以及物联网设备的能源消耗和碳排放。无源技术并非不消耗能量，而是从环境中采集能量，环境中的光能、风能、电磁能等大多数都是优质的绿色能源，因而传感器的无源化是绿色物联网的重要内容。除了无源技术，在传感器节点的设计中，还有一系列的“绿色”技术，降低节点的功率消耗。物联网导论27绿色发展典型的绿色措施包括：选择低功耗的硬件芯片，包括低功耗的微处理器、低功耗的通信模块等，这样降低运行期的功率消耗。采取绿色通信技术，即通过运用低功耗的先进通信手段降低数据传输的能量消耗。采用休眠策略，即节点间歇性地工作，在工作期间节点正常执行感知任务，在休眠期间节点进行特殊状态，通常会关闭绝大部分功能单元。通过本地的智能信息处理，减少输出的数据量。若输出数据量的减少能够显着地降低通信能量消耗，而本地计算任务增加的计算能量的增加可以忽略，就可以从单个节点角度上降低其总的能量消耗。从协同的视角，若利用少数节点的数据融合结果能够取代大量节点同时感知的效果，那从整体角度上降低了感知子系统的总能量消耗。物联网导论28绿色发展感知技术自身不断向绿色化发展，另一方面也为各行业的绿色发展提供了决策依据。例：感知技术能够监测室内温度，为空调的运行提供指导。我国是应对全球气候变化，推动全球生态文明建设的重要参与者、贡献者和引领者。“绿色是生命的象征、大自然的底色，良好生态环境是美好生活的基础、人民共同的期盼。绿色发展是顺应自然、促进人与自然和谐共生的发展，是用最少资源环境代价取得最大经济社会效益的发展，是高质量、可持续的发展，已经成为各国共识。”（《新时代的中国绿色发展》白皮书，2023年1月）物联网导论29传感器技术及应用3.3物联网导论30传感器的定义英文：transducer/sensor维基百科传感器是接收信号或刺激并反应的器件，能将待测物理量或化学量转换成另一对应输出的装置。我国国家标准（GB7665-2005）对传感器的定义能感受被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置物联网导论31典型的传感器－温度安装敏感元件与被测介质接触状况：接触式温度传感器双金属温度计、玻璃液体温度计、压力式温度计、电阻温度计、热敏电阻和温差电偶非接触式温度传感器亮度法（光学高温计）、辐射法（辐射高温计）和比色法（比色温度计）应用：环境监测、农业、医学、冶金等物联网导论32典型的传感器－超声波超声波是一种振动频率高于声波的机械波超声波传感器超声波的特性研制而成的传感器，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，超声波对液体、固体的穿透能力强，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广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。物联网导论33典型的传感器－气敏将被测气体浓度转换为与其成一定关系的电量输出的装置或器件物联网导论34一氧化碳传感器烟雾传感器甲烷传感器典型的传感器–图像CCD/CMOS图像传感器CCD集成电路上有许多排列整齐的电容，能感应光线，并将图像转变成数字信号CMOS传感器每个像素都会连接一个放大器及模/数转换电路应用在数码摄影、天文学，尤其是光学遥测技术、光学与频谱望远镜物联网导论35典型的传感器–光纤工作原理：来自光源的光经过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质（如光的强度、波长、频率、相位、偏正态等）发生变化，称为被调制的信号光，再经过光纤送入光探测器，经解调后，获得被测参数应用领域：电、磁、压力、位移、温度等物联网导论36光纤信号处理光接收器敏感元件光发送器围界探测思考题

教室（手机）里面有哪些传感器？

它们（任意2个或更多）的数据能够融合得到哪些信息？

如何节约传感器的能耗？物联网导论37无线传感器网络技术及应用3.4物联网导论38无线传感器网络（传感网）39无线传感器网络（WirelessSensorNetwork,WSN）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,其目的是协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内感知对象的监测信息,并发布給观察者39感知对象传感器观察者物联网导论传感器节点40体积小，能耗低，成本低廉物联网导论传感器节点41物联网导论无线传感器网络42数字世界传感数据传感数据传感数据传感数据传感数据传感数据物理世界传感器网络是连通物理世界和数字世界的桥梁物联网导论无线传感器网络的应用潜力2003年1月的美国《技术评论（TechnologyReview）》杂志评选出对人类未来生活产生深远影响的十大新兴技术，无线传感网络被列为其中之一美国《商业周刊（BusinessWeek）》在2003年8月的技术评论中，将无线传感网络定位成21世纪高技术领域的四大支柱型产业之一43物联网导论典型应用领域智能交通汽车电子医疗监护智能家居环境监测国防军事防灾减灾工业监控传感网物联网导论44军事监测物联网导论45医疗监控物联网导论46建筑健康监测广州电视塔600米顶部和底部逆时针旋转扭成塔身中部的“细腰”直径仅30多米世界上首座系统安装“结构健康监测系统”的高耸结构物联网导论47建筑健康监测物联网导论48通过结构计算分析，在施工期间选取12个关键截面并安装527个各种传感器和设备长期运营阶段，选取5个关键截面并安装280个各种传感器和设备实时监测新电视塔的环境参数（温度、湿度、降雨等）、荷载（风和地震）和响应（关键部位的受力、水平位移、加速度、倾斜、沉降、腐蚀等）从而保证了电视塔的结构健康，保证塔结构的正常运行无线传感器网络的特点节点/网络资源受限

嵌入在环境嵌入式微小设备：通信/存储/计算；携带能量有限自组织组网

不依赖人工配置部署节点故障等情况下，自动组成多跳无线网络可靠大规模/节点数量庞大/部署区域广阔多方位感知.精度高；可靠冗余应用相关，需求多样，以感知数据为中心“资源受限”＋“自组织”＋“大规模”＋“应用相关”物联网导论49无线传感网的组网由于无线通信无需借助预先敷设的线缆而实现较远距离的通信，使传感器节点的部署及移动性方面具有独特的优势。在恶劣的野外环境中，可以采用飞机抛洒部署，还可根据需要可以随时增补传感器。无线传感器网络的部署方式通常意味着节点间的组网并不是由人工配置的，而是传感器节点自主实施的，相邻节点的发现以及从源节点到汇聚节点的路由构造都是由节点间协同完成的。自组织网络（Ad-HocNetwork/Self-Organized）物联网导论50邻居发现邻居发现（neighbordiscovery）是无线传感器网络组网的前提。通过邻居发现。每个传感器节点能够识别和确定其通信范围内的其他传感器节点，这是后续选择通信链路和组织网络拓扑结构的基础。物联网导论51邻居发现是基于无线信号的广播特性，当一个节点发送信号时，无线信号会向空间四面八方传播，位于其通信范围内的所有节点可以接收到该信号，这样节点可以感知到它的“邻居”节点。信标消息（beacon）路由物联网导论52节点随机部署每个节点只能知道自己与谁相邻（邻接节点，邻居）如何找到一条路径，从一个节点到特定的节点（通常是SINK节点）传感器网络协议设计的关键问题！网内信息处理无线传感器网络是以感知为目标的应用系统。数据在网络内的流转并不是透明传输，即无需保证来自源节点的数据与最终到达汇聚节点的数据完全相同。在满足感知目标的前提下，网内信息处理能够有效地降低数据传输量、减少能量消耗和提升数据质量。物联网导论53感知覆盖技术以检测声音或震动的传感器为例物联网导论54波形从震动源到传感器，幅度逐渐降低。若在传感器位置，幅度高于传感器的灵敏度，则可以检测，否则检测不到信号。覆盖模型

二值圆盘模型(a)

无方向性（全向）

依赖于距离r<Rs

可检测

可调感知范围的圆盘模型

假设Rs可以调节，通常更大的Rs需要消耗更大的能量物联网导论55网络覆盖单点感知

网络层面的全面感知点覆盖(PointCoverage)物联网导论56用户感兴趣的位置网络覆盖面（积）覆盖(AreaCoverage)物联网导论57部署区域对区域的感知，在理想条件下，区域内任何一点均属于至少k个节点的覆盖范围之内。网络覆盖栅栏/线覆盖物联网导论58部署区域检测是否有运动物体穿越某个假想的边界线（栅栏）栅栏部署方法确定性部署难以在野外实施随机部署易于出现覆盖空洞物联网导论59覆盖增强

即使是确定部署的传感器网络，也会出现节点的随机故障或因为电源耗尽导致节点失效，从而导致覆盖性能下降

增强覆盖的主要方法：

再次追加部署

依靠节点运动（假设节点可以运动，如小车、UAV等）物联网导论60左侧：移动前；右侧：移动后注意：节点移动也需要耗能！生命周期延长技术大部分场景下，无线传感器网络节点依靠电池供电。受限于体积等因素，节点内部的电池仅能提供有限时间工作所需的电量。随着大量的传感器节点失效，整个无线传感器网络将无法工作。无线传感器网络的生命周期是指从部署到监测区域开始，到感知功能无法达成的时间长度。在能量受限的约束条件下，无线传感器网络的生命周期延长策略得到了学术界和工业界的广泛关注。物联网导论61生命周期延长技术低功耗在硬件设计上采用低功耗芯片TelosB节点使用的微处理器，在正常工作状态下功率为3mW，而一般的计算机的功率为200到300W软件节能策略来实现节能软件节能策略的核心就是尽量使节点在不需要工作的时候进入低功耗模式，仅在需要工作的时候进入正常状态物联网导论62通信功耗的降低无线传感网的思考：相同的硬件配置，A：1次传送200米B：分2次中继传输，每次传100米哪一种情况的总能量消耗最小？63物联网导论通信与计算功耗的互易传输1比特信息至100米远的距离需要消耗的能量，大约相当于执行3000条计算指令所消耗的能量。（典型情况）应对策略（？）64物联网导论供能装置采用电池供电，使得节点容易部署。但由于电压、环境等变化，电池容量并不能被完全利用。可再生能量，如太阳能。可再生能源存储能量有两种方式：充电电池，自放电较少，电能利用会比较高，但充电的效率较低，且充电次数有限；超电容，充电效率高，充电次数可达100万次，且不易受温度，振动等因素的影响。物联网导论65常见供能方式能量密度：J/cm3油：35000-45000一次性电池：1200-3800可充电电池：650-1100能量密度的增加

很缓慢，难度很大！物联网导论66按标准锂电池电压3.7V计算：10000mAH=10AH37WH37*3600Ws~133KJ100cm3常见供能方式功率密度：mW/cm2太阳能：0.006（正常办公）

0.15（室外阴天）

15（阳光直射）风能：0.1-0.3(3m/s，2~3级风)震动：0.01-0.1声音：3-6（75dB：繁忙公路）被动人体辐射物联网导论67案例解析3.5物联网导论68应用案例讨论浦东机场围界物联网导论69机场围界物联网导论702016年5月26号晚，徐某翻越上海浦东机场的围墙，在停机坪上找到阿联酋航空公司自上海飞往迪拜的EK303次航班，趁工作人员不注意，潜入客机的货舱。机场围界物联网导论71上海浦东机场飞行区围界全长27.1公里，主要为钢筋围栏和砖墙。如何部署传感器？如何设计该系统？系统中的难点是什么？大概的成本怎么样？机场围界物联网导论72全围界部署多达7000多个倾角探测器、振动探测器，实时采集前端特征信号，发送至指控中心，通过执行多节点协同融合识别、气象自适应等智能算法，判断围界前端是否发生入侵报警，并对入侵目标做出识别。系统自动关联围界旁边的声光设备，通过开启照明灯、播放警告录音喝阻入侵者。大鸭岛（GreatDuck）环境监测