【大学课件】物联网概论 无线单片机技术与传感器技术

物联网概论：无线单片机技术与传感器技术物联网（IoT）正在改变我们的生活方式，连接着各种设备，从智能家居到工业自动化。无线单片机和传感器技术是物联网的核心，它们负责收集数据、处理信息并与其他设备进行通信。物联网概念及应用物联网概念物联网是一个将各种物理设备、传感器、软件连接到一起的网络。通过数据采集、分析和交互，实现物与物、物与人之间的互联互通。物联网应用物联网应用广泛，涵盖智能家居、智慧城市、工业制造、农业生产等领域。例如，智能家居可以实现远程控制家电，智慧城市可以优化交通管理和资源分配。物联网关键技术11.感知层传感器采集数据，例如温度、湿度、光线等。22.网络层数据传输，例如无线网络、蜂窝网络等。33.应用层数据分析、处理和应用，例如智能家居、智慧农业等。微控制器技术嵌入式系统核心微控制器是嵌入式系统的核心，负责控制和管理硬件，执行应用程序。多样化功能微控制器包含多种功能模块，例如CPU、内存、I/O接口、定时器、中断控制器等，满足不同应用需求。低功耗设计微控制器通常采用低功耗设计，适合电池供电的应用场景，延长设备运行时间。无线通信技术蓝牙技术蓝牙技术是一种短距离无线通信技术，广泛应用于智能手机、耳机等设备的连接。ZigBee技术ZigBee技术是一种低功耗、低数据速率的无线通信技术，适用于智能家居、工业自动化等领域。LoRa技术LoRa技术是一种长距离、低功耗的无线通信技术，适用于物联网数据传输。NB-IoT技术NB-IoT技术是一种窄带物联网技术，适用于低功耗、低数据速率的物联网应用。传感器技术感知周围环境传感器将物理量转换为电信号，例如温度、湿度、光线、声音。数据采集与传输传感器采集到的数据通过信号处理和传输，传输至微控制器或云端平台。物联网应用传感器是物联网的核心组件，为智能家居、智慧城市等应用提供实时数据。微控制器架构1核心处理器微控制器核心是中央处理器(CPU)，负责执行程序并控制系统操作。2存储器存储器用于存储程序代码和数据，包括闪存(Flash)、随机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM)。3输入/输出(I/O)接口I/O接口用于与外部设备进行通信，包括通用输入/输出(GPIO)引脚、串行通信接口(UART)等。4定时器/计数器定时器/计数器用于计时和产生时间信号，用于控制系统操作和处理事件。5模拟到数字转换器(ADC)ADC用于将模拟信号转换为数字信号，以便微控制器可以处理来自传感器的模拟数据。6数字到模拟转换器(DAC)DAC用于将数字信号转换为模拟信号，用于控制电机、LED等模拟设备。GPIO接口定义GPIO接口是指通用输入输出端口。它可以配置为输入或输出模式。功能GPIO可以用于控制外部设备，如LED灯、电机等。它也可以用于接收来自外部设备的信号，例如开关、传感器等。配置GPIO接口的配置取决于所用微控制器的型号。可以通过软件设置来配置GPIO接口的模式、方向和电平。应用GPIO接口是物联网应用中常用的技术。它可以用于控制各种传感器和执行器，实现数据采集和控制功能。定时器/计数器定时器功能定时器用于产生特定时间间隔的定时信号，用于控制系统运行流程和时间触发事件。计数器功能计数器用于记录外部事件发生的次数，可以用于测量时间、频率或其他物理量。定时器/计数器类型常见类型包括定时器、计数器、脉冲宽度调制器(PWM)和捕获/比较模块。应用场景定时器和计数器广泛应用于各种应用中，包括控制电机、测量时间、产生PWM信号等。中断管理1中断概念中断是指在执行程序时，由于外部或内部事件引起的程序流程转向，进入中断处理程序。2中断优先级多个中断事件发生时，需要通过中断优先级来决定优先处理哪一个。3中断处理程序中断处理程序是一段专门用来处理特定中断事件的代码，由中断控制器调用执行。4中断向量表中断向量表存放着不同中断源对应的中断处理程序地址，用于快速查找和执行中断处理程序。ADC/DAC转换模拟信号模拟信号是连续变化的信号，例如温度、湿度、光照强度等。数字信号数字信号是离散变化的信号，通常用0和1表示，例如计算机数据。转换器ADC/DAC转换器用于将模拟信号转换为数字信号，或将数字信号转换为模拟信号。无线通信协议蓝牙技术蓝牙是一种短距离无线通信技术，适合用于连接智能设备，例如手机、耳机和智能家居设备。ZigBee技术ZigBee是一种低功耗、低成本的无线通信技术，适用于家庭自动化、工业控制等领域。LoRa技术LoRa是一种长距离、低功耗的无线通信技术，适合用于物联网应用，例如智能农业和智慧城市。NB-IoT技术NB-IoT是一种窄带物联网技术，专门为低功耗、低带宽的物联网应用设计，例如智能水表和智能停车。蓝牙技术11.低功耗蓝牙技术功耗低，适合小型设备使用。22.短距离蓝牙技术传输距离较短，通常在10米范围内。33.成本低蓝牙模块成本低廉，易于集成。44.应用广泛蓝牙技术应用于多种领域，如智能家居、可穿戴设备等。ZigBee技术低功耗ZigBee技术以低功耗和低成本为特点。自组网ZigBee网络可以自组网，无需集中控制节点。数据传输ZigBee可用于数据传输，例如传感器数据。LoRa技术远距离低功耗LoRa技术采用独特的扩频调制技术，可实现远距离无线传输。功耗极低，适用于电池供电的物联网设备。网络架构灵活支持多种网络拓扑结构，包括星型、网状和混合网络。可根据应用场景灵活配置。数据传输可靠采用先进的错误检测和纠正机制，确保数据传输的完整性和可靠性。支持多种数据速率和协议，满足不同应用需求。NB-IoT技术低功耗广域网络NB-IoT是窄带物联网的简称，是面向低功耗、低速率、大连接数物联网应用的蜂窝网络技术。它利用现有的蜂窝网络基础设施，为物联网设备提供可靠、安全的无线连接。应用场景NB-IoT技术广泛应用于智能抄表、环境监测、智慧农业、智慧城市等领域。它可以支持多种物联网应用，并提供更长的电池寿命和更低的运营成本。常见传感器类型温度传感器温度传感器测量温度变化。常见类型包括热电偶、热敏电阻和红外传感器。湿度传感器湿度传感器测量空气中的水分含量。常见类型包括电容式传感器和电阻式传感器。压力传感器压力传感器测量施加在物体上的压力。常见类型包括电阻式压力传感器和压电式压力传感器。光传感器光传感器测量光线的强度。常见类型包括光敏电阻、光电二极管和光电倍增管。温度传感器原理温度传感器通过测量物理量变化，如电阻或电压，将温度转换为可读信号。类型常见类型包括热敏电阻、热电偶和铂电阻，每种类型都有不同的工作原理和应用场景。应用温度传感器广泛应用于工业自动化、环境监测、医疗保健、农业和智能家居等领域。优点温度传感器成本低、精度高、响应速度快，易于集成到物联网系统中。湿度传感器电容式湿度传感器利用湿度变化影响电容值。测量精度高，响应速度快，成本低。电阻式湿度传感器利用湿度变化改变电阻值。结构简单，成本低，但精度较低。光电式湿度传感器利用湿度变化影响光线吸收率。测量范围广，抗干扰能力强，但成本较高。气体传感器1检测气体浓度气体传感器用于检测特定气体的浓度，例如一氧化碳、甲烷和二氧化碳。2提供报警信号当气体浓度超过安全阈值时，传感器会发出报警信号，提醒人们采取措施。3广泛应用气体传感器广泛应用于工业生产、环境监测、医疗保健、安全监测等领域。4种类繁多气体传感器种类繁多，包括半导体气体传感器、电化学气体传感器、红外气体传感器等。光电传感器光敏电阻光敏电阻是电阻值随光照强度变化而变化的元件。光照强度越高，电阻值越低。常用于光强检测、自动控制等应用。光电二极管光电二极管是一种光电转换器，可以将光能转换为电能。它可以用于光强检测、光通信等领域。光电三极管光电三极管是一种光敏器件，可以将光信号放大，常用于光控开关、光检测等应用。智能传感器智能传感器概述智能传感器将传感器、微处理器和通信接口集成在一起。它们可以进行信号处理、数据分析和决策，并直接与其他设备或系统进行通信。智能传感器应用智能传感器广泛应用于各种领域，例如智能家居、工业自动化、医疗保健、环境监测等。它们可以提高效率、可靠性和安全性。传感器接口电路模拟信号采集电路模拟信号采集电路通常包括信号调理电路、模数转换器（ADC）等。数字信号采集电路数字信号采集电路通常包括数字信号处理电路，例如滤波器、放大器等。传感器接口电路设计传感器接口电路的设计需要考虑传感器类型、信号特征、数据传输方式等因素。模拟信号采集1传感器输出大多数传感器输出模拟信号2ADC转换将模拟信号转换为数字信号3数据处理微控制器处理数字信号模拟信号采集是物联网系统的重要环节。传感器通常输出模拟信号，需要将其转换为数字信号才能被微控制器处理。ADC转换器用于将模拟信号转换为数字信号，并将数据传输给微控制器进行处理。数字信号采集数字信号采集是将传感器输出的模拟信号转换为数字信号的过程，是物联网系统中至关重要的环节。1传感器接口电路传感器接口电路负责将传感器信号转换为可被微控制器识别的数字信号。2模数转换器（ADC）ADC将模拟信号转换为数字信号。3数据采样和量化对模拟信号进行采样，将采样值量化为数字信号。数字信号采集涉及传感器接口电路、ADC转换器以及数据采样和量化等步骤，最终将传感器数据以数字形式传递给微控制器，以便进一步处理和分析。传感器校准确定校准目标明确传感器测量范围和精度要求，确定校准目标值。选择校准方法根据传感器类型和应用场景，选择合适的校准方法，例如线性校准、非线性校准等。准备校准设备使用精度更高的标准仪器或设备作为校准参考，确保校准过程的准确性。进行校准实验将传感器置于不同条件下进行测试，记录传感器输出值和参考值。建立校准曲线根据测试数据建立传感器输出值和参考值之间的对应关系，生成校准曲线。应用校准结果将校准曲线应用于实际测量过程中，对传感器数据进行校正。传感器信号处理1过滤去除噪声和干扰2校准调整数据精度和范围3转换将模拟信号转换为数字信号4压缩减少数据大小，提升传输效率传感器信号处理是将原始传感器数据转换为有用的信息的过程，包括过滤、校准、转换和压缩等步骤。这一过程确保数据的准确性和可靠性，为后续的分析和应用奠定基础。基于物联网的应用案例智能家居智能家居系统通过传感器、控制器和网络，实现家庭设备的自动化控制和远程管理，为用户提供更加便捷、舒适、安全的生活体验。智慧城市智慧城市利用物联网技术，整合城市基础设施数据，优化交通管理、环境监测、公共安全等方面，提高城市运行效率和居民生活质量。智能家居11.自动化控制通过手机或语音控制，实现灯光、空调、窗帘等设备的自动化控制。22.安全监控智能摄像头、门窗传感器，实时监控家居安全，并及时提醒用户。33.能效管理智能设备根据用户行为习惯，自动调整设备运行状态，节省能源。44.个性化服务根据用户喜好和需求，提供个性化的服务，例如音乐播放、新闻推送等。智慧城市智慧交通实时交通状况监测，优化交通信号灯，提高交通效率，降低拥堵。智慧环保环境监测，污染预警，资源回收利用，促进绿色发展。智慧医疗远程医疗，健康管理，精准医疗，提高医疗服务质量。智慧能源智能电网，能源管理，节约能源，降低碳排放。工业物联网生产效率优化生产流程，提高资源利用率。自动化实现自动化生产线，减少人工干预。数据分析收集和分析生产数据，优化生产决策。预测性维护