无线传感器网络技术概述

无线传感器网络 WIRELESS SENSOR NETWORKS,教材,成绩评定,平时成绩：50% 平时成绩：20% 随堂测试：30% 最后考试：50%,目录,传感器的概念 传感器网络概述 传感器网络应用 传感器网络协议 传感器网络研究进展 传感器网络影响力,内容： 一、概述 二、电阻式传感器 三、光电式传感器 四、光栅尺 五、编码器,目的： 了解电阻式、光电式传感器和编码器的工作原理，掌握传感器的特性，并能在实际中正确应用。,传感器概念,传感器是实现检测与自动控制的首要环节。传感器技术又是衡量一个国家的科学技术和工业水平的重要标志。在信息时代，如何真实而迅速地认识和处理各类信息显的十分重要，捕捉和认识信息的器件，就是传感器。,一、概述,国际电工委员会（IEC）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”。,一、概述,1、什么是传感器？,狭义地说： 感受被测量，并按一定规律将其转化为同种或别种性质的输出信号的装置。,广义地说： 传感器是指能感知某一物理量、化学量或生物量等信息，并能将之转化为可以利用的信息的装置。,2、传感器分类,按应用分类 压力传感器 温度传感器 流量传感器 速度传感器 位移传感器等,按原理分类 电阻式传感器 电容式传感器 电感式传感器 光电式传感器 霍尔式式传感器 热电式传感器等,按输出信号分类 开关量传感器 模拟量传感器 数字量传感器等,一、概述,3、传感器一般组成,敏感元件是指传感器中能直接感受(或响应)与捡出被测对象的待测信息(非电量)的部分。,转换元件是指传感器中能将敏感元件所感受(或响应)出的信息直接转换成电信号的部分。,一、概述,4、传感器发展超势,（1）新材料的开发、应用 （2）新工艺、新技术的应用 （3）利用新的效应开发新型传感器 （4）传感器的多功能化 （5）传感器的集成化 （6）传感器的智能化,一、概述,5、传感器的特性,（1）传感器的静态特性 （2）传感器的动态特性,当输入信号不随时间变化时输出信号与输入信号的关系称为传感器的静态特性,当输入信号随时间变化时，输出信号与输入信号的关系称为传感器的动态特性,一、概述,5、传感器的特性,（1）传感器的静态特性,常用的传感器静态性指标包括： 灵敏度 精确度 测量范围与量程 线性度误差 滞后量 重复性,一、概述,5、传感器的特性,（2）传感器的动态特性,零阶传感器,y = K x,一、概述,5、传感器的特性,（2）传感器的动态特性,一阶传感器,如用以测量温度的不带保护套的热电偶，就属于一阶传感器，数学模型的一般形式是：,一、概述,5、传感器的特性,（2）传感器的动态特性,二阶传感器,一、概述,电阻式传感器包括以下3种： 电位器传感器、电阻应变式传感器、压阻式传感器,二、电阻式传感器,角位移传感器,线位移传感器,1、电位器传感器 基于在匀质导体中，电阻R与其长度L成正比的关系制造的一种位移量的电阻式传感器,（2）电位器传感器的类型 角位移电阻式传感器 线位移的电阻式传感器。,高精度位移传感器,二、电阻式传感器,（1）电位器传感器的原理,输出电压UL与位移X呈非线性关系。只有RL无限大时输出电压UL与位移X间才是线性关系。,（a）角位移电阻式 （b）线位移电阻式传感,二、电阻式传感器,2、电阻应变式传感器,(1)、结构 结构： 覆盖层 基底 引出线 粘合剂 电阻丝（敏感栅） 核心元件：电阻丝,什么是应变式传感器？ 基于电阻应变效应制造的用于 测量微小变化的传感器。,二、电阻式传感器,(2)应变效应,金属导体或半导体在受到外力作用时，会产生相应的应变，其电阻也将随之发生变化，这种物理现象称为“应变效应”，用来产生应变效应的细导体称为“应变丝（敏感栅）”,式中: R电阻; 电阻率； L导体长度； A横面积,二、电阻式传感器,设有圆形截面导线,长度为 L ,截面积为 A ,材料的电阻率为，这段导线的电阻值 R 为：,当导体受力时，其长度L，截面积 A ，电阻率 相应发生变化为dL、d(r2)、d,因而引起电阻变化dR,(2)应变效应,二、电阻式传感器,对上式全微分，则：,式中：,电阻丝轴向应变,电阻丝径向应变,轴向应变与径向应变的关系是：y= -x,(2)应变效应,二、电阻式传感器,电阻变效率为几何项和压阻效应项综合的结果,(2)应变效应,二、电阻式传感器,(3)应变片类型,(3)应变片类型,应变片的筛选 外观检查、测量应变片的初始电阻值,构件表面处理,贴片,固化,导线焊接与固定,粘贴质量检查,应变片的防潮保护,(4)应变片粘贴和防护,(3)应变片粘贴和防护,实验室测量应力时粘贴方法,(3)应变片粘贴和防护,电子称用的弹性梁,应变片直接感受应变或应力。 测量时，将应变片粘贴在弹性元件（试件）上，当外力作用到弹性元件（试件）上时，弹性元件被压缩（或拉伸），即产生微小的机械变形，粘贴在弹性元件上的应变片感受到应力的作用，根据虎克定律，应变与应力成正比，=E 又由应变效应可知，应变片的应变与电阻值的相对变化dR/R成正比，所以，实现了对微小机械变量的测量。,(5)应变式传感器测量原理,单臂工作 U E K/ 4,(6)应变式传感器测量电路,半桥工作 U E K/ 2,全桥工作 U E k ,A、应变片的电阻丝具有一定温度系数 B、电阻丝材料与测试材料的线膨胀系数不同。,温度误差 应变片的阻值受环境温度(包括被测试件的温度)影响很大。主要因素有两点：,设环境引起的构件温度变化为t时，粘贴在试件表面的应变片敏感栅材料的电阻温度系数为t,则应变片产生的电阻相对变化为:,(7)应变片的温度误差与补偿,补偿措施一 单丝自补偿应变片选择与膨胀使应变片产生电阻变化相反的敏感栅材料。,温度补偿 常见的温度补偿措施有主要有以下三方面：,由温度变化形成的总电阻相对变化表达式得知：,只有,(7)应变片的温度误差与补偿,温度补偿,补偿措施二 双丝组合式自补偿应变片由两种不同电阻温度系数 (一种为正值，一种为负值)的 材料串联组成敏感栅,(7)应变片的温度误差与补偿,补偿措施三 电路补偿法利用电桥相邻相等二臂同时产生大小相等、符号相同的电阻量不会破坏电桥平衡的特性来达到补偿的目的。,温度补偿,(7)应变片的温度误差与补偿,要达到完全补偿，需满足下列三个条件,Rl和R2须属于同一批号，即它们的电阻温度系数、线膨胀系数、应变灵敏系数都应相同，两片的初始电阻值也要求相同；,用于粘贴补偿片的构件和粘贴工作片的试件两者材料必须相同，即要求两者线膨胀系数相等；,两应变片处于同一温度环境中。,(7)应变片的温度误差与补偿,应变式传感器广泛应用于称重和测力领域。,一是作为敏感元件，直接用于被测试件的应变测量； 二是作为转换元件，通过弹性元件构成传感器，用以对任何能转变成弹性元件应变的其他物理量作间接测量。,(8)应变式传感器应用,(一)柱式力传感器原理,外形图,(8)应变片式传感器应用,(一)柱式力传感器原理,外形图,展开图,(8)应变片式传感器应用,(8)应变片式传感器应用,(一)柱式力传感器应用,1、称重式料位计,(8)应变片式传感器应用,(一)柱式力传感器应用,2、电子皮带秤,电子皮带称的称重框架示意图,(8)应变片式传感器应用,(一)柱式力传感器应用,2、电子吊车秤,(8)应变片式传感器应用,(二)梁式力传感器原理,梁的固定端宽度为b0，自由端宽度为b，梁长为L，梁厚为h。这种弹性元件的特点是，其截面沿粱长方向按一定规律变化，当囊中力F作用在自由端时，距作用力任何距离z的截面上应力a相等。因此，沿着这种梁的长度方向上的截面抗弯模量的变化与弯矩M的变化成正比即：,(8)应变片式传感器应用,(二)梁式力传感器应用,1、电子称,手提式电子秤，成本低，称重精度高，携带方便，适于购物时用。,它采用准s型的双孔弹性体作为称重传感器的测力元件，重力P作用在中心线上。四片箔式电阻应变片粘贴在弹性体双孔的外侧位置处。双孔弹性体可简化为在一端受到力偶M的作用，其大小与重力P及双孔弹性体长度有关。,(8)应变片式传感器应用,如:西门称重传感器 （种类有）,1. BB系列波纹管式称重传感器,2. CC系列柱式称重传感器,3. K系列柱式称重传感器,(9)应变式称重传感器产品实例,西门子称重传感器,Siwarex R-BB系列主要技术指标： 1.最大荷载 Emax：10 kg 2.精度等级 ：C3 3.最大刻度间隔：3000 4.最小刻度间隔：Emax/15000 5.电源电压： 5 . 15 V 6.破坏负荷： 300% Emax 7. 最大工作负荷：150%Emax 8.额定温度范围： -10 . +40 C 9.操作温度： -40 . +80 C 10.防护等级： IP66 / IP68,当Emax分成3000等分时，该值通过OIML R-60认证（国际法定度量衡组织），符合C3标准,当Emax分成15000等分时，能正确分辨其值，但并没有得到OIML认证。,3.333g/每间隔,0.666g/每间隔,该波纹管为不锈钢波纹管主要应用于补偿弹性体热变形、减震、吸收沉降变形等作用，,波纹管,力支撑点,固定孔,电缆线,西门子称重传感器（外形结构）,西门子称重传感器（内部结构）,弯曲横梁 （弹性体）,电阻应变片,应变片,拉伸,压缩,西门子称重传感器（内部结构）,称重传感器测量电路,西门子称重传感器(附件),自定位螺栓,导向套件,密封圈,支撑件,固定支架,西门子称重传感器(附件),固定支架,过载保护,顶板,传感器固定螺丝钉,底板,限制振动，防举起装置,西门子称重传感器(附件),(固定支架安装),自动定心，自定位螺栓能使顶板以及负载体沿水平方向发生位移（由于温度变动），自定位螺栓的结构能产生一个随位移量和外加负载而变的复原力,保持水平,固定支架安装,保持水平,固定支架安装,1、什么是光电式传感器？ 以光电器件作为转换元件的传感器称光电式传感器。,三、光电式传感器,2、用途 主要用于检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等；也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度，以及物体的形状、工作状态的识别等。,三、光电式传感器,3、特点 光电式传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点。,因此在工业自动化装置和机器人中获得广泛应用。近年来，新的光电器件不断涌现，特别是CCD图像传感器的诞生，为光电式传感器的进一步应用开创了新的一页。,三、光电式传感器,4、光电器件是将光能转换为电能的一种传感器件，它是构成光电式传感器最主要的部件。,光电器件工作的物理基础是光电效应。,什么是光电效应?,在光照射在某些物质上时,物质的电子吸收光子的能量而发生电效应现象，如导电率变化、释放电子和产生电动势等。释放的电子叫光电子，能产生光效应的物质叫电材料。,三、光电式传感器,光电效应分为以下三种：,(1)内光电效应-在光线作用下，物体的电导性能改变的现象称为内光电效应。如光敏电阻,(2)外光电效应-在光线作用下，能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应。如光电管、光电倍增管,(3)光生伏特效应-在光线作用下，能使物体产生一定方向的电动势的现象称为光生伏特效应，即阻挡层光电效应。如光电池、光敏晶体管。,三、光电式传感器,（一）光敏电阻传感器,1、光敏电阻的结构与工作原理,结构：它是涂于玻璃底板上的一薄层半导体物质，半导体的两端装有金属电极，金属电极与引出线端相连接，光敏电阻就通过引出线端接人电路。为了防止周围介质的影响，在半导体光敏层上覆盖了一层漆膜，漆膜的成分应使它在光敏层最敏感的波长范围内透射率最大。,三、光电式传感器,（一）光敏电阻传感器,1、光敏电阻的结构与工作原理,原理：光敏电阻又称光导管,几乎都是利用半导体材料制成的光敏器件.光敏电阻没有极性,纯粹是一个电阻器件,使用时既可加直流电压,也可以加交流电压。无光照时，光敏电阻值很大,电路中电流很小。当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它的电阻值急剧减少,电路中的电流很大。,三、光电式传感器,(一)光敏电阻传感器,2、光敏电阻的主要参数(3点),（1）暗电阻 光敏电阻在不受光时的阻值称为暗电阻，此时流过的电流称为暗电流，I暗。,（2）亮电阻 光敏电阻在受光照射时的电阻称为亮电阻，此时流过的电流称为亮电流，I亮。,（3）光电流 亮电流与暗电流之差称为光电流，I光= I亮- I暗,三、光电式传感器,（一）光敏电阻传感器,3、光敏电阻的基本特性（3点）,（1）伏安特性 在一定照度下，流过光敏电阻的电流与光敏电阻两端的电压的关系称为光敏电阻的伏安特性。,三、光电式传感器,（一）光敏电阻传感器,3、光敏电阻的基本特性,（2）光谱特性 光敏电阻的相对光敏灵敏度与人射波长的关系称为光谱特性，亦称为光谱响应。,0.65um,1.05um,2.3um,三、光电式传感器,（一）光敏电阻传感器,3、光敏电阻的基本特性,（3）温度特性 温度变化影响光敏电阻的光谱响应，同时，光敏电阻的灵敏度和暗电阻都要改变，尤其是响应于红外区的硫化铅光敏电阻受温度影响更大。,2.85um,2.0um,三、光电式传感器,（二）光敏二极管和光敏晶体管,1、光敏二极管的结构,光敏二极管的结构与一般二极管相似。它装在透明玻璃外壳中，其PN结装在管的顶部，可以直接受到光照射 。,三、光电式传感器,（二）光敏二极管和光敏三极管,2、光敏二极管的原理,当光照射在PN结上，光子打在PN结附近，使PN结附近产生光生电子和光生空穴对，它们在PN结处的内电场作用下作定向运动，形成光电流。光的照度越大，光电流越大。因此光敏二极管在不受光照射时，处于截止状态，受光照射时，处于导通状态。,三、光电式传感器,（二）光敏二极管和光敏三极管,3、光敏三极管的结构,三、光电式传感器,（二）光敏二极管和光敏三极管,4、光敏三极管的原理,光照射在发射极e与基极b之间的PN结附近便产生光电流(几微安，相当于三极管的基极电流)，于是在集电极c与基极b之间的PN结能产生几毫安电流(相当于三极管的集电极电流)。光电三极管的通频带较窄，不如光电二极管性能稳定，但灵敏度高。,三、光电式传感器,（二）光敏二极管和光敏三极管,5、 基本特性,（1）光谱特性,从曲线可以看出，硅的峰值波长约为0.9um，锗的峰值波长约为1.5um，此时灵敏度最大，而当入要射光的波长增加或缩短时，相对灵敏度也下降。一般来讲，锗管的暗电流较大，因此性能较差，故在可见光或探测赤热状态物体时，一般都用硅管。但对红外光进行探测时，则锗管较为适宜。,0.9um,1.5um,三、光电式传感器,（二）光敏二极管和光敏晶体管,5、基本特性,（2）伏安特性,从曲线可以看出，光敏晶体管的光电流比相同管型的二极管大上百倍。,三、光电式传感器,（二）光敏二极管和光敏晶体管,5、基本特性,（3）温度特性,暗电流及光电流与温度的关系。称光敏晶体管的温度特性,影响较大,影响较小,三、光电式传感器,（二）光敏二极管和光敏晶体管,5、 基本特性,几种硅光电二极管的特性参数,三、光电式传感器,光电池是一种直接将光能转换为电能的光电器件。光电池在有光线作用下实质就是电源，电路中有了这种器件就不需要外加电源。属有源器件。,（三）光电池,三、光电式传感器,（三）光电池 1、结构及符号,外型图,三、光电式传感器,（三）光电池 2、光电池的工作原理,光电池实质上是一个大面积的PN结，当光照射到PN结的一个面，如P型面时，若光子能量大于半导体材料的禁带宽度，那么P型区每吸收一个光子就产生一对自由电子和空穴，电子-空穴对从表面向内迅速扩散，在结电场的作用下，最后建立一个与光照强度有关的电动势。-称光生伏特效应,三、光电式传感器,（三）光电池 3、光电池的基本特性,（1）光谱特性,光电池对不同波长的光的灵敏度是不同的,硒光电池在0.5um附近,桂光电池在0.81um附近,三、光电式传感器,（三）光电池 3、光电池的基本特性,（2）光照特性,光电池在不同光照度下，光电流和光生电动势是不同的，它们之间的关系就是光照特性。,流,三、光电式传感器,（三）光电池 3、光电池的基本特性,（3）温度特性,光电池的温度特性是描述光电池的开路电压和短路电流随温度变化的情况。,使用时，必须进行温度补偿,三、光电式传感器,（三）光电池 4、国产硅光电池的特性参数,三、光电式传感器,2019/9/25,84,齿盘每转过一个齿，光电断续器就输出一个脉冲。通过脉冲频率的测量或脉冲计数，即可获得齿盘转速和角位移。,（四）光电传感器的应用（1）,n,三、光电式传感器,2019/9/25,85,（四）光电传感器的应用（2）,三、光电式传感器,2019/9/25,86,使用光电池制作非接触测温的高温比色温度仪,1高温物体 2物镜 3半反半透镜 4反射镜 5目镜 6观察者眼睛 7光阑 8光导棒 9镜 10、12滤光镜 11、13硅光电池 14、15电流/电压转换器,（四）光电传感器的应用（3）,三、光电式传感器,87,（四）光电传感器的应用（4） 光电检测装置,三、光电式传感器,红外测温仪,（四）光电传感器的应用（7）,三、光电式传感器,（四）光电传感器的应用（8） 光电报警装置,三、光电式传感器,（四）光电传感器的应用（9） 光电烟雾检测装置,三、光电式传感器,（四）光电传感器的应用（10）,四、光栅传感器及其应用,光栅传感器主要用于长度和角度的精密测量以及数控系统的位置检测等。具有测量精度高、抗干扰能力强、适用于动态测量和自动测量以及数字显示等特点，在座标测量仪和数控机床的伺服系统中有着广泛的应用。,1、光栅的基本结构,（1）光栅 光栅是在透明的玻璃上刻有大量相互平行、等宽而又等间距的刻线。这些刻线是透明的和不透明的，或是对光反射的和不反射的。,黑白型长光栅,四、光栅传感器及其应用,1、光栅的基本结构,栅线的宽度为a（一般为812mm），线间宽度为b，一般取a=b，而W=a+b， W称为光栅栅距(也称为光栅常数或光栅节距，是光栅的重要参数，用每毫米长度内的栅线数表示栅线密度，如100线mm、250线mm)。,(2)光栅结构,四、光栅传感器及其应用,1、光栅的基本结构,A、按其原理和用途可分为物理光栅和计量光栅。,(3)类型,B、按其透射形式，光栅可分为透射式光栅和反射式光栅。,C、按其栅线形式，光栅可分为黑白光栅(幅值光栅)和闪耀光栅(相位光栅)。,D、按其应用类型，光栅可分为长光栅和圆光栅。,四、光栅传感器及其应用,2、光栅传感器的工作原理,莫尔条纹原理,a,b,W,四、光栅传感器及其应用,2、光栅传感器的工作原理,计量光栅是利用莫尔现象实现几何量的测量的。莫尔条纹的成因是由主光栅和指示光栅的遮光和透光效应形成的(两只光栅参数相同)。,莫尔条纹原理,主光栅,指示光栅,a,b,W,d,d,d,d,f,f,f,f,（a）,四、光栅传感器及其应用,2、光栅传感器的工作原理,莫尔特性,(1)平均效应。莫尔条纹是由光栅的大量栅线共同形成的，对光栅栅线的刻划误差有平均作用，从而能在很大程度上消除刻线周期误差对测量精度的影响。,莫尔条纹原理,主光栅,指示光栅,a,b,W,d,d,d,d,f,f,f,f,四、光栅传感器及其应用,2、光栅传感器的工作原理,莫尔特性,(2)放大作用。 由于角很小，从式31可明显看出莫尔条纹有放大作用，放大倍数为,例如：W=0.02mm，=0.1，则B=11.4592mm，其K值约为573，用其它方法很难得到这样大的放大倍数。,主光栅,指示光栅,a,b,W,d,d,d,d,f,f,f,f,（a）,(b),四、光栅传感器及其应用,2、光栅传感器的工作原理,莫尔特性,(3)对应关系。两光栅沿与栅线垂直的方向相对移动时，莫尔条纹沿栅线方向(确切地说，沿栅线夹角的平分线方向)移动。两光栅相对移动一栅距W，莫尔条纹移动一个条纹间距B。,主光栅,指示光栅,a,b,W,d,d,d,d,f,f,f,f,（a）,四、光栅传感器及其应用,3、光栅传感器的结构,光栅传感器是利用莫尔条纹将光栅栅距的变化转换成莫尔条纹的变化，只要利用光电元件检测出莫尔条纹的变化次数，就可以计算出光栅尺移动的距离。光栅传感器作为一个独立完整的测量系统，它包括光栅传感器(光栅尺)和数显表两部分。,四、光栅传感器及其应用,3、光栅传感器的结构,四、光栅传感器及其应用,3、光栅传感器的结构,光栅传感器由光源、光栅尺、光电元件及光学系统组成,图34 透射光栅光路、光电转换电路示意图,（a）,b,c,四、光栅传感器及其应用,4、光栅传感器的应用(1),四、光栅传感器及其应用,4、光栅传感器的应用(2),机床用光栅传感器,四、光栅传感器及其应用,4、光栅传感器的应用(3),四、光栅传感器及其应用,五、编码器,角度一数字编码器结构最为简单，广泛用于简易数控机械系统中。,按工作原理分为两种：,1、脉冲盘式,2、码盘式,1、编码器分类,或增量式,或绝对式,五、编码器,图5-5 旋转编码器,脉冲式编码器外形,五、编码器,2、编码器结构,1、脉冲盘式角度一数字编码器,五、编码器,3、编码器工作原理,4、脉冲盘式编码器四倍频细分辨及方向判别的原理,t1,t2,t3,t4,信号1(A相),信号2(B相),图2 编码器原理图,五、编码器,t1,t2,t3,t4,信号1(A相),信号2(B相),图2 编码器原理图,1,1,1,1,0,0,0,0,五、编码器,4、脉冲盘式编码器四倍频细分辨及方向判别的原理,t1,t2,t3,t4,信号1(A相),信号2(B相),五、编码器,4、脉冲盘式编码器四倍频细分辨及方向判别的原理,2、码盘式编码器,码盘式角度一数字编码器是按角度直接进行编码的传感器，通常把它装在检测轴上。,按其结构分为 ： 1、接触式 2、光电式 3、电磁式,五、编码器,2、码盘式编码器 (1)结构,分辨率：=360/2n=360/24=22.5度,接触式四位二进制码盘,码道,导电区接高电平”1”,优点：简单、输出信号功率大。 缺点：有磨损、寿命短(使用寿命大约是106107转)、转速不能太高。,五、编码器,2、码盘式编码器 (2)原理,0000,1110,0101,电刷,五、编码器,2、码盘式编码器 (3)误差,10112=1110,(11112=1510),10002=810,误差较大,五、编码器,五、编码器,(4)绝对式编码器非单值性误差的消除,循环码盘 (或称格雷码盘)右图所示为四位二进制循环码。这种编码的特点是任意相邻的两个代码间只有一位代码有变化，即“0”变为“1”或“1”变为“0”。因此，在两数变换过程中，所产生的读数误差最多不超过“1”，只可能读成相邻两个数中的一个数,六、小结,5、角度数字编码器结构最为简单，精度高，广泛用于数控机械系统中。如数控机床、机器人等。,4、以光电器件作为转换元件的传感器称光电式传感器。主要用于检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等；,3、电阻应变式传感器是基于电阻应变效应制造的用于测量微小变化的传感器。广泛应用于称重和测力领域。,2、什么是传感器-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。,1、传感器是实现检测与自动控制的首要环节。而传感器技术又是衡量一个国家的科学技术和工业水平的重要标志。,什么是计算机网络,计算机网络，是指将地理位置不同的具有独立功能的多台计算机及其外部设备，通过通信线路连接起来，在网络操作系统，网络管理软件及网络通信协议的管理和协调下，实现资源共享和信息传递的计算机系统。,所谓无线网络，就是利用无线电波作为信息传输的媒介构成的无线局域网（WLAN），与有线网络的用途十分类似，最大的不同在于传输媒介的不同，利用无线电技术取代网线，可以和有线网络互为备份。,什么是传感器网络,WSN-Wireless Sensor Networks 基础 微电子技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术 解释1 由部署在观测环境附近的大量的微型廉价低功耗的传感器节点组成，通过无线通信方式形成一个多跳的无线网络系统。,什么是传感器网络,解释2： 传感器网络是由一组传感器以特定方式构成的无线网络，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖的地理区域中感知对象的信息，并发布給观察者。 传感器网络的三个基本要素： 传感器，感知对象，观察者 传感器网络的基本功能 协作地感知、采集、处理和发布感知信息,传感器接近感知对象 传感器仅产生数据流 传感器无计算能力 无传感器间通信能力,传统的感知方法,有线/无线连接,现代感知方法,Sensing Area,传感器网络覆盖感知对象区域 每个传感器完成其临近感知对象的观测 多传感器协同完成感知区域的大观测任务 使用多跳路由算法向用户报告观测结果,Sink,Internet 或 通信卫星,Sensor network,传感器网络的网络结构,sink -汇聚点 sensor node -传感器节点 sensor field -监测区域,传感器网络的实体,传感器节点 功能：采集、处理、控制和通信等 网络功能：兼顾节点和路由器 资源受限：存储、计算、通信、能量 Sink节点 功能：连接传感器网络与Internet等外部网络，实现两种协议栈之间的通信协议转换，发布管理节点的监测任务，转发收集到的数据。 特点：连续供电、功能强、数量少等,现代微型传感器 感知能力计算能力通信能力 体积小 能耗小 由六部分组成,传感器节点,传感器模块：信息采集、数据转换 处理器模块：控制、数据处理、网络协议 无线通讯模块：无线通信，交换控制信息和收发采集数据 能量供应模块：提供能量,传感器网络的特点,大规模网络：地理区域大；部署密集 提高信噪比；提高监测精度；增强容错性；减少盲区 自组织网络：不确定性；拓扑结构变化 资源受限：计算、存储、通讯、能量 动态拓扑：节点故障；通讯故障；移动性；节点加入 可靠网络：适应环境条件；鲁棒性、容错性 应用相关：没有统一的通信协议平台 以数据为中心,传感器节点的限制,电源能量有限 通信能力有限 计算和存储能力有限,传感器网络概述与AD HOC的不同,WSN 结点数量更为庞大 多数节点为静止 节点分布更为密集 能量约束 结点更容易出错 拓扑结构变化频繁,Ad hoc 几十至上百个节点 局域网 节点全移动 结构变化（移动） 能量可连续提供 点到点通信,军事应用,军事应用,联合国维和部队,伊 拉 克战争,微型感应传感器网络,核武器和生化武器,军事应用,美军未来战斗系统的战场警戒示意图,传感器节点,通行车辆,枪声定位反恐系统,F-22猛禽战斗机,美国F-22猛禽战斗机,机外传感器网络,美军“沙地直线”项目,无线链路,目标探测、分类和跟踪,传感器节点,传感器节点,商业,电力高压线,高尔夫球场,葡 萄 园,道 路 交 通,智能停车场,物流系统,列车铁轨,高速公路系统,韩国济州岛智能渔场,北京大兴区菊花基地,克尔斯博公司,浙江温州的奶牛牧场,沈阳玫瑰园,讨 论 题,请大家思考和组织课堂讨论： 传感器网络还可以有哪些用途？,？,通信能力有限 节点带宽窄，而且经常变化 节点通信覆盖范围只有几十到几百米， 而且经常变化,挑战之一 如何在如此有限通信能力的条件下, 高质量地完成感知数据的查询、分析、挖掘与传输？ 在传感器网络环境下，发现最小化算法通信复杂性的机理是我们面临的第一个挑战问题！,多源、多跳是主要通信方式 多个传感器节点向一个目标传送信息 一次多源信息传输需要多条由多个传感器节点组成的路径,挑战之二 如何为多源信息传输选择优化通信路径？ 在传感器网络环境下，建立选择优化或近似优化通信路径的理论是我们面临的第二个挑战问题！,节点移动、断接频繁 在移动网络中，节点移动频繁 节点间通信的断接频繁，导致通信失败. 经常受到高山、建筑物、障碍物等地势地貌以及风雨雷电等自然环境的影响, 因此传感器可能会长时间脱离网络, 离线工作,挑战之三 通信路径重构成为突出问题？路由算法必须具有自适应性？ 如何建立网络随机连通性的数据理论，为通信路径重构和自适应路由算法设计奠定坚实理论基础是我们面临的第三个挑战问题？,电源能量有限 传感器的电源能量极其有限 由于电源能量的原因经常失效或废弃 电源能量约束是传感器网络应用的障碍 现有电源部件不能满足传感器网络的需要 传感器传输信息比执行计算更消耗电能 传感器传输1位信息需要的电能足以执行3000条计算指令,挑战之四 如何传感器网络在工作过程中节省能，实现能源均衡，最大化网络生命周期？ 建立能源复杂性和能源均衡理论是我们面临的第四个挑战性问题！,计算能力有限 传感器网络中传感器通常都具有嵌入式处理器和存储器，具有计算能力 但是，处理器性能、存储器容量和能源都很有限，导致传感器的计算能力十分有限,挑战之五 如何使用大量具有有限计算能力的传感器设计能源有效的高性能分布式算法? 设计同时最小化能源、时间、空间和通信复杂性的分布式算法是我们面临的第五个挑战性问题！,传感器数量大、分布范围广 传感器网络中传感器节点密集，数量巨大，可能达到几百、几千万，甚至更多 传感器网络可以分布在很大区域，也可以分布在险恶环境下 传感器数量大、分布广的特点使得网络的维护十分困难甚至不可维护,挑战之六 如何使传感器网络软硬件具有高强壮性和容错性是我们面临的第六个挑战性问题！,大规模分布式触发器 很多传感器网络需要对感知对象进行控制（如温度控制） 传感器需要配备回控装置和控制软件 我们称回控装置和控制软件为触发器,挑战之七 如何管理成千上万分布式触发器是我们面临的第七个挑战性问题？,感知数据流无限 传感器网络每个传感器都产生无限的流式数据，并具有实时性 每个传感器仅具有有限的存储器和计算资源，难以处理巨大的实时数据流,挑战之八 如何设计高效率、能源有效、实时的海量感知数据流的查询、分析和挖掘的分布式算法？,以数据为中心 传感器网络不是通常的网络 用户感兴趣的是数据而不是网络和传感器硬件 用户很少询问“A节点到B节点的连接是如何实现的？” 用户经常询问“网络覆盖区域中那些地区出现毒气？” 传感器网络不是以地址为中心的 用户不会询问“地址为27的传感器的温度是多少？” 用户感兴趣是“某个地理位置的温度是多少？” 数据传输以聚集方式进行,而不是地址到地址的路由,传感器网络是以数据为中心的网络 把传感器视为感知数据流或感知数据源 把传感器网络视为感知数据空间或数据库 把数据管理和处理作为网络的应用目标,挑战之九 如何建立以数据为中心的传感器网络？ 以感知数据管理和处理为中心; 把数据管理和处理技术与网络技术融为一体; 为用户提供有效的感知数据空间或感知数据库; 使用户如同使用通常的数据库系统和数据处理 系统一样自如地使用感知数据. 传感器网络数据管理系统的理论和技术是我们面临的第九个挑战性问题！,需要多种多样的感知器 物理传感器 生物传感器 化学传感器 ,挑战之十 如何建立新感知器概念、理论、技术和各种新型感知器是我们面临的第十个挑战性问题？,其他挑战性问题 传感器的投放或撒播理论与技术 传感器的定位问题 时钟同步问题 组网连通可靠性研究和探测覆盖率研究 传感器网络安全性问题和抗干扰问题 信号的协作处理,传感器网络的协议栈（1）,能源管理平台： 管理传感器节点如何使用能量； 移动管理平台： 检测和注册传感器节点的移动，维护到汇聚点的路由，使得传感器节点能够跟踪它的邻居； 任务管理平台： 在一个给定的区域内平衡和调度监测任务,传感器网络的协议栈（2）,传感器网络物理层（1）,传输媒体 建议采用ISM （工业、科学和医学）频段 短距离的无线低功率通信最适合传感器网络 红外 不需要许可证，抗干扰 要求收发双方在视线之内 光 不排除用光作为通信媒体,传感器网络物理层（2）,频率选择，载频发生，信号检测，调制，数据加密 信号传播 传播信号需要的最小发送功率和传输距离d的n次方（ ）成正比，2= n 4. 为了减小传输距离，传感器网络采用多跳 （multihop）通信方式,传感器网络MAC协议的功能（1）,功能 无线信道的使用 建立传感器网络的基础结构 考虑因素 节省能量 可扩展性 链路带宽分配的公平性、带宽利用率、延时性能等 目前普遍认为这三个方面的重要性依次递减,MAC协议的能量浪费因素（2）,空闲侦听：节点不知道邻居节点何时向自己发送数据，射频收发模块必须一直处于工作状态，消耗大量能源，是无效能耗的主要来源。 冲突：同时向同一节点发送多个数据帧，信号相互干扰，接收方无法准确接收，重发造成能量浪费 串扰：接收和处理发往其他节点的数据属于无效功耗。 控制开销：控制报文不传送有效数据，消耗的能量对用户来说是无效功耗。,传感器MAC协议的节能策略（3）,尽量让传感器节点处于睡眠状态； 减少传感器节点之间的碰撞； 减少接收到自己不需要接收的数据分组； （overhearing） 减少控制消息的开销。,WSN MAC协议（4）,基于竞争 S-MAC/T-MAC/Sift 基于TDMA的 DEAN/TRAMA /DMAC/周期性消息调度 其它 SMACS/EAR CSMA/CA和CDMA结合,WSN路由协议（1）,已有网络ad hoc、蜂窝 主要目标通信服务质量 带宽利用率 传感器网络 主要目标高效使用能源 延长网络系统的生存期,WSN路由协议（2）,特点 基于局部拓扑信息 数据为中心（不知道目的节点的编号，甚至向哪个区域） 要求 能量高效（协议简单|开销小|节省能量/均衡消耗） 可扩展性（网络范围/节点密度） 鲁棒性（节点变化|拓扑变化） 快速收敛性,WSN路由协议（3）,能量感知路由 能量路由/能量多路径路由 查询路由 定向扩散路由(DD)/谣传路由 地理路由 GPRS/GEAR/ GEM/边界定位路由 可靠路由 ReInform/SPEED /多路径路由,WSN传输层（1）,当传感器网络中的系统需要接入Internet 或其它外部网络时，传输层的功能是必要的 目前关于传感器网络传输层机制和协议的建议很少 存在的问题 硬件的限制（例如有限的电能和存储量）使传感器节点不能像Internet中的服务器那样存储大量的数据 TCP的应答方式开销太大 将来有可能在传感器网络中使用类似于UDP的协议，而在Internet和卫星网络中使用TCP/UDP协议,WSN传输层（2）,一种TCP分段（TCP splitting） 的方法可能使传感器网络和其它网络（如Internet)互通,WSN应用层,应用层协议还处于探索阶段 三种可能的应用层协议 传感器管理协议 Sensor managemen