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P1 第4章 传感器技术 P2 本章核心要点 传感器的基本概念 定义 分类 常用传感器的原理 性能 参数 无线传感器网组成和工作原理 无线传感器体系结构 定位系统 P3 1 基本概念 广义地可以把传感器归纳为 一种能感受外界信息 力 热 声 光 磁 气体 湿度等等 并按一定的规律将其转换成易处理的电信号的装置 4 1传感器 P4 2 传感器分类 按照工作机理可以分为物性传感器和结构型传感器两大类 1 物性传感器利用外界信息使材料本身的固有性质发生变化 通过检测性质的变化来检测外界信息 物理传感器 化学传感器 生物传感器 4 1传感器 P5 2 传感器分类 按照工作机理可以分为物性传感器和结构型传感器两大类 2 结构型传感器利用外界信息使一些元件的结构 如弹簧 发生形变 通过测量结构的变化来检测被测对象 如用金属的伸缩来感知温度等等 4 1传感器 P6 2 传感器分类 按照信息的传递方式可以分为直接型和间接型传感器 直接型传感器间接型传感器 4 1传感器 P7 2 传感器分类 按照人类的感觉功能分为视觉 听觉 嗅觉 味觉和触觉5类传感器 4 1传感器 P8 3 传感器的应用与发展 在工农业 国防 航空 航天 医疗卫生和生物工程等各个领域中人们日常生活的各个方面 如家电中温度 湿度的测控 音响系统 电视机和电风扇的遥控 煤气和液化气的泄漏报警 路灯的声控等等都离不开传感器 4 1传感器 P9 3 传感器的方向发展 高精度 且数值化 智能化 微型化 集成化 4 1传感器 P10 4 常见传感器原理 热敏元件及温度传感器 4 1传感器 P11 4 常见传感器原理 光传感器及光敏元件 4 1传感器 P12 4 常见传感器原理 光传感器及光敏元件 4 1传感器 P13 4 常见传感器原理 气敏传感器及气敏元件 4 1传感器 半导体气敏元件有N型和P型之分 N型在检测时阻值随气体浓度的增大而减小 P型阻值随气体浓度的增大而增大 利用SnO2金属氧化物半导体气敏材料 通过颗粒超微细化和掺杂工艺制备SnO2纳米颗粒 并以此为基体掺杂一定催化剂 经适当烧结工艺进行表面修饰 制成旁热式烧结型CO敏感元件 能够探测0 005 0 5 范围的CO气体 P14 4 常见传感器原理 气敏传感器及气敏元件 4 1传感器 气敏元件的参数主要有 加热电压 电流 测量回路电压 灵敏度 响应时间 恢复时间 标定气体 0 1 丁烷气体 中电压 负载电阻值等 P15 4 常见传感器原理 力敏传感器和力敏元件 4 1传感器 力 压力传感器不仅可以测量力和压力 也可测量负荷 加速度 扭矩 位移 流量等其他物理量 它们都与机械应力有关 P16 4 常见传感器原理 力敏传感器和力敏元件 4 1传感器 当半导体材料受到应力作用时 其晶格间距就会发生变化 使得其电阻率发生变化现象称为压阻效应 压阻效应被用来制成各种压力 应力 应变 速度 加速度传感器 把力学量转换成电信号 P17 4 常见传感器原理 超声波传感器 4 1传感器 超声波传感器有压电式 磁致伸缩式 电磁式等 在检测技术中最常用的是压电式 压电式换能器是利用电致伸缩现象制成的 在压电材料切片上施加交变电压 使它产生电致伸缩振动而产生超声波 P18 4 常见传感器原理 超声波传感器 4 1传感器 P19 4 常见传感器原理 磁敏传感器和磁敏元件 4 1传感器 目前磁敏元件有霍尔器件 磁阻器件 磁敏二极管和三极管等 以磁敏元件为基础的磁敏传感器在一些电 磁学量和力学量的测量中广泛应用 P20 5 光纤传感器和MEMS传感器 光纤传感器 4 1传感器 P21 5 光纤传感器和MEMS传感器 MEMS传感器 4 1传感器 P22 5 光纤传感器和MEMS传感器 微传感器和微执行器 4 1传感器 P23 5 光纤传感器和MEMS传感器 利用静电力驱动的微型镊子 4 1传感器 P24 5 光纤传感器和MEMS传感器 典型的MEMS产品 4 1传感器 1 微型齿轮 2 微型马达 3 微型涡轮 4 微型光学元件 P25 1 概述 4 2无线传感器网络 无线传感器网络 WirelessSensorNetworks WSN 无线传感器网络就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成 通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络的网络系统 其目的是协作感知 采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息 并发送给观察者 P26 2 无线传感器网络的体系结构 4 2无线传感器网络 汇聚节点 传感节点 管理节点 2 WSN的体系结构 传感器网络系统通常包括传感节点 sensornode 汇聚节点 sinknode 和管理节点 大量传感器节点随机的部署在检测区域内部或附近 能够通过自组织方式构成网络 传感节点检测的数据沿着其它节点逐跳的进行传输 其传输过程可能经过多个节点处理 经过多跳后到达汇集节点 最后通过互联网和卫星达到管理节点 用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理 发布检测任务以及收集检测数据 P28 2 无线传感器网络的体系结构 4 2无线传感器网络 异构 层次化结构的无线传感器网络 P29 3 传感器节点的结构 4 2无线传感器网络 传感器节点由四部分组成 传感器模块 处理器模块 无线通信模块和电源模块 1 传感模块负责监视区域内信息的采集和数据转换2 处理器模块负责控制整个传感器节点的操作 存储处理本身采集的数据以及其它节点发来的数据 3 无线通信模块负责与其它传感器节点进行无线通信 交换控制信息和收发采集数据 4 能量供应模块为传感器节点提供运行所需的能量 通常采用微型电池 P31 4 无线传感器网络的特征 4 2无线传感器网络 电源能量有限通信能量有限计算能力有限网络规模大 分布广自组织 动态性网络以数据为中心的网络应用相关的网络 5 传感器网络协议栈 协议栈包括五层协议和三层平台 物理层提供简单但健壮的信号调制和无线收发技术 数据链路层负责数据成帧 帧检测和媒体访问以及差错控制 网络层主要负责路由生成与路由选择 传输层负责数据流的传输控制 保证通信服务质量 应用层包括一系列基于检测任务的应用层软件 各层协议功能 三层功能 能量管理平台管理传感器节点如何使用能量 在各个协议层都需要考虑节省能量 移动管理平台检测并注册传感其节点的移动 维护到汇集节点的路由 使得传感器节点能够动态跟踪其邻居的位置 任务管理平台在一个给定的区域内平衡和调度检测任务 P35 5 无线传感网络协议栈 4 2无线传感器网络 P36 6 无线传感器网络介质访问控制 MAC 协议 4 2无线传感器网络 三种典的MAC协议 传感器协议 Sensor MAC S MAC 分布式能量意识协议 DistributedEnergy awareMAC DE MAC 协调设备协议 MediationDevice MAC MD MAC P37 7 无线传感器网络的路由协议 4 2无线传感器网络 路由要实现两个基本功能 确定最佳路径和通过网络传输信息 数据传输的途径存于路由表 由路由算法初始化并负责维护 P38 8 无线传感器网络的操作系统 4 2无线传感器网络 无线传感器网络操作系统 是管理和操作设备的系统软件支持 它不仅具有传统操作系统的功能 负责管理系统中的软硬件资源 为用户提供应用开发和运行的平台 而且其在资源管理 体系结构 功耗管理等方面具有独特的特点 P39 9 无线传感器网络的关键技术 4 2无线传感器网络 还面临下列关键技术需要解决 网络拓扑管理 满足网络覆盖和联通度的前提下 通过功率控制和骨干网节点选择 剔除节点间不必要的通信链路 生成一个高效的数据转发的网络拓扑结构网络安全 为了保证任务执行的机密性 数据产生的可靠性 数据融合的高效性以及数据传输的安全性等 wsn需要实现一些最基本的安全机制 机密性 点到点消息认证 完整性鉴别 新鲜性 认证广播和安全管理 除此之外 为了确保数据融合后数据源信息的保留 水印技术也成为wsn网络安全的研究内容 时间同步技术 时间同步是需要协同工作的传感器网络系统的一个关键机制 如测量移动车辆的速度需要计算不同传感器检测事件的时间差 目前已提出多个时间同步机制 RBS机制是基于接收者 接收者的时钟同步 TINY MINI SYNC是简单的轻量级同步机制 TPSN采用层次结构实现整个网络节点的时间同步 数据融合 传感器网络存在能量的约束 减少传输的数据量能够有效的节省能量 因此在从各个传感器节点收集数据的过程中 可以利用节点的本地计算和存储能力处理数据的融合 去除冗余信息 从而达到节省能量的目的 由于传感器节点的失效性 也需要数据融合技术对多份数据进行综合 提高信息的准确度 P40 10 无线传感器网络的节点定位 4 2无线传感器网络 确定事件发生的位置或采集数据节点的位置是传感器网络的基本功能之一 如 我们可以利用定位技术来确定火灾发生的准确位置 根据定位过程中是否实际测量节点间的距离或角度 把传感器网络中的定位分类为基于距离的定位和距离无关的定位 GPS是目前应用得最广泛最成熟的定位系统 但是定位适应于无遮挡的室外环境 用户节点通常能耗高 体积大 成本也比较高 需要固定的基础设施等 这使得它不适用于低成本自组织的无线传感器网络 传感器技术传感器的设计需求 低成本与微型化 低功耗 灵活性与扩展性 鲁棒性 传感器的软硬件平台本节介绍位置信息的概念 重点介绍典型的定位系统 卫星定位 蜂窝基站定位 无线室内环境定位 新兴定位系统 以及三种常见的定位技术 为什么需要定位 基于位置的服务自动导航搜索周边服务信息基于位置的社交网络 Foursquare位置信息和我们的生活息息相关 位置信息不是单纯的 位置 地理位置 空间坐标 处在该位置的时刻 时间坐标 处在该位置的对象 身份信息 4 3典型定位系统 现存主流定位系统 卫星定位 GPS蜂窝基站定位无线室内环境定位新兴定位系统 A GPS 网络定位 卫星定位 各国的卫星定位系统美国 GPS俄罗斯 GLONASS欧盟 伽利略中国 北斗一号 区域 北斗二号 全球 GPS是目前世界上最常用的卫星导航系统 GPS 发展简史 1973年 美国国防部开始GPS计划1983年 里根承诺将来对民间开放使用1989年 正式开始发射GPS工作卫星1994年 卫星星座组网完成 投入使用2000年 克林顿下令取消军用 民用信号的精度差别对待 GPS 系统结构 宇宙空间部分24颗工作卫星地面监控部分 全部在美国境内 1个主控中心 另有1个备用 4个专用地面天线6个专用监视站用户设备部分GPS接收机 GPS 定位原理 GPS 主要优缺点 优点精度高全球覆盖 可用于险恶环境缺点启动时间长室内信号差需要GPS接收机 GPS典型应用 汽车导航 最初仅能提供位置和周边地图第二代汽车导航系统可根据目的地自动计算 最短 路线互联网时代 汽车导航可从交管部门取得路况咨询 优化路线 找出 最快 路线物联网时代 感知更透彻综合道路状况 污染指数 天气状况 加油站的分布 驾驶员的身体状况等各种因素找出 最佳 路线 由 以路为本 转变到 以人为本 蜂窝基站定位 GSM蜂窝网络通讯区域被分割成蜂窝小区每个小区对应一个通讯基站通讯设备连接小区对应基站进行通讯利用基站位置已知的条件 可对通讯设备进行定位 单基站定位法 COO定位 CellofOrigin 将移动设备所属基站的位置视为移动设备的位置精度直接取决于基站覆盖的范围基站分布疏松地区 一个基站覆盖范围半径可达数公里 误差巨大优点 简单 快速 适用紧急情况 多基站定位法 需要三个基站才能定位稀疏地区可能只能收到两个基站的信号 不适用 蜂窝基站定位 主要优缺点 优点不需要GPS接收机 可通讯即可定位启动速度慢信号穿透能力强 室内亦可接收到缺点定位精度相对较低基站需要有专门硬件 造价昂贵 典型应用 紧急电话定位 美国E 911系统拨打报警电话时 根据基站定位出手机位置 自动接到最近警局综合了各种定位系统 包括ToA TDoA AoA RSS A GPS使用时尝试各种定位方法 择优而用 无线室内环境定位 室内环境的复杂性多径效应原因 障碍物反射电磁波 反射波和原始波在接收端混叠室内障碍物众多 多径效应明显对电磁波的阻碍作用长波信号 GPS 传播能力强 穿透能力弱室内应选用短波信号来进行定位 无线室内环境定位 需求主要来自企业和个人 难以购置蜂窝基站定位技术所需的昂贵硬件RSS定位技术使用信号强度进行定位利用已有的无线网络 蓝牙 Wi Fi ZigBee 红外线 超声波 蓝牙 RFID 超宽带 RFID定位典型应用 资产管理在设备上贴上RFID标签需要使用时通过RFID定位找到标签的位置 从而定位设备的位置结合感知技术 还可以监控设备的状况是否空闲是否故障是否老化 新兴定位系统 A GPSGPS定位和蜂窝基站定位的结合体利用基站定位确定大致范围连接网络查询当前位置可见卫星大大缩短搜索卫星的时间 无线AP定位利用可见Wi Fi接入点来定位在大城市中 无线AP数目多 定位非常精确在iPhone中成熟应用网络定位用于无线传感网 自组织网络通过少量位置已知节点 定位出全网络节点的位置 新兴定位系统 续 无线AP定位利用可见Wi Fi接入点来定位在大城市中 无线AP数目多 定位非常精确在iPhone中成熟应用网络定位用于无线传感网 自组织网络通过少量位置已知节点 定位出全网络节点的位置 P60