物联网中的 传感器技术

P1,物联网基础教程,马静唐四元王涛主编,mailto:tangsiyuan,MobileP2,第4章,传感器技术,P3,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,MEMS传感器组成和典型的MEMS传感器,无线传感器网组成和工作原理,无线传感器体系结构,P4,1.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,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。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,P6,2.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,P7,2.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,P8,2.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,P9,3.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,P10,3.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,P11,4.常见传感器原理,热敏元件及温度传感器。,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,光传感器及光敏元件。,4.1传感器,P14,4.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,P15,4.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。,P16,4.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。,P17,4.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。,P18,4.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。,P19,4.常见传感器原理,超声波传感器,4.1传感器,P20,4.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。,P21,5.光纤传感器和MEMS传感器,光纤传感器,4.1传感器,P22,5.光纤传感器和MEMS传感器,MEMS传感器,4.1传感器,P23,5.光纤传感器和MEMS传感器,微传感器和微执行器,4.1传感器,P24,5.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,P25,5.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,P26,1.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,P27,2.无线传感器网络的体系结构,4.2无线传感器网络,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,P30,4.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,P31,5.无线传感网络协议栈,4.2无线传感器网络,P32,6.无线传感器网络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)。,P33,7.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。,P34,8.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。,P35,9.无线传感器网络的节点定位,4.2无线传感器网络,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。,P36,10.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：网络拓扑管理网络安全时间同步技术数据融合。,P37,11.无线传感器网络的应用,4.2无线传感器网络,目前无线传感器网络的应用主要集中在以下领域：环境的监测和保护医疗护理军事领域目标跟踪其它应用。,P38,本章小结,本章介绍了两个内容，一是传感器，二是无线传感器网络。对于传感器，首先介绍了基本概念、定义、分类，重点介绍常用传感器的原理和MEMS传感器原理。对于无线传感器网，从网络组成和工作原理、节点结构、网络协议、操作系统、关键技术及各类应用等进行了详尽的介绍。,P39,思考题,1.传感器有哪几种基本的分类形式？2.按照人的感觉系统分类，传感器有哪几种类型？3.简述新型传感器的发展方向。