第15章-无线传感器网络与物联网

第15章无线传感器网络与物联网,传感器原理与应用,传感器原理及应用,第15章无线传感器网络与物联网,15.1物联网概述,物联网（InternetofThings，IoT）是在互联网、移动通信网等通信网络的基础上，针对不同应用领域的需求，利用具有感知、通信与计算能力的智能物体自动获取物理世界的各种信息；将所有能够独立寻址的物理对象互联起来，实现全面感知、可靠传输、智能处理，构建人与物、物与物互联的智能信息服务系统。,传感器原理及应用,第15章无线传感器网络与物联网,15.1.1物联网的体系结构,物联网可分为三个层次：网络感知层、传输网络层、应用网络层。,传感器原理及应用,第15章无线传感器网络与物联网,15.1.1物联网的体系结构,传感器原理及应用,第15章无线传感器网络与物联网,15.1.1物联网的体系结构,网络感知层即信息识别层，其以二维码、RFID、传感器为主，实现检测物体、标识和感知。,传输网络层即网络通信层，是通过现有的互联网、卫星、移动通信网等接入物联通信网，实现数据的进一步处理和传输。,应用网络层即终端处理层，是输入/输出（I/O）控制终端（包括计算机、手机等服务器终端），可实现对传输层发送信息的存储、挖掘、处理和应用。,传感器原理及应用,第15章无线传感器网络与物联网,15.1.2支持物联网发展的技术,物联网具有三个方面的重要特征：,1.互联网特征物联网实现了物与物、人与物之间的通信。它是在互联网基础之上延伸和扩展的一种网络。2.识别与通信特征物联网系统形成的前提是让物品感觉化。物联网实现物品的自动通信，要求物品要像人一样有一定的识别和判断功能。3.智能化特征物联网系统中让物品感觉化之后，还应该让其具有自动化、自我反馈与智能控制的特点。,传感器原理及应用,第15章无线传感器网络与物联网,15.1.2支持物联网发展的技术,基于物联网三个方面的重要特征，物联网包括很多技术，其中重要的有：射频识别（RFID）、传感器网络技术、无线通信技术、嵌入式技术、信息安全技术、普适计算、云计算等技术。,传感器网络是物联网的核心，主要解决物联网中的信息感知问题。传感网络技术指传感器和传感网所采用的技术。传感器是指能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。如果将许多在空间上分布的传感器组成计算机网络，使之协作地监控不同位置的物理或环境状况，就形成了传感器网络。传感网是物联网感知、获取信息的一种重要的技术手段，不是物联网所涉及技术的全部，所以不能把传感网等同于物联网。,传感器原理及应用,第15章无线传感器网络与物联网,15.2无线传感器网络,无线传感器网络(WirelessSensorNetworks,WSN)是由部署在监测区域内大量的微型传感器节点通过无线电通信形成的一个多跳的自组织网络系统，其目的是协作感知、采集和处理网络覆盖区域里被监测对象的信息，并发送给观察者。,通过网关，传感器网络还可以连接到现有的网络基础设施上（如Internet、移动通信网络等）,从而将采集到的信息传递给远程的终端用户使用。,传感器原理及应用,第15章无线传感器网络与物联网,15.2.1智能传感器与无线传感器,智能传感（IntelligentSensor）是用嵌入式技术将传感器与微处理器集为一体，具有环境感知、数据处理、智能控制与数据通信功能的智能数据终端设备。,1.自学习、自诊断与自补尝能力智能传感器能够对采集的数据进行处理，进行数据的归并与融合；通过自学习，重新标定传感器的线性度，以适应所处的实际感知环境，提高测量精度与可信度；能够采用自补偿算法，调整针对传感器温度漂移的非线性补偿法；能够根据自诊断算法，采用自修复方法改进传感器工作可靠性，设备非正常断电时的数据保护，或在故障出现之前警报。,传感器原理及应用,第15章无线传感器网络与物联网,15.2.1智能传感器与无线传感器,2.复合感知能力智能传感器对物体与外部环境的物理量、化学量或生物量具有复合感知能力。3.灵活的通信能力智能传感器具有灵活的通信能力，能够提供适应互联网、无线个人区域网、移动通信网、无线区域网通信的标准接口，具有接入无线自组网通信环境的能力。,无线传感器集成有传感器、数据处理单元和通信模块，可以通过自组织的方式构成网络。无线传感器在战场侦查中的应用已经有十几年的历史了。,传感器原理及应用,第15章无线传感器网络与物联网,15.2.1智能传感器与无线传感器,早在20世纪60年代，美军便已使用了“热带树”的无人值守传感器。“热带树”的无人值守传感器实际上是由一个震动传感器与声传感器组成的系统，它被飞机空投到被观测的地区，插在地上，仅露出伪装成树枝的无线天线。当人或车辆在它附近经过时，无人值守传感器就能够探测到目标发出的声音与震动信号，并立即通过无线信道向指挥部报告。指挥部对获得的信息进行处理，再决定如何处置。,传感器原理及应用,第15章无线传感器网络与物联网,15.2.2无线传感网络技术,1.无线传感器网络物理层的主要技术挑战（1）低能耗、低成本的调制机制（2）便于与上层协议结合的跨层优化设计（3）微型、低功耗、低成本的传感、数据处理和通信单元的设计,2.无线传感器网络数据链路层的主要技术挑战（1）复杂度和性能的折中（2）各种性能指标间的折中（3）跨层优化,传感器原理及应用,第15章无线传感器网络与物联网,15.2.2无线传感网络技术,3.网络层的主要技术挑战（1）高效利用能量（2）采用数据聚合、过滤等技术（3）针对流量特征、通信耗能等特点，采用通信量负载平衡技术（4）针对节点易失效的特点，采用多路径机制,4.无线传感器网络传输层的主要技术挑战（1）需要设计具有较短时延的传输协议（2）需要考虑如何保证传输的安全性。（3）需要优化现有的传输协议，提高可扩展性和容错性，降低能量消耗并缩短响应时间。,传感器原理及应用,第15章无线传感器网络与物联网,15.3典型行业应用的物联网传感器,智能家居物联网传感器,环境监测物联网传感器,周界防护物联网传感器红外线对射周界防护传感器微波墙式周界防护传感器振动电缆周界防护传感器泄露电缆周界防护传感器光纤周界报警系统,PPT系列网络化智能压力传感器,传感器原理及应用,第15章无线传感器网络与物联网,15.3.1周界防护物联网传感器,红外线对射周界防护传感器由红外发射器和红外接收器构成，当光线被入侵物体遮挡时即发出报警信号。微波墙式报警系统则主要由发射单元和接收单元两部分组成。发射机和接收机之间形成一个稳定的微波场，当微波场受到干扰，便会报警。振动电缆是一种带有永久预置电荷的介电材料。一端与报警控制电路相连，另一端与负载电阻相连。当有入侵者时，电缆因受到振动而产生模拟信号电压，即可触发报警。,传感器原理及应用,第15章无线传感器网络与物联网,15.3.1周界防护物联网传感器,泄漏电缆由射频发射器和射频接收器组成。射频发射器将45MHz或48MHz或48.5MHz的高频正弦波施加在泄漏电缆上，使发射泄漏电缆发射电磁场。射频接收器将接收电缆接收到的信号进行滤波放大后送主控板进行鉴别。在敷设的两个泄漏电缆之间形成了一个看不见的柱形电磁场防护区域，当人体和金属体在这个区域移动时，就引起了电磁场扰动而被探测器检测到，产生报警信号。,传感器原理及应用,第15章无线传感器网络与物联网,15.3.1周界防护物联网传感器,光纤周界报警系统使用的传感器是光纤，这种光纤传感器对运动、振动和压力极其敏感，而且不会受到各种形式电磁信号的干扰。报警处理单元向传感光纤发送相干模式的激光。传感光纤安装在围栏上或埋地，入侵者试图攀爬或剪断围栏时会引起围栏的振动，这种振动会改变传输光的模式；入侵者踩在埋地光纤所产生压力也会改变传输光的模式，通过报警处理单元的数字信号处理器对该变化信号的分析，发出报警信号。,传感器原理及应用,第15章无线传感器网络与物联网,15.3.2智能家居物联网传感器,智能家居安防系统中，典型的传感器有门磁、窗磁、煤气探测器、烟感探测器、红外探头等。,智能家居灯光控制系统中，最常用的是环境光传感器。环境光传感器可以感知周围光线情况，根据光线强弱控制灯光。环境光传感器主要由光敏元件组成。目前光敏元件发展迅速、品种繁多、应用广泛。市场出售的有光敏电阻、光敏二极管、光电三极管、硅光电池等,传感器原理及应用,第15章无线传感器网络与物联网,15.3.3环境监测物联网传感器,环境监测包括各种水污染和大气污染监测、噪声与振动监测、放射性和电磁波监测等几个方面。,在水污染监测中，包括生化好氧量的测定，氨、硝酸盐、硫化物、磷酸盐浓度的测定，重金属离子的浓度测定，其他有毒污染物的浓度测定等系列传感器。在大气污染监测中，电化学气体传感器被广泛应用。两电极系统是最简单的电化学气体传感器。这种传感器的对电极和敏感电极被一层电解液隔开，通过外部的电阻将两个电极连接起来。被检测气体进入到相应的传感器内部后，就会发生化学反应，会产生大小正比于气体浓度的电流，此电流大小可以通过外部电路电阻测量。,传感器原理及应用,第15章集成化智能传感器,15.3.4PPT系列网络化智能压力传感器,PPT系列、PPTR系列和PPTE系列是美国霍尼威尔（Honeywell）公司新近推出的可实现网络化的智能型精密压力传感器。传感器将压敏电阻传感器、A/D转换器、微处理器、存储器（RAM、E2PROM）和接口电路集成在一起；品性能指标高，使用方便，可广泛用于工业、环境监测、自动控制、医疗设备等领域。,传感器原理及应用,第15章集成化智能传感器,15.3.4PPT系列网络化智能压力传感器,1.PPT、PPTR系列压力传感器的性能特点,PPT系列、PPTR系列和PPTE系列是美国霍尼威尔1）RS-232接口，传感器距离不超过18m，测量精度高达0.05（满量程时典型值），而过去的集成压力变送器最高只能达到0.1的精度。PPTR系列产品带RS-485接口，传输距离可达几千米，测量精度为0.1。该系列属于网络传感器。能输出经过校准后的压力数字量和模拟量；可通过接口电路与PC机进行串行通信，一台PC机最多可挂接89个传感器。有12种压力单位可供选择；利用内部的集成温度传感器可以检测传感器温度，并对压力进行补偿。,传感器原理及应用,第15章集成化智能传感器,15.3.4PPT系列网络化智能压力传感器,2.传感器工作原理,PPT、PPTR系列智能压力传感器的外形尺寸均为24.8mm62.2mm。它有两个压力口P1和P2，以PPT系列为例，P1口适合接不易燃、无腐蚀性的液体或气体，P2口只能接气体。,传感器的外形及引脚,6芯插座上的第1脚为RS-232接口的正端，第2脚为负端。第3脚为外壳接地端（GND），第4脚为公共地，第5脚为直流电源输入端（US），第6脚为模拟电压输出端（UO）。,传感器原理及应用,第15章集成化智能传感器,15.3.4PPT系列网络化智能压力传感器,2.传感器工作原理,传感器的外形及引脚,PPTR系列插座上的AF依次对应于16脚，区别是A、B脚分别为RS485接口的正端（+）、负端（-）。为了降低噪声，做模拟输出时需要单点接地，应将电源地、测量仪表（如数字电压表）的参考地直接连传感器的信号地。,传感器原理及应用,第15章集成化智能传感器,15.3.4PPT系列网络化智能压力传感器,2.传感器工作原理,PPT智能压力传感器的内部框图主要包括8部分：压力传感器；温度传感器；16位A/D转换器；微处理器（P）和RAM；（E2PROM）；12位D/A转换器：RS-232（或RS-485）串行接口；电压调节器。,传感器原理及应用,第15章集成化智能传感器,15.3.4PPT系列网络化智能压力传感器,3.智能压力传感器的应用,（1）PPT模拟输出的配置单独使用一个PPT，能代替传统的模拟式压力传感器。其最大优点是不需要校准即可达到高精度指标。PPT模拟输出与测量仪表的接线如图所示。用户既可通过数字电压表（DVM）读取压力的精确值，亦可利用模拟式电压表（V）来观察压力的变化过程及变化趋势。,传感器原理及应用,第15章集成化智能传感器,15.3.4PPT系列网络化智能压力传感器,3.智能压力传感器的应用,（2）远程模拟压力信号的传输与记录PPT的模拟信号可直接送给记录仪来记录压力波形，但在远距离传输模拟信号时很容易受线路干扰及环境噪声的影响，还会造成信号衰减。为解决上述问题，可按下图连接，在终端增加一个PPT。这种方法适用于RS-485接口，传输距离可达数千米。,传感器原理及应用,第15章集成化智能传感器,15.3.4PPT系列网络化智能压力传感器,3.智能压力传感器的应用,（3）RS-485多点网络RS-485网络是以主机为起点、以距主机最远端为终点，它采用多点网络结构，亦称星形网络结构。这种网络不仅传输距离远，而且在不断开网络的情况下即可增、减PPT的数目。RS-485最多只能连接32个PPT单元，利用中继器可扩展到8